هواشناسان معتقدند که بهتر است جوّ زمین به طور کامل و یکپارچه تجسم شود؛ زیرا این موضوع به پیش بینی حرکات جو بسیار کمک می‌کند. امروزه با استفاده از ماهواره‌های هواشناسی و ابزار الکترونیکی پیشرفته موفق شده‌اند جو زمین را مورد مطالعه قرار دهند. همچنین شبکه ایستگاه‌های زمینی هواشناسی نیز در سراسر دنیا گسترش پیدا کرده است. اگرچه گاهی لازم است که منطقه‌ی معیّنی از جو مورد مطالعه قرار گیرد، ولی در حقیقت حوادث جوّی که در یک ناحیه رخ می‌دهند، بر قسمت‌های دیگر جو تأثیر می‌گدارند.
فهرست محتوا
لایه‌های تشکیل دهنده جو زمین
به طور خلاصه می‌توان گفت که جو زمین از پایین به بالا، از پنج لایه‌ی کاملاً مشخص زیر تشکیل شده است:
- تروپوسفر
- استراتسفر
- مزوسفر
- ترموسفر
- اگزوسفر
با تغییر ارتفاع از سطح زمین، دما و فشار نیز دچار تغییر می‌شوند. به طور کلی بیشترین دماها در استراتوپاز و ترموسفر دیده می‌شود. این زیاد بودن دما، به تابش خورشید و جذب آن مربوط است. بیشتر تابش خورشیدی توسط زمین جذب می‌شود. بنابراین، تروپسفر از از ناحیه زیرین شروع به گرم شدن می‌کند. برعکس، منبع حرارتی استرتسفر در قسمت فوقانی آن واقع است؛ یعنی جایی که اشعۀ ماورای بنفش توسط اوزون جذب می‌شود. مزوسفر هم از قسمت زیرین گرم می‌شود. بالاترین دما در لایۀ ترموسفر و قسمت فوقانی آن اتفاق می‌افتد. و بالاخره، ناحیۀ بالای لایه ترموسفر با گازهای بین سیارات و گازهای بسیار داغ و تشعشعات خورشیدی ادغام می‌شود. دماهای بالای نزدیک استراتوپاز و قسمت فوقانی ترموسفر نشان می‌دهد که ذرات با سرعت زیاد در این نواحی حرکت می‌کنند. چگالی جوّ زمین در این ارتفاعات خیلی کم است.
مقدار ذرات هوا در واحد حجم در نزدیکی سطح زمین خیلی زیاد است. بنابراین، انرژی حرارتی جو به مقدار خیلی زیاد در ناحیه اول، یعنی در تروپوسفر متمرکز می‌شود. فشار جو عبارت است از نیرویی که گازهای جو در هر ارتفاع به سطح یک سانتی‌متر مربع به طور عمودی وارد می‌سازند. همچنین فشار متوسط در نزدیکی سطح دریا در حدود هزار میلی بار است.
بایستی توجه کرد که فشار جو در استراتوپاز، یعنی بالای ناحیه دوم جو، در حدود یک میلی بار است، و این موضوع نشان می‌دهد که یک هزارم جرم جو در بالای ۵۰ کیلومتری از سطح دریا قرار دارد. در ارتفاعات بالاتر، چگالی جو حتی از این هم کمتر می‌شود؛ به طوری که فقط یک میلیونم جرم جو در بالاتر از ۹۰ کیلومتری قرار دارد. وزن ستون هوا در ارتفاع ۹۰ کیلومتری به حدی است که فشار هوا تقریباً یک هزار میلی بار است.
تروپسفر
پایین ترین لایه جو، تروپسفر خوانده می‌شود. در این لایه معمولاً دما با ارتفاع کاهش می‌یابد. می‌توان گفت که متوسط میزان کاهش دما در نیمۀ پایین تروپسفر با ارتفاع ۶-۷ درجۀ سانتی‌گراد در هر کیلومتر است و در نیمه‌ی بالای آن این کاهش دما به ۷-۸ درجه سانتی گراد در هر کیلومتر می‌رسد.
در بعضی قسمت‌های تروپسفر در یک لایه کم عمق، دما گاهی به جای کاهش، افزایش می‌یابد، که این پدیده را وارونگی دما می‌گویند. سطح بالای تروپسفر، تروپوپاز نامیده می‌شود. ارتفاع تروپوپاز در روی زمین تغییر می‌کند و در این سطح گسستگی‌هایی وجود دارد و یک سطح پیوسته نیست. ارتفاع تروپوپاز در نواحی استوایی، یعنی جایی که دارای عرض جغرافیایی کم است، به ۱۸ کیلومتر هم می‌رسد، ولی در عرض‌های قطبی ارتفاع تروپوپاز تقریباً ۸ کیلومتر است. بین این دو ناحیه، تروپوپاز در عرض‌های میانی دارای شیب است. تروپوپاز در مجاورت جت استریم‌ها قطع می‌شود.
در یک مکان بخصوص، ارتفاع و دمای تروپوپاز ممکن است دارای تغییرات شدید باشد. سیستم هوایی که در حرکت است و ابرهایی که با سیستم حرکت می‌کنند روی زندگی همه‌ی ما تأثیر می‌گذارند و تمام این تأثیرات اغلب در تروپسفر رخ می‌دهد. از آنجا که سیستم‌های جوّی موقعیت مکانی خود را مرتباً تغییر می‌دهند، خصوصیات سطح تروپوپاز نسبت به زمان و مکان در حال تغییر می‌باشد.
دما در تروپسفر به طور مداوم با ارتفاع کاهش می‌یابد تا جایی که به تروپوپاز می‌رسد. از آنجا که ارتفاع تروپوپاز در نواحی استوایی حداکثر است، کمترین دما در تروپسفر در مجاورت تروپوپاز استوایی دیده می‌شود. تروپسفر بیشتریم جرم جو را دارد. در این لایه اغلب جریان‌های عمودی، بخار آب، ابر و پدیده‌ی جوّی موجود است. بنابراین، تروپسفر مهمترین قسمتی است که هواشناسان به آن می‌پردازند.
استراتوسفر
استراتوسفر لایه بالای تروپسفر است که از تروپوپاز شروع می‌شود و تا ارتفاع ۵۰-۵۵ کیلومتری از سطح دریا ادامه می‌یابد. در هر مکان معیّنی، دما به طور کلی تقریباً تا ارتفاع ۲۰ کیلومتری در استراتوسفر ثابت می‌ماند. همچنین، به سبب آنکه دما کم و بیش در این لایه ثابت است، به آن لایۀ هم دما (ایزوترمال) نیز می‌گویند. بعد از این لایه، دما به کندی تا ارتفاع ۳۲ کیلومتری افزایش می‌یابد و از آن پس، افزایش دما با ارتفاع سریعتر است.
در قسمت‌های فوقانی استراتوسفر، دما اغلب به قدری بالاست که کم و بیش با دمای سطح زمین برابری می‌کند. زیرا اشعۀ ماورای بنفش که از خورشید ساطع می‌گردد در این ناحیه از جو توسط اوزون جذب می‌شود. کمی چگالی هوا در این ارتفاعات باعث می‌شود که تابش خورشیدی به مقدار کمتری از مولکول‌های هوا منتقل گردد. در نتیجه، انرژی جنبشی مولکول‌ها در این ارتفاعات زیاد است و همین امر باعث بالا رفتن دما می‌شود. این انرژی گرمایی توسط حرکات نزولی و تشعشع مولکول‌ها به لایه‌های پایینی منتقل می‌گردد. بنابراین، استراتوسفر در قسمت‌های فوقانی دارای منبع حرارتی است، در حالی که منبع حرارتی تروپسفر در قسمت‌های زیرین وجود دارد. این امر بدان معناست که استراتوسفر از قسمت‌های فوقانی شروع به گرم شدن می‌کند و تروپسفر از سطح زمین گرم می‌شود.
تروپسفر و استراتوسفر از نظر شرایط جوّی تفاوت‌های چشمگیری دارند. از جمله اینکه جریان‌های عمودی جو در استراتوسفر خیلی کم دیده می‌شود؛ زیرا در استرتوسفر منبع گرما در قسمت فوقانی آن واقع است و هوای سردتر در ارتفاعات پایین‌تر آن وجود دارد. استراتوسفر معمولاً بدون ابر است، گرچه ابرهای صدفی گاهی در ارتفاعات بالا در حدود ۲۰-۳۰ کیلومتری از سطح دریا دیده می‌شوند.
مزوسفر
در ارتفاع تقریباً ۵۰ کیلومتری دما دیگر زیاد نمی‌شود. این سطح که دما در آن تقریباً ثابت می‌ماند، به استراتوپاز موسوم است و در واقع مزوسفر از همین سطح شروع می‌گردد. به طور کلی، دما با ارتفاع در مزوسفر کاهش می‌یابد تا آنکه مقدار آن به -۹۵ درجه سانتی‌گراد یا کمتر از این در ارتفاع تقریباً ۸۰ کیلومتری می‌رسد. در این ارتفاع که مزوپوز نامیده می‌شود، مزوسفر تمام می‌شود.
سطح مزوپوز در واقع انتهای جوّ همگن است. تا این ارتفاع ترکیبات گازی جو تقریباً ثابت است، به استثنای مقدار بخار آب و اوزون که تغییراتی در آن‌ها دیده می‌شود. گاهی ناحیه زیر مزوپوز رت هموسفر می‌خوانند. بنابراین می‌توان گفت هموسفر از لایه‌های تروپوسفر، استراتوسفر و مزوسفر تشکیل شده است.
پایین‌ترین دمای جو در سطح مزوپوز دیده می‌شود. در عرض‌های بالاتر، گاهی ابراهای شب تاب (noctilucent clouds)، با قرار گرفتن خورشید به اندازه ۵ الی ۱۳ درجه زیر افق، نزدیک این سطح دیده می‌شوند. ممکن است این ابرها از ذرات گرد که بخار آب یخ زده آن‌ها را پوشانیده است، تشکیل شده باشند.
ترموسفر
ترموسفر ناحیه افزایش دما در بالای مزوپوز است. هنگامی که خورشید آرام است، ارتفاع این لایه تا ۴۰۰ کیلومتری از سطح دریا می‌رسد و در مواقعی که خورشید فعالیت بیشتری دارد، ارتفاع آن بیشتر می‌شود و تا حدود ۵۰۰ کیلومتر از سطح دریا گسترش می‌یابد. ترکیبات جو به طور قابل ملاحظه‌ای در ترموسفر تغییر می‌یابد. مولکول‌های بسیاری از گازها در اثر تابش اشعۀ ماورای بنفش و اشعه ایکس خورشیدی به اتم‌هایشان تجزیه می‌شوند.
در این لایه از جو، تمایل اختلاط بین گازها کم می‌شود و در اثر تأثیر نیروی جاذبه زمین، مولکول‌ها و اتم‌های سنگین‌تر از سایر مولکول‌ها و اتم‌ها جدا می‌شوند. با افزایش ارتفاع از سطح دریا در این ناحیه از جو مولکول‌های سنگین‌تر ازت به اتم‌های اکسیژن و هیدروژن سبک اجازه می‌دهند که به ارتفاعات بالاتر بروند.
یونیزه شدن در این لایه از جو، اهمیت فراوانی دارد؛ زیرا یون‌ها و الکترون‌ها می‌توانند آزادانه برای مدّت نسبتاً طولانی در این لایه از جو باقی بمانند. ولی در لایه مزوسفر این یون‌ها معمولاً در طول روز وجود دارند و در شب کمتر دیده می‌شوند. در فشارهای بیشتر در تروپسفر، ترکیب مجدد ذرات مثبت با ذراتی با بار الکتریکی، ساده‌تر به وقوع می‌پیوندد. مناطقی از ترموسفر و مزوسفر که یونیزه شدن در آن‌ها دیده می‌شود، به سونوسفر موسوم است. اهمیت یونوسفر بیشتر به این علت است که الکترون‌های آن قادرند امواج رادیویی را به زمین منعکس سازند.
اگزوسفر
یونوسفر شامل یون‌های و الکترون‌هایی است که به طرف خارج از زمین گسترش می‌یابد، تا جایی که با گازهایبین سیارات ادغام می‌شود. اهمیت گازهای خنثی در یونوسفر را نباید نادیده گرفت. در ارتفاع ۱۶۰ کیلومتری از سطح دریا باز هم تقریباً ۱۰۱۰ ذره خنثی وجود دارد و این عدد با ۱۰۵ الکترون در سانتی‌متر مکعب از هوا قابل مقایسه است. حتی در ارتفاع ۱۲۰۰ کیلومتری تعداد ذرات خنثی و الکترون‌ها در یک سانتی‌متر مکعب از هوا با هم تقریباً برابر است.
چگالی جو در مزوپوز بسیار پایین است و با افزایش ارتفاع از مزوپوز در ترموسفر چگالی هوا کمتر می‌شود. و بالاخره، در ارتفاع ۵۰۰-۶۰۰ کیلومتری از سطح دریا چگالی جو به قدری کم می‌شود که تصادم بین ذرات خنثی به ندرت اتفاق می‌افتد. متوسط پویش آزاد ذرات خنثی به قدری زیاد است که این ذرات گاهی شانس آن را پیدا می‌کنند که از جاذبه زمین فرار کنند. این ناحیه از جو، اگزوسفر نامیده می‌شود.
در اگزوسفر اتم‌ها و مولکول‌های خنثی را می‌توان به مثابه راکت‌های دنباله‌دار یا سفینه‌های دنباله‌دار مینیاتوری تجسم کرد. این راکت‌های دنباله‌دار مینیاتوری در حرکتن، گاهی بالا می‌روند، گاهی به عقب برمی‌گردند. تعدادی از آن‌ها وارد مدار زمین می‌شوند و بعضی از جوّ زمین می‌گریزند و به فضای گازی رقیق بین سیارات می‌پیوندند. این توصیف فقط در مورد ذرّات خنثی در جو صادق است. حرکت ذرات با بار الکتریکی، یون‌ها و الکترون‌ها توسط میدان مغناطیسی زمین کنترل می‌شود. در واقع، حتی در سطحی پایین‌تر از اگزوسفر میدان مغناطیسی زمین قادر است حرکت یون‌ها و الکترون‌ها را کنترل کند.
منبع: کتاب هواشناسی عمومی
