كوكب الأرض

الجو

الأرض محاطة بجو رقيق نسبيًا (يُسمى عادةً بالهواء) يتكون من خليط من الغازات ، النيتروجين الجزيئي (78 بالمائة) والأكسجين الجزيئي (21 بالمائة). كما توجد أيضًا كميات أقل بكثير من الغازات مثل الأرجون (حوالي 1 في المائة) وبخار الماء (بمتوسط ​​1 في المائة ولكنه متغير بدرجة كبيرة في الوقت والمكان) وثاني أكسيد الكربون (0.0395 في المائة [395 جزءًا في المليون] والارتفاع حاليًا) والميثان (0.00018 بالمائة [1.8 جزء لكل مليون] وهي ترتفع حاليًا) ، وأجزاء أخرى ، إلى جانب حبيبات صلبة وسائلة دقيقة معلقة.

geoid: تحديد شكل الأرض

يرجع الفضل في فكرة أن الأرض كروية عادة إلى فيثاغورس (ازدهار القرن السادس قبل الميلاد) و

نظرًا لأن الأرض لها مجال جاذبية ضعيف (بحكم حجمها) ودرجات حرارة جوية دافئة (بسبب قربها من الشمس) مقارنة بالكواكب العملاقة ، فإنها تفتقر إلى الغازات الأكثر شيوعًا في الكون التي تمتلكها: الهيدروجين والهليوم. في حين تتكون كل من الشمس والمشتري في الغالب من هذين العنصرين ، لا يمكن الاحتفاظ بهما لفترة طويلة في وقت مبكر من الأرض وتبخر بسرعة في الفضاء بين الكواكب. محتوى الأكسجين العالي في الغلاف الجوي للأرض خارج عن المألوف. الأكسجين هو غاز شديد التفاعل والذي ، في معظم الظروف الكوكبية ، سيتم دمجه مع مواد كيميائية أخرى في الغلاف الجوي والسطح والقشرة. في الواقع يتم توفيرها باستمرار من خلال العمليات البيولوجية ؛ بدون الحياة ، لن يكون هناك أكسجين مجاني تقريبًا. كما أن الأجزاء البالغة 1.8 لكل مليون من الميثان في الغلاف الجوي بعيدة أيضًا عن التوازن الكيميائي مع الغلاف الجوي والقشرة: فهي أيضًا ذات أصل بيولوجي ، مع مساهمة الأنشطة البشرية التي تفوق بكثير غيرها.

تمتد غازات الغلاف الجوي من سطح الأرض إلى ارتفاعات تبلغ آلاف الكيلومترات ، وتندمج في النهاية مع الرياح الشمسية ، وهو تيار من الجسيمات المشحونة التي تتدفق إلى الخارج من المناطق الخارجية للشمس. يكون تكوين الغلاف الجوي ثابتًا إلى حد ما مع ارتفاع يصل إلى ارتفاع حوالي 100 كم (60 ميلًا) ، مع استثناءات خاصة بخار الماء والأوزون.

يوصف الغلاف الجوي عادة من حيث طبقات أو مناطق متميزة. يتركز معظم الغلاف الجوي في طبقة التروبوسفير ، التي تمتد من السطح إلى ارتفاع حوالي 10-15 كم (6-9 ميل) ، اعتمادًا على خط العرض والموسم. يتم التحكم في سلوك الغازات في هذه الطبقة عن طريق الحمل الحراري. تتضمن هذه العملية الحركات المضطربة والمقلوبة الناتجة عن طفو الهواء القريب من السطح الذي تسخنه الشمس. يحافظ الحمل الحراري على انحدار متدرج لدرجة الحرارة الرأسية - أي انخفاض في درجة الحرارة مع الارتفاع - يبلغ حوالي 6 درجات مئوية (10.8 درجة فهرنهايت) لكل كيلومتر عبر طبقة التروبوسفير. في الجزء العلوي من التروبوسفير ، والذي يسمى التروبوبوز ، انخفضت درجات الحرارة إلى حوالي -80 درجة مئوية (−112 درجة فهرنهايت). التروبوسفير هو المنطقة التي يوجد فيها كل بخار الماء تقريبًا ويحدث كل الطقس بشكل أساسي.

يقع الستراتوسفير الجاف الضعيف فوق طبقة التروبوسفير ويمتد على ارتفاع حوالي 50 كم (30 ميلاً). الحركات الحملية ضعيفة أو غائبة في الستراتوسفير. تميل الحركات بدلاً من ذلك إلى أن تكون ذات اتجاه أفقي. تزداد درجة الحرارة في هذه الطبقة مع الارتفاع.

في المناطق العليا من الستراتوسفير ، امتصاص الأشعة فوق البنفسجية من الشمس يكسر الأكسجين الجزيئي (O ₂) ؛ إعادة تركيب ذرات الأكسجين الفردية مع جزيئات O ₂ إلى الأوزون (O ₃) يخلق طبقة الأوزون الواقية.

فوق الستراتوبول الدافئ نسبيًا يوجد الغلاف المتوسط ​​الأكثر هشاشة ، حيث تنخفض درجات الحرارة مرة أخرى على ارتفاع يصل إلى 80-90 كم (50-56 ميلًا) فوق السطح ، حيث يتم تحديد ميزوبوز. درجة الحرارة الدنيا التي تم الوصول إليها هناك متغيرة للغاية مع الموسم. ثم ترتفع درجات الحرارة مع ارتفاع متزايد من خلال الطبقة المغطاة المعروفة باسم الغلاف الحراري. فوق 80-90 كم أيضًا ، يوجد جزء متزايد من الجسيمات المشحونة أو المتأينة ، والتي تحدد من هذا الارتفاع إلى أعلى الغلاف الأيوني. تتولد الشفق المرئي المذهل في هذه المنطقة ، خاصة على طول المناطق الدائرية تقريبًا حول القطبين ، من خلال تفاعل ذرات النيتروجين والأكسجين في الغلاف الجوي مع رشقات عرضية من الجسيمات النشطة التي تنشأ من الشمس.

تُدار دورة الغلاف الجوي العامة للأرض بواسطة طاقة ضوء الشمس ، التي هي أكثر وفرة في خطوط العرض الاستوائية. تتأثر حركة هذه الحرارة تجاه القطبين بشدة بالدوران السريع للأرض وقوة كوريوليس المصاحبة عند خطوط العرض بعيدًا عن خط الاستواء (الذي يضيف مكونًا من الشرق والغرب إلى اتجاه الرياح) ، مما يؤدي إلى خلايا متعددة من دوران الهواء في كل نصف الكرة الأرضية. تنتج الاضطرابات (الاضطرابات في تدفق الغلاف الجوي التي تنمو مع مرور الوقت) مناطق الضغط العالي المميزة والعواصف ذات الضغط المنخفض في خطوط العرض الوسطى بالإضافة إلى التيارات النفاثة السريعة التحرك شرقاً في طبقة التروبوسفير العليا التي توجه مسارات العواصف. المحيطات عبارة عن مستودعات ضخمة للحرارة تعمل إلى حد كبير على تخفيف الاختلافات في درجات الحرارة العالمية للأرض ، لكن التيارات المتغيرة ببطء ودرجات الحرارة تؤثر أيضًا على الطقس والمناخ ، كما هو الحال في ظاهرة النينيو / ظاهرة التذبذب الجنوبي (انظر المناخ: الدورة الدموية ، التيارات ، والتفاعل بين المحيطات والغلاف الجوي ؛ والمناخ: النينيو / التذبذب الجنوبي والتغير المناخي).

الغلاف الجوي للأرض ليس سمة ثابتة للبيئة. وبدلاً من ذلك ، تطور تكوينه على مدار الوقت الجيولوجي بالتوافق مع الحياة ويتغير بسرعة أكبر اليوم استجابة للأنشطة البشرية. في منتصف الطريق تقريبًا عبر تاريخ الأرض ، بدأت وفرة الأكسجين الحر العالية بشكل غير عادي في الغلاف الجوي تتطور ، من خلال التمثيل الضوئي بواسطة البكتيريا الزرقاء (انظر الطحالب الخضراء المزرقة) وتشبع أحواض سطح الأكسجين الطبيعية (على سبيل المثال ، المعادن ضعيفة نسبيًا بالأكسجين والهيدروجين- الغازات الغنية المنبعثة من البراكين). جعل تراكم الأكسجين من الممكن للخلايا المعقدة ، التي تستهلك الأكسجين أثناء عملية التمثيل الغذائي والتي تتكون منها جميع النباتات والحيوانات ، أن تتطور (انظر حقيقيات النوى).

يختلف مناخ الأرض في أي مكان باختلاف المواسم ، ولكن هناك أيضًا اختلافات طويلة المدى في المناخ العالمي. يمكن للانفجارات البركانية ، مثل ثوران جبل بيناتوبو في الفلبين عام 1991 ، أن تضخ كميات كبيرة من جزيئات الغبار في الستراتوسفير ، والتي تظل معلقة لسنوات ، مما يقلل من شفافية الغلاف الجوي ويؤدي إلى تبريد قابل للقياس في جميع أنحاء العالم. أكثر ندرة ، يمكن أن تنتج الآثار العملاقة للكويكبات والمذنبات آثارًا أكثر عمقًا ، بما في ذلك التخفيضات الشديدة في ضوء الشمس لأشهر أو سنوات ، كما يعتقد العديد من العلماء أدى إلى انقراض جماعي للأنواع الحية في نهاية العصر الطباشيري ، 66 مليون سنة منذ. (للحصول على معلومات إضافية حول المخاطر التي تشكلها الآثار الكونية وفرص حدوثها ، انظر خطر تأثير الأرض.) التغيرات المناخية السائدة التي لوحظت في السجل الجيولوجي الأخير هي العصور الجليدية ، والتي ترتبط بالتغيرات في ميل الأرض ومدارها الهندسة فيما يتعلق بالشمس.

تقود فيزياء اندماج الهيدروجين الفلكيين إلى استنتاج أن الشمس كانت أقل سطوعًا بنسبة 30 في المائة خلال أقدم تاريخ للأرض مما هي عليه اليوم. ومن ثم ، إذا كانت جميع الأشياء متساوية ، كان ينبغي تجميد المحيطات. تشير ملاحظات جيران كوكب الأرض ، المريخ والزهرة ، وتقديرات الكربون المحبوس في قشرة الأرض في الوقت الحاضر إلى أنه كان هناك الكثير من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض خلال الفترات السابقة. هذا من شأنه أن يعزز الاحترار على السطح من خلال تأثير الاحتباس الحراري ، وبالتالي يسمح للمحيطات أن تبقى سائلة.

يوجد اليوم 100 ألف مرة من ثاني أكسيد الكربون المدفون في صخور الكربونات في قشرة الأرض مما هو عليه في الغلاف الجوي ، في تناقض حاد مع كوكب الزهرة ، الذي تتبع تطوره الجوي مسارًا مختلفًا. على الأرض ، تشكل قذائف الكربونات بواسطة الحياة البحرية الآلية الرئيسية لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربونات. تنتج العمليات اللاأحيائية التي تنطوي على الماء السائل أيضًا كربونات ، وإن كان ذلك بشكل أبطأ. ولكن على كوكب الزهرة ، لم تتح الفرصة للحياة أبدًا لتكوين وتوليد الكربونات. بسبب موقع الكوكب في النظام الشمسي ، تلقى كوكب الزهرة المبكر أشعة الشمس بنسبة 10-20٪ أكثر من السقوط على الأرض حتى اليوم ، على الرغم من الشمس الضعيفة في ذلك الوقت. يعتقد معظم علماء الكواكب أن درجة حرارة السطح المرتفعة التي نتجت عن ذلك منعت الماء من التكثيف إلى سائل. وبدلاً من ذلك ، بقي في الغلاف الجوي كبخار الماء ، الذي هو غاز دفيئة فعال ، مثل ثاني أكسيد الكربون. تسبب الغازان معًا في ارتفاع درجات الحرارة السطحية حتى أعلى بحيث هربت كميات هائلة من المياه إلى الستراتوسفير ، حيث تم فصلها عن طريق الأشعة الشمسية فوق البنفسجية. مع الظروف الحارة والجافة التي تسمح الآن بتكوين كربونات غير حيوية ، بقي معظم أو كل مخزون الكربون في الكوكب في الغلاف الجوي كثاني أكسيد الكربون. تتوقع النماذج أن الأرض قد تعاني من نفس المصير في مليار سنة ، عندما تتجاوز الشمس سطوعها الحالي بنسبة 10-20 في المائة.

بين أواخر الخمسينيات ونهاية القرن العشرين ، زادت كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض بأكثر من 15 في المائة بسبب حرق الوقود الأحفوري (مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي) وتدمير الغابات الاستوائية المطيرة. مثل حوض نهر الأمازون. تتوقع نماذج الكمبيوتر أن مضاعفة صافي ثاني أكسيد الكربون بحلول منتصف القرن الحادي والعشرين يمكن أن تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الكرة الأرضية من 1.5 إلى 4.5 درجة مئوية (2.7-8.1 درجة فهرنهايت) في المتوسط ​​على الكوكب ، مما سيكون له آثار عميقة على مستوى سطح البحر و الزراعة. على الرغم من أن هذا الاستنتاج قد انتقده البعض على أساس أن الاحترار الذي تم ملاحظته حتى الآن لم يواكب الإسقاط ، فقد أشارت تحليلات بيانات درجة حرارة المحيط إلى أن الكثير من الاحترار خلال القرن العشرين حدث بالفعل في المحيطات نفسها - وسوف تظهر في النهاية في الغلاف الجوي.

وهناك شاغل آخر فيما يتعلق بالغلاف الجوي هو تأثير الأنشطة البشرية على طبقة الأوزون الستراتوسفيرية. تم العثور على التفاعلات الكيميائية المعقدة التي تنطوي على آثار من مركبات الكربون الكلورية فلورية (CFCs) من صنع الإنسان في منتصف 1980s لخلق ثقوب مؤقتة في طبقة الأوزون ، وخاصة فوق القارة القطبية الجنوبية ، خلال الربيع القطبي. لكن الأمر الأكثر إزعاجًا هو اكتشاف تزايد استنفاد الأوزون فوق خطوط العرض المعتدلة ذات الكثافة السكانية العالية ، حيث تم اكتشاف الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة التي تمتصها طبقة الأوزون بشكل فعال وتسبب سرطان الجلد. إن الاتفاقات الدولية القائمة لوقف إنتاج أفدح مركبات الكربون الكلورية فلورية المدمرة للأوزون ستوقف في النهاية وتعكس الاستنفاد ، ولكن فقط بحلول منتصف القرن الحادي والعشرين ، بسبب فترة البقاء الطويلة لهذه المواد الكيميائية في الستراتوسفير.