بر اساس نظريه هاي جديد كره زمين در ابتدا بدون هيچ گونه جوي از تجمع تدريجي ذرات سفت و سرد شده در اندازه هاي گوناگون به وجود آمده است.
اين ذرات بر اساس نظريه هاي گوناگون ، حاصل انقباض خورشيد بزرگ كه روزي با اندازه كل منظومه شمي بوده است ، مي باشد .
« به طور كلي اتمسفر مخلوطي از گازها مي باشد و اگر چه جو زمين ظاهراً به دليل ماهيت گازي كه دارد بي وزن به نظر مي رسد اما داراي جرمي به مقدار 6/5×1014 تن مي باشد حدود 99 % از حجم اتمسفر زمين را دو گاز ازت و اكسيژن تشكيل دهد كه ازت با 87% پيكرة اصلي اتمسفر زمين را شكل مي دهد و بعد از آن اكسيژن قرار دارد و ديگر گازها فقط در حدود 1% مي باشد . علاوه بر تركيبات دائمي جو ، اتمسفر زمين حاوي مواد معلق و گوناگوني است كه شامل ذرات نمك ، گرد وغبار و قطرات بسيار كوچك آب نيز مي باشد ، كه البته نبايد آنها را در قالب تركيبات گازي جو به حساب آورد .»
جدول زير گازهاي تشكيل دهنده جو را در يك هواي خشك ( بدون بخار آب و آلاينده ها ) به صورت حجمي و جرمي نشان مي دهد .
| درصد جرمي | در صد حجمي | نوع گاز |
| 75/51 | 78/084 | ازت |
| 23/15 | 20/946 | اكسيژن |
| 1/28 | 0/934 | آرگون |
| 0/046 | 0/033 | دي اكسيد كربن |
براي جو نمي توان حدي مشخص قائل شد زيرا از غلظت گازهاي تشكيل دهنده هر چه از سطح زمين دور مي شويم ، كاسته مي شود ؛ تا جايي كه ذرات و اتمهاي گاز به فاصله هاي بسيار زياد از هم قرار مي گيرند . بر مبناي تجربه مي توان گفت كه تا ارتفاع1000 كيلومتري نيز آثار وجود گاز مشاهده شده است .
« علاوه بر گازهاي موجود در جدول فوق مقدار زيادي بخار آب نيز در جو وجود دارد و همچنين گازهايي مانند هيدروژن و گازهاي راديواكتيويته مانند رادن (Radon) در جو ديده شده است . همچنين هميشه ذرات ديگري مانند گرد وخاك و دود كارخانجات و نمكهاي مختلفه را مي توان در هوا يافت . »
فيزيك فضا و اتمسفر
فيزيك فضا يكي از شاخه هاي علم فيزيك است كه تا اندازة پاسخگوي هزاران سؤال موجود در ذهن بشر در مورد فضا مي باشد . بخشي از فيزيك فضا كه در آن اجرام آسماني مورد مطالعه قرار مي گيرد ، مكانيك سماوي است . در اين بخش نيروهاي مؤثر بر حركت اجسامي نظير سيارات ، ماهواره ها و پروپهاي مصنوعي مورد مطالعه قرار مي گيرد . در سال 1619 ميلادي كوپلر در مورد حركت سيارات سه قانون اساسي خود را با استفاده از مشاهدات تيكو براهه بيان كرد . قوانين كوپلر كه پايه و اساس قوانين نيوتن و مكانيك كلاسيك براي حركت سيارات است ، عبارتند از :
1- حركت سيارات به دور خورشيد دريك مدار بيضوي انجام مي گيرد كه خورشيد در يكي از كانونهاي آن بيضي قرار دارد .
2- مدار يك سياره به دور خورشيد ، سطحي را تشكيل مي دهد كه اين سطح جاروب شده توسط خط واصل بين سياره و خوشيد با زمان حركت سياره نسبت مستقيم دارد .
3- نسبت بين مربع دوره تناوب گردش هر سياره و مكعب نصف محور بزرگ مدار بيضوي . در مورد هر سياره منظومه شمسي عدد يكساني است .
فيزيك فضا يك علم بسيار جديد است . با وجود اين يك تكنولوژي مهم سبب حل بسياري از نا شناخته هاي قبلي بوده است . در فيزيك اتمسفر پارامترهاي مهم معين در هر نقطه از اتمسفر مانند فشار ، چگالي ، دما ، ميدان مغناطيسي زمين ، ميدان الكتريكي ، تابش الكترومغناطيسي موجود در اتمسفر ، ذرات باردار و شهاب سنگها مورد مطالعه قرار مي گيرد . در اثر بر همكنش فوتون - كه تشكيل دهنده امواج الكتر ومعناطيسي است – با گازهاي موجود در جو زمين ، اين گازها يونيزه مي شوند . اتمهاي يونيزه دوباره بر اثر برخورد با الكترونهاي موجود در اتمسفر در فرايند تركيب مجدد شركت مي كنند . كه اين فرايند در جو زمين انجام مي شود .
اتمسفر زمين
فضاي بين اتمسفر زمين و سيارات منظومه شمسي خلاء كامل نيست اگر چه چگالي مواد بين سيارات كم است اين فضا مقاديري گازهاي داغ و ذرات گرد و غبار در بر دارد مواد گازي موجود در اين نواحي را گاز بين سيارات مي نامند زيرا اين گازها بين سيارات قرار دارند و اغلب از پروتونها و الكترنها تشكيل شده اند و چگالي ملكولي آن بسيار كم است .
مدار حركت زمين به دور خورشيد از فضاي بين سيارات مي گذرد و به همين دليل با گازهاي بسيار رقيق بين سيارات ادغام مي شود . جو از نظر عمودي ممكن است بنا به تركيبات ، عكس العمل هاي شيميايي ، يونيزه شدن ، دما ، فشار و... بر حسب ارتفاع طبقه بندي شوند اما يونيزه شدن از اهميت فوق العاده اي برخوردار است .
آنچه بر روي اين كره خاكي حيات را مقدور ساخته است ارتباط بسيار منظم تنگاتنگي ما بين اعضاي اين پوشش با طبقات مختلف است . طبقاتي كه هر لايه آن وظيفه بسيار مهم تعيين كننده اي در تشكيل و ادامه حيات داراست . به نحوي كه با حذف مجازي هر لايه و محاسبه مربوط به آن دگرگوني ژرفي در ساير طبقات و طبع آن، تغيير كامل مكانيسم فعلي را سبب مي شود . در ديد اغلب افراد اهميت جو در لاية مجاور زمين است كه داراي اكسيژن كافي براي تنفس مي باشد . براي شكل گيري اين لايه كه موجودات در تماس مستقيم با آن مي باشد طبقات ديگر طبق چينش خاص خود با خصوصيات منحصر به فرد دخالت دارند كه در اين مشاركت با حذف هر كدام قطعاً حيات به خطر جدي خواهد افتاد . گر چه جو به معناي واقعي يك سيال كامل است و هيچ جاي خالي در آن نمي توان يافت و كاملاً فضا را به يك نسبت و يك شكل پوشش مي دهد اما در هر لايه تركيبات خاص از عناصر و ملكولها با توجه به خصوصيات آن لايه قرار دارد .
تركيبات اتمسفر
تركيبات اتمسفر را طي جدولي در بخش تعريف جو يا اتمسفر در ابتداي اين فصل به خوانندگان عزيز ارائه كرديم ؛ اما با توجه به موارد مندرج در جدول ياد شده اگر سهم بخار آب موجود در اتمسفر را نيز در اين تقسيم بندي دخالت دهيم ، اين نسبتها ثابت نخواهد بود زيرا دماي لايه هاي پائين جو هميشه در حال تغيير بوده و با رسيدن دما به نقطه ميعان و تبديل بخار به مايع ، درصد حجمي بخار آب در جو تغيير خواهد كرد . در مقياس جهاني ، به طور متوسط 1% حجم اتمسفر زمين را بخار آب تشكيل مي دهد ، اما عملاً ممكن است در يك مكان ، هوا فاقد بخار آب و در نقطه اي ديگر تا 4% بخار آب وجود داشته باشد . گر چه وزن مولكولي بخار آب از وزن ساير عناصر تشكيل دهنده جو كمتر است ، با اين وجود بخار آب عمدتاً در لايه هاي پائين جو متمركز مي باشد .
بيشترين مقدار بخارآب در لايه مجاور سطح زمين بوده و با افزايش ارتفاع ، به شدت از ميزان آن كاسته مي شود . بالا بودن مقدار بخار آب در نزديكي سطح زمين به دو علت است : يكي به دليل وجود اقيانوس ها كه منبع اصلي تأمين بخار آب است ؛ و ديگري سرد بودن لايه هاي فوقاني جو كه مانع از نفوذ و نگهداشت بخار آب مي شوند .
اكسيژن در جو
«اكسيژن به سه صورت در جو وجود دارد »
1- اكسيژن معمولي ( O2)
2- اكسيژن به صورت اتم (O) كه مقدار بسيار جزئي از اكسيژن جو را تشكيل مي دهد و در قسمتهاي فوقاني جو يعني از 100 كيلومتر به بالا وجود دارد .
3- اكسيژن به صورت ازن (o3) كه قسمت عمده اكسيژن جو را تشكيل مي دهد و در ارتفاعات بيت 35 الي 80 كيلومتري جو موجود است .»
ارتفاع و ساختار اتمسفر
هر قدر از سطح زمين دور شويم از غلظت هوا كاسته مي شود . به طوري كه غلظت هوا درلايه هاي انتهايي آنقدر كم مي شود كه به طور غير محسوس با جو خورشيد در هم مي آميزد . ساختار اتمسفر را مي توان از ديدگاهها ي مختلف مورد بررسي قرار داد : يكي از معيارهايي كه بر اساس آن لايه هاي جو طبقه بندي مي شوند دماي هواست . لايه بندي حرارتي (thermal stratification) از نظر تغييرات هوا و اثرات مستقيم گرما بسيار با اهميت باشد . لايه بندي ديگري نيز در ارتباط با يونيزاسيون(Ionization) يا وجود ذرات باردار اتمي در جو انجام مي گيرد كه به نوبه خود داراي اهميت مي باشد . اما آنچه به عنوان مبنا پذيرفته شده ، همان لايه بندي حرارتي است .
با توجه به محدود بودن اطلاعات ما از خصوصيات جو در لايه هاي فوقاني ، و به اين دليل كه سطوح بالايي هنوز تحت بررسي و تحقيق مي باشد هيچ گونه تعريف مشخص جامعي از ساختار جو در اين قسمت وجود ندارد . پائينترين لايه جو كه در برگيرنده بيشترين جو هواست ، و همچنين بزرگترين ويژگي آن، كاهش تدريجي دماي هوا نسبت به ارتفاع مي باشد ؛ لايه تروپوسفر (troposphere) نام دارد . بيشترين تغييرات جوي كه كاهش دما نسبت به ارتفاع ، مهترين آنهاست ، دراين لايه اتفاق مي افتد . ضخامت متوسط لايه تروپوسفر حدود 11 كيلومتر است . ضخامت اين لايه در قطب حداقل ، و در استوا به بالاترين مقدار خود مي رسد .
روي لاية تروپوسفر ، طبقه استراتوسفر(stratosphere) قرار دارد كه ضخامت متوسط آن حدود 23 كيلومتر است . در 3 كيلومتر اول استراتوسفر ، دماي هوا ثابت است؛ اما در قسمتهاي بالاتر ، دماي هوا با ارتفاع افزايش مي يابد . لايه مزوسفر(mesosphere) در بالاي طبقه استراتوسفر واقع شده و به صورتي است كه در آن دماي هوا نسبت به افزايش ارتفاع به طور سريع كاهش پيدا مي كند . ترموسفر(thermosphere) انتهايي ترين لايه جو مي باشد كه در آن بار ديگر دماي هوا با ارتفاع به شدت زياد مي شود . اين لايه از ارتفاع تقريبي 80 كيلومتري زمين شروع و تا 190 كيلومتري سطح زمين ادامه دارد . بدين ترتيب جو زمين از نظر حرارتي به چهار لايه متمايز : تروپوسفر ، استراتوسفر ، مزوسفر و ترموسفر تقسيم مي شود . مرز بين لايه اول و دوم ، تروپوپاز(tropopause) ؛ مرز لايه دوم و سوم ، استراتوپاز (stratopause) ؛ و مرز بين لايه سوم چهارم ، مزوپاز (mesopause) نام گرفته است. مزوپاز محلي است كه پائينترين دما را داراست . در برخي ديگر از منابع دو طبقه ديگر به جو اضافه كردند : «يونوسفر ، كه تقريباً در 80 تا 800 كيلومتري سطح زمين واقع شده است و اتمهاي اين طبقه به علت برخورد با اشعه خورشيد و اشعه كيهاني به شدت يونيزه مي شود و موجب انتشار امواج راديويي مي گردند . به علت فاصله زياد اين طبقه با سطح زمين تعداد ذرات هوا در هر سانتيمتر مكعب (توده ويژه) كم و فاصله ذرات گاز در آن زياد مي باشد . ولي به هر حال فاصله اين ذرات به اندازه اي است كه سنگهاي آسماني كه جذب زمين مي شوند در اثر تماس و اصطكاك با اين ذرات به حدي گرم مي گردند كه به حالت گداخته و درخشان درآمده و به شكل شهاب ثاقب ديده مي شوند.
«ديگري طبقه اگزوسفر كه در قسمت فوقاني جو و در حقيقت آستانه يا سر حد فضاست كه در آن ذرات هوا حركات پرتابي دارند مي باشد . چون اين طبقه از سطح زمين دور است نيروي جاذبه زمين كاهش يافته و ذرات جو از هم دور و با داشتن ميدان فعاليت بيشتري با سرعت زيادتري حركت كرده تا جايي كه نيروي گريز از مركز بر نيروي جاذبه غلبه مي كند . بعضي از اين ذرات در اثر همين حركات پرتابي از جو زمين خارج مي گردند و بعضي ديگر به علت برخورد با ذرات ديگر دومرتبه به داخل جو زمين بر مي گردند . »
ايزوترمال
در طبقه استراتوسفر از سطح تراپاپاز به بالا ابتدا درجه حرارت با ارتفاع تغيير نكرده و ثابت مي ماند . از اين رو است كه قسمتهاي زيرين اين طبقه را كه داراي چنين خاصيتي است با درجه حرارت ثابت يا« هم درجه حرارت » (Isothermal layer) مي نامند. ارتفاع ايزوترمال معمولاً 35 كيلومتر مي باشد . از ارتفاع 35 تا 80 كيلومتري وجود ازن اثبات شده است عمل ازن در اين طبقه جذب زياد اشعه حرارتي خورشيد و به وجود آوردن يك طبقه از هواي گرم در جو بالا است . وجود ازن در اين منطقه ناشي از وجود اشعه ماوراء بنفش است زيرا كه توسط اين اشعه فعل و انفعالات شيميايي انجام گرديده و اكسيژن معمولي با اتم اكسيژن تركيب شده و ازن به وجود مي آيد .
(مرجع: وب سايت آسمان بندرعباس)