ابحاث عن الطبيعة بحث عن الهواء 6

بحث عن الهواء . ماالهواء . غازات الهواء . الرطوبة الجوية . الجسيمات في الهواء

ما الهواء

غازات الهواء

الرطوبة الجوية

الجسيمات في الهواء

كيف يتصرف الهواء

الوزن والضغط

حركة الهواء

مقاومة الهواء

انضغاط الهواء

تركيب الغلاف الجوي

طبقة التروبوسفير

طبقة الاستراتوسفير

الغلاف الأوسط (طبقة الميزوسفير)

الغلاف الحراري (طبقة الثيرموسفير)

أصل الغلاف الجوي

دراسة الهواء

أسئلة



--------------------------------------------------------------------------------


الهواء من حولنا غير مرئي لكننا نشعر به عندما تدفعنا عاصفة (اليمين). فالرياح ببساطة هواء متحرك، وللهواء وزن وهذا الوزن يجعل المناطيد المملوءة بالهواء الخفيف أو الساخن قابلة للارتفاع، لأن وزنها أقل من وزن الهواء المحيط بها (اليسار).
الهواء خليط الغازات الذي يحيط بالأرض. وغالبًا ما يطلق عليه الغلاف الجوي. فعندما تهب الرياح، فإن الذي تشعر به يلامس وجهك هو الهواء. والرياح ببساطة هواء متحرك. ويمكنك رؤية أثر الرياح في انسياب الغيوم وتلاطم الأمواج وخشخشة أوراق الشجر.

وبدون الهواء فإن الحياة تستحيل على سطح الأرض، وتكون مجرد عالم صخري شبيه بسطح القمر، وتكون السماء داكنة باستمرار، والنجوم غير متلألئة، وتكون الشمس كرة نارية تذهب بالأبصار، وتنطلق منها إلى الأرض إشعاعات مميتة، بالإضافة إلى الحرارة والضوء.

وتحتاج جميع الأحياء (الحيوانات والنباتات) الهواء لتبقى على قيد الحياة. فقد يعيش الإنسان أكثر من شهر دون طعام وأكثر من أسبوع دون ماء. لكنه لا يستطيع البقاء حيًا دون هواء سوى بضع دقائق.

وللهواء دور أكبر من كونه يمكِّننا من التنفس. فالهواء يقي الأرض من الأشعة الضارة التي تنبعث من الشمس وغيرها من الأجسام، والكواكب في الفضاء الخارجي. وفي نفس الوقت يقوم الهواء بامتصاص الكثير من الحرارة المنبعثة من الشمس. وبهذا يحافظ الهواء على بقاء الأرض دافئة بما فيه الكفاية لضمان استمرار الحياة. والهواء يحمينا من الجسيمات النيزكية، التي يحترق معظمها قبل أن ترتطم بسطح الأرض. وتجلب السحب التي تتشكل في طبقات الجو العليا المياه سواء أكانت على شكل أمطار أم ثلوج. وينبغي توافر المياه والهواء لجميع الكائنات الحية لكي تعيش.

ونحتاج للهواء أيضًا لكي نسمع، حيث ينتقل الصوت عبر الهواء، أو أي مادة أخرى. ومعظم الأصوات التي نسمعها تنتقل عبر الهواء. وللهواء وزن، وهذا الوزن يمكِّن المناطيد المملوءة بالغاز الخفيف أو الساخن من أن ترتفع فوق الأرض لأنها أخف من الهواء المحيط بها. كما يمكِّن الهواء المتحرك الملامس لأجنحة الطائرات والطيور والحشرات من الطيران.

تحتوي الأرض على كميات كبيرة من الهواء. أما نوعية الهواء فتعتمد بشكل كبير على كمية الفضلات الصناعية وغيرها من الملوثات الأخرى التي يضيفها الإنسان إلى الجو. ويشكل تلوث الهواء في مدن العالم الكبرى مشكلة خطيرة. فالهواء الملوث يضر بصحة الإنسان ويؤذي الـنباتات والحيـوانات، ويـدمّر مواد البـناء. وعـلاوة عـلى ذلك، فإنـه يؤثر على الطقس. انظر: تلوث الهواء؛التلوث البيئي.



ما الهواء
يحتوي الهواء على خليط من الغازات، تمتد من سطح الأرض إلى الفضاء الخارجي. وتعمل الجاذبية الأرضية على تثبيت الغلاف الجوي حول الأرض. وتتحرك الغازات بحرية فيما بينها. ويعبر ضوء الشمس، الذي يتكون من خليط من جميع الألوان، الغلاف الجوي فتعمل جزيئات الهواء على تشتيته في كل الاتجاهات. وتبدو السماء زرقاء اللون، لكون الضوء الأزرق أكثر تشتتًا من غيره من الألوان. انظر: السماء.

وتوجد العديد من جسيمات الغبار عالقة في الهواء. كما يحتوي الهواء على قطيرات الماء وعلى بلورات ثلجية على شكل سحب.




غازات الهواء يتألف بشكل رئيسي من النيتروجين والأكسجين. ويشكل النيتروجين والأكسجين 99% من الهواء الجاف الذي انتزع منه بخار الماء كله. وتشكل الغازات الأخرى والأرجون نسبة 1% من الهواء.
غازات الهواء. النيتروجين والأكسجين من الغازات الرئيسية في الهواء. ويحتوي الهواء على غيرهما من الغازات مثل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والنيون والأرجون والهيليوم والكريبتون والهيدروجين والزينون والأوزون. أما بخار الماء في الهواء فهو ماء على شكل غاز غير مرئي. ويشكل النيتروجين 78% من الهواء الجاف (خالٍ من بخار الماء)، ويشكل الأكسجين 21% من الهواء الجاف. ويحتوي الباقي (1%) بشكل رئيسي، على الأرجون وغيرها من الغازات الأخرى.

وبعض الغازات في الغلاف الجوي مهمة جدًا. فعندما نتنفس، نأخذ الأكسجين من الهواء ونُخرج ثاني أكسيد الكربون. وتأخذ النباتات الخضراء ثاني أكسيد الكربون وتطلق الأكسجين في عملية صناعة الغذاء أو ما يسمى بعملية التركيب الضوئي. انظر: التركيب الضوئي. ويؤدي الأكسجين في الجو دورًا في بعض العمليات الكيميائية كصدأ الحديد وتصنيع الخل من عصير التفاح. وتحتاج معظم أنواع الوقود الأكسجين لكي تحترق. وتقوم بعض أنواع البكتيريا في التربة بتحويل النيتروجين في الجو إلى أسمدة كيميائية للنبات.

ويساعد ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء على بقاء الأرض دافئة، حيث يمنعان جزءًا من حرارة سطح الأرض التي تكتسبها من أشعة الشمس من التسرب إلى الفضاء الخارجي. ويُعرف هذا السلوك من قبل الغازات بتأثير البيت المحمي. انظر: تأثير البيت المحمي. ويلزم وجود بخار الماء في الجو لتشكيل الأمطار والثلوج. والأوزون شكل من أشكال الأكسجين، يمتص جزءًا كبيرًا من الأشعة الشمسية فوق البنفسجية غير المرئية الضارة. انظر: الأشعة فوق البنفسجية.



الرطوبة الجوية. وهي على شكل ذرات من بخار الماء. ويدخل البخار إلى الغلاف الجوي عندما يتبخر الماء من المحيطات والبحيرات والأنهار، ومن التربة الرطبة ومن النباتات. ومع ارتفاع كمية بخار الماء في الهواء تزيد الرطوبة التي تعتمد على درجة الحرارة وعلى موقع المكان. فالهواء الملامس للمسطحات المائية ترتفع فيه الرطوبة، بينما تنخفض في الصحراء ويكون الهواء جافًا. والهواء الدافئ يمكن أن يحمل كمية من البخار أكثر من الهواء البارد. لذلك، تتباين الرطوبة مع اختلاف الطقس، فيكون الهواء أقل رطوبة في الأيام الصافية منه في الأيام الغائمة.

وعندما يبرد الهواء لدرجة كافية، يتحول البخار إلى قطرات من الماء أو إلى بلورات ثلجية. وتسمى هذه العملية بالتكاثف. وتسمى درجة الحرارة التي يبدأ بخار الماء عندها بالتكاثف نقطة الندى. وعندما تظهر حبيبات الماء على سطح كأس الماء البارد، يكون الهواء الملامس للكأس قد برد إلى درجة أقل من نقطة الندى. وعند نقطة الندى، تكون الرطوبة النسبية 100%. والرطوبة النسبية هي كمية بخار الماء الحقيقية الموجودة في الهواء عند درجة حرارة معينة، منسوبة إلى كمية بخار الماء التي يمكن أن يحملها ذلك الهواء عند درجة التشبع في نفس درجة الحـرارة. انظر: الرطوبة. وعندما تصل الرطوبة النسبية إلى 100%، يكون الهواء قد وصل إلى الحد الأقصى لتحمله لبخار الماء. وفي بعض الحالات قد تهطل الأمطار دون أن تصل الرطوبة النسبية إلى 100% قرب سطح الأرض، ولكنها قد تزيد عن ذلك في السحب.

وكلما ارتفع الهواء قلت درجة حرارته. ولذا، فإن السحب تتكون عندما تبرد كتلة ضخمة من الهواء الرطب بسبب ارتفاعها إلى أعلى، فتنخفض درجة الحرارة إلى ما دون نقطة الندى. وتحتوي السحب على هواء مملوء بكميات هائلة من قطرات الماء أو بلورات الثلج. وتسقط الأمطار أو الجليد عندما تصبح قطرات الماء أو بلورات الثلج من الثقل بحيث تسقط خارج السحب. والضباب سحب قريبة من سطح الأرض. انظر: المطر؛الجليد ؛الضباب.



الجسيمات في الهواء. يحتوي الهواء على العديد من الجسيمات الصلبة المتناهية الصغر والمسماة الهباء الجوي. ويصل قطر معظمها إلى 0,1 ميكروميتر. لذلك فهي غير مرئية، إلا عندما تتجمع بكميات ضخمة.

ويأتي العديد من جسيمات الهباء الجوي إلى الهواء من البراكين النشطة، ومن عوادم السيارات والغابات والحرائق ودخان المصانع.كما تثير الرياح جسيمات الرمل والغبار من سطح الأرض إلى الهواء. وأيضًا تضم جسيمات الهباء الجوي العالقة في الهواء حبوب لقاح الأشجار وأملاح البحار والجسيمات النيزكية وكائنات حية متناهية الصغر تسمى الميكروبات. ومع مرور الوقت تستمر إضافة جسيمات الهباء الجوي إلى الغلاف الجوي، إلا أنها لا تبقى عالقة في الهواء إلى الأبد. إذ تتولى الأمطار والجليد إزالتها من الهواء، حيث يصبح الهواء منعشًا بعد تساقط الأمطار والثلوج. أما الجزء الآخر من الهباء الجوي فيسقط تدريجيًا على سطح الأرض.

تتفاوت كمية جسيمات الهباء الجوي في الهواء قرب الأرض من مكان إلى آخر، حيث يحتوي المتر المكعب من الهواء فوق المحيطات على بليون جسيم، بينما يضم المتر المكعب من الهواء فوق المدن الكبرى حوالي 100 بليون جسيم. ونظرًا لقلة الهباء الجوي في طبقات الجو العليا فإن الهواء عادة ما يكون أكثر نقاء.



كيف يتصرف الهواء



الضغط الجوي. ينتج ثقل الهواء الضاغط المحيط بنا الضغط الجوي. ويرينا الشكل إحدى الطرق الشائعة التي تستخدم الضغط الجوي كقوة تساعد على الشرب من خلال الماصَّة. فعندما نشفط الهواء عبر الماصَّة ينتج عن ذلك فراغ، ويقوم الضغط الجوي المرتفع خارجها بدفع السائل من الكأس إلى أعلى خلال الماصَّة.
الوزن والضغط. لا نستطيع في العادة الشعور بوزن الهواء، لأن الهواء أقل من وزن الأجسام الصلبة والسائلة بكثير. ولكن يمكن التأكد بأن للهواء وزنًا من خلال تجربة بسيطة. أولاً، نفرِّغ الهواء من زجاجة بوساطة مضخة شفط. ثم نغلق الزجاجة ونزنها. ثانيًا، نزيل الغطاء، فيدخل الهواء إلى الزجاجة. وعندما نزن الزجاجة مرة أخرى فإن وزنها يكون أكبر، فيكون الوزن الإضافي هو وزن الهواء.

يتكون الهواء بصورة رئيسية من النيتروجين والأكسجين. إذ يشكلان 99% من الهواء الذي أزيلت منه الرطوبة. ويمثل الأرجون وبقية الغازات الأخرى 1% فقط.

يزن المتر المكعب من الهواء عند سطح البحر حوالي 1170جم، بينما يصل وزن الغلاف الجوي المحيط بالكرة الأرضية حوالي 5,200,000,000,000,000 طن متري. ويمثل وزن الهواء من أعلى الغلاف الجوي خلال طبقات الجو إلى سطح الأرض ضغط الهواء أو ما هو متعارف عليه بالضغط الجوي. ويبلغ الضغط الجوي في متوسطه عند سطح البحر حوالي 1,033كجم/سم² (101,3 كيلو باسكال). فالهواء يضغط على كاهلنا بوزن يصل إلى 0,9 طن متري. ولا نشعر بهذا الضغط لأن هناك ضغطًا يساويه من داخل أجسامنا وفي جميع الاتجاهات.

يقـاس الضغـط الجـوي بجهـاز يسمى البارومتر. ويعبّر البارومتر الزئبقي عن الضغط الجوي بالمليمتر زئبق أو وحدة قياس تُدعى بار أو مليبار. والبار هو وحدة الضغط الجوي في النظام المتري. والمليبـار يعـادل 0,001 من البار. ويبلغ متوسط الضغط الجوي عند سطح البحر 760ملم زئبق أو 1,013 مليبار. وعادة ما يكون الضغط الجوي أقل في الأيام العاصفة والأيام الرطبة منه في الأيام الصافية والأيام الجافة. لذلك يدل انخفاض الضغط الجوي على اقتراب عاصفة. انظر: البارومتر.

وفي طبقات الجو العليا يكون الضغط الجوّي أقل من ضغط الهواء قرب سطح الأرض، وذلك بسبب تناقص ضغط الهواء من أسفل إلى أعلى. فعندما تصعد إلى بناية شاهقة بوساطة مصعد سريع، يمكنك الشعور بتغير الضغط الجوي، حيث يقل الضغط الجوي داخل المصعد مع الارتفاع، بينما يبقى ضغط الهواء داخل الأذن كما هو. وهذا الاختلاف في الضغط يجعل طبلة الأذن تندفع نحو الخارج بهدوء حتى يجد بعض الهواء مخرجًا من الأذن.

ونستعمل الضغط الجوي كقوة في عدة وجوه. فعندما نشفط مشروبًا خلال ماصَّة، على سبيل المثال، فإننا في الحقيقة لا نسحب السائل إلى أعلى خلال الماصة، وإنما نقوم بشفط الهواء منها، فيصبح الضغط داخلها أقل من الضغط على السائل خارج الماصَّة، فيعمل الضغط فوق السائل على دفع السائل من الكأس إلى أعلى خلال الماصَّة إلى الفم. وبنفس الطريقة تعمل المضخات الماصَّة والمكانس الكهربائية. انظر:المضخة ؛المكنسة الكهربائية.




حركة الهواء. تحدث الرياح نتيجة للاختلاف في درجة حرارة الهواء. ففي اليوم المشمس تكون درجة حرارة الهواء على الشاطئ أعلى من درجة حرارة الهواء فوق البحر. ويتمدد الهواء الساخن فوق الشاطئ فيخف وزنه ويرتفع إلى أعلى. ويحل محله الهواء الأبرد منه القادم من البحر والذي يعرف بنسيم البحر.
حركة الهواء. يتحرك الهواء على سطح الأرض في شكل رياح. وتسبب حرارة الشمس حركة الرياح نظرًا لعدم تسخينها لسطح الأرض بشكل متساوٍ. فالهواء الواقع فوق المناطق الدافئة يتمدد ويصبح أخف وزنًا. وهنا يرتفع الهواء منشئًا منطقة ذات ضغط منخفض قرب سطح الأرض. وتنشأ الرياح عندما ينتقل الهواء الأبرد والأثقل نحو المناطق ذات الضغط المنخفض ليحل مكان الهواء الصاعد إلى أعلى. وغالبًا ما تنشأ الرياح عل طول أحد شواطئ المحيط خلال النهار، لأن اليابسة تسخن بصورة أسرع من الماء. فالهواء الموجود فوق الشاطئ يصبح أدفأ من الهواء فوق الماء، فيرتفع الهواء الدافئ إلى أعلى ويحل محله هواء أبرد قادم من داخل المحيط، مشكِّلاً ما يُعرف بنسيم البحر. وفي الليل يصبح الهواء فوق الشاطئ أبرد من الهواء الملامس لمياه المحيط. وهنا ينعكس اتجاه الرياح، فيهب النسيم خارج اليابسة نحو البحر ويشكل نسيم البر.

يرتفع الهواء الدافئ فوق خط الاستواء باستمرار. فتهب الرياح الباردة من الشمال والجنوب بصورة دائمة لتحل محل الهواء الصاعد. وينتج عن حركة الهواء هذه نطاقان من الرياح تسمى الرياح التجارية. ولا تهب هذه الرياح نحو خط الاستواء بخطوط مستقيمة بسبب دوران الأرض حول نفسها، حيث تميل الرياح التجارية شمال خط الاستواء إلى يمين اتجاهها الأصلي، أي أنها تتجه صوب الجنوب الغربي. أما الرياح التجارية جنوب خط الاستواء فإنها تنحرف إلى يسار اتجاهها الأصلي، وتتجه نحو الشمال الغربي. ويسمى تأثير دوران الأرض على اتجاه الرياح بالقوة الكريوليسية أو التأثير الكريوليسي (المفعول الكريوليسي). كما تؤثر القوة الكريوليسية على مسارات الرياح في أربعة نطاقات حول الكرة الأرضية. وهذه النطاقات هي: الرياح الغربية السائدة والرياح الشرقية القطبية شمال وجنوب الكرة الأرضية. انظر: الرياح التجارية؛الرياح.

تظهر تيارات من الرياح في الجزء العلوي من الطبقة السفلى للغلاف الجوي، على ارتفاع 10-15كم فوق سطح الأرض. وتدعى هذه الرياح التيارات النفاثة، حيث تزيد سرعة الرياح في وسط التيار النفاث عن 320كم/ساعة. وتسُمى أنظمة الرياح الدوارة الأعاصير الحلزونية والأعاصير الحلزونية المضادة. وتدور رياح الأعاصير إلى الداخل نحو مركز الضغط المنخفض، بينما تدور الرياح في الأعاصير الحلزونية المضادة إلى الخارج حول مركز الضغط المرتفع. انظر: التيار النفاث ؛الطقس.




مقاومة الهواء لحركة الأجسام المتحركة خلاله تقلل من سرعة هبوط القافزين بالمظلات (اليمين)، حيث يجابه القافز مقاومة قليلة عند القفز، فيهبط بسرعة حتى يفتح المظلة وعندها يقاوم الهواء المظلة مما يتيح هبوطًا آمنًا على سطح الأرض.
مقاومة الهواء. يقاوم الهواء حركة الأجسام التي تتحرك خلاله. وتنشأ هذه المقاومة عن حركة الأجسام واحتكاكها بذرات وجزيئات الغازات المكونة للهواء. فقطعة الورق في الهواء تهبط ببطء نحو الأرض بسبب مقاومة الهواء لها، كما أن مقاومة الهواء تُخفِّض سرعة القافزين بالمظلات.

وفي الأيام الأولى من استخدام الطيران، كانت سرعة الطائرات منخفضة نسبيّا بسبب اصطدام الهواء بمرابط الأجنحة وبالعجلات المطاطية للطائرة. فقام مهندسو الطيران بالتقليل من مقاومة الهواء بجعل شكل هذه الأجزاء أكثر انسيابًا. وألغوا دعائم الأجنحة وأخفوا عجلات الهبوط في جسم الطائرة. كما وجدوا أن انسيابية مقدمة الطائرة تقلل من مقاومة الهواء. انظر: الديناميكا الهوائية.

وكلما زادت سرعة الأجسام في الهواء زادت مقاومة الهواء لها. فعلى سبيل المثال، تزداد مقاومة الهواء لك وأنت راكب دراجة هوائية كلما زادت سرعتك. وتولد مقاومة الهواء الحرارة، فالجسيمات النيزكية تتحرك في الهواء بسرعة عالية مما يزيد من مقاومة الهواء لها فتصبح بذلك ساخنة جدًا. ولهذا السبب، فإن معظم الجسيمات النيزكية تتوهج وتلمع، ومن ثم تحترق قبل أن ترتطم بسطح الأرض. فالمركبات الفضائية تصنع من مواد تصمد أمام الحرارة الشديدة الناتجة عن مقاومة الهواء.



انضغاط الهواء. يمكن ضغط الهواء في داخل أسطوانات أو خزانات فولاذية حتى يصل الضغط بها مئات أضعاف الضغط الجوي العادي. ويسمى الهواء في هذه الحالة الهواء المضغوط. وعندما يتعرض الهواء للضغط، فإن سرعة ذراته وجزيئاته تصبح أعلى، وبسبب هذه السرعة فإن الهواء يصبح أسخن.

يستخدم الناس الهواء المضغوط لنفخ العجلات والمفارش الهوائية، وبعض الغواصين يتنفسون الهواء من أسطوانات مملوءة بالهواء المضغوط مثبتة على ظهورهم، حيث يحمل الغواصون أسطوانات مملوءة بالهواء المضغوط يصل حجمه 1/200 من حجمه الأصلي. وهناك غواصات تشبه المقصورات تسمى خزانات الصابورة تنساب مع الماء. وتصعد إلى سطح الماء بفعل تدفق المياه منها بقوة الهواء المضغوط. كما يستخدم الهواء المضغوط في الكوابح وعلب المبيدات الحشرية ورش الأصباغ والحفارات وغيرها من العدد الهوائية. انظر:العدة الهوائية ؛خواص الغازات، علم.


--------------------------------------------------------------------------------

تناقص الضغط الجوي مع الارتفاع

--------------------------------------------------------------------------------

الارتفاع بالأمتار ضغط الهواء كجم/سم² ضغط الهواء كيلو باسكال
15,000 0,1 12,1
12,000 0,2 19,4
9,000 0,3 30,8
6,000 0,5 47,2
3,000 0,7 70,1
مستوى سطح البحر 1,0 101,3




تركيب الغلاف الجوي

طبقات الغلاف الجوي
يقسم العلماء الغلاف الجوي إلى أربع طبقات بناء على اختلاف درجـة الحـرارة. وهـذه الطبقات مرتبة مــن الأدنـى إلى الأعلى هي: 1- طبقة التروبوسفير 2- الإستراتـوسـفير (الطبقة الجوية العليا) 3- الميزوسفير (الغلاف الأوسط) 4- الثيرموسفير (الغلاف الحراري).

يقل سُمك الغلاف الجوي كلما ارتفعنا عن سطح الأرض. وتتلاشى الطبقة الخارجية للغلاف الجوي بالتدريج في الفضاء الخارجي حيث تقابل الرياح الشمسية. والرياح الشمسية دفق مستمر من الجسيمات المشحونة من الشمس. انظر: الرياح الشمسية.




طبقة التروبوسفير. وهي طبقة الغلاف الجوي الملاصقة لسطح الأرض، وهي الطبقة التي نعيش فيها. وتضم هذه الطبقة 75% من مجمل الغلاف الجوي. وتتم معظم التغييرات الجوية والأمطار والثلوج في هذه الطبقة تقريبًا. ويتنبأ العلماء بالطقس بدراستهم لطبقة التروبوسفير. كما تضم هذه الطبقة معظم بخار الماء والهباء الجوي في الجو. ويهب التيار النفاث في الجزء العلوي من هذه الطبقة.

تتناقص درجة الحرارة في طبقة التروبوسفير حوالي 6,5°م كلما ارتفعنا إلى أعلى 1000م. ويتوقف تناقص درجة الحرارة عند بداية التروبوبوز (الفاصل السفلي) والتي تمثل الجزء الأعلى لطبقة التروبوسفير. ويقع حد التروبوبوز على ارتفاع 10كم تقريبًا فوق القطبين الشمالي والجنوبي، وعلى ارتفاع 15كم فوق خط الاستواء تقريبًا. وعند حد التروبوبوز يصبح الهواء رقيقًا جدًا بحيث لا يكفي للحياة.

وعادة ما يكون الغلاف الجوي القريب من سطح الأرض أدفأ لأن أشعة الشمس التي تمر خلال الغلاف الجوي تسخن الأرض وبخار الماء. وبدورها تقوم الأرض بتسخين الهواء الملامس لها مباشرة. وفي بعض الأحيان، وبخاصة خلال الليل أثناء فصل الشتاء، يكون الهواء الملامس للسطح أبرد من الهواء الذي يعلوه. وهنا، تزداد درجة الحرارة في طبقة رقيقة من طبقة التروبوسفير كلما ارتفعنا إلى أعلى. وهذه الحالة الشاذة تسمى الانقلاب الحراري. وتظهر أسوأ حالات التلوث الجوي أثناء حدوث هذه الظاهرة، لأن الهواء البارد القريب من سطح الأرض يحتجز الملوثات ويمنعها من الانتشار أو الصعود إلى أعلى. وتدوم حالة الانقلاب الحراري حتى تقضي الأمطار أو الرياح على هذه الطبقة الهوائية الدافئة.

ويكون الهواء باردًا في التروبوبوز، حيث تتكون السحب من بلورات الثلج. وأبرد جزء في طبقة التربوسفير هو التربوبوز الواقع فوق خط الاستواء، حيث يبلغ تصاعد الهواء أعلى حد له، فتهبط درجة حرارة الهواء إلى مادون -80°م. أما درجة حرارة التروبوبوز فوق القطبين فإنها تزيد عنها فوق خط الاستواء بـ 30°م.



طبقة الاستراتوسفير. وتمتد من التروبوبوز إلى 50كم فوق سطح الأرض تقريبًا. وكمية الرطوبة التي تصل هذه الطبقة من الغلاف الجوي قليلة جدًا، لذلك فإن السحب نادرة أيضًا. ويفضل طيارو الخطوط الجوية الطيران خلال هذه الطبقة تجنبًا لتقلبات الطقس التي يواجهونها في التروبوسفير. أما طبقة الاستراتوسفير فتتميز بثبات درجة الحرارة تقريبًا، ولكن درجة حرارة الطبقة العليا منها تزداد مع ازدياد الارتفاع، حيث تصل درجة الحرارة في الطبقة السفلى -55°م بينما تصل درجة الحرارة في الجزء العلوي منها إلى -2°م فقط، وهذا الجزء من الاستراتوسفير يُدعى الإستراتوبوز (الفاصل الطبقي). ويحتوي هذا الجزء على معظم غاز الأوزون الموجود في الغلاف الجوي، إذ يعمل الأوزون على تسخين الهواء هناك بسبب امتصاصه الأشعة فوق البنفسجية.



الغلاف الأوسط (طبقة الميزوسفير). تمتد من حد الإستراتوبوز إلى 80كم فوق سطح الأرض. وتتناقص درجة الحرارة في هذه الطبقة مع الارتفاع حيث تصل درجة الحرارة في الأجزاء العليا منها إلى أدنى درجة ممكنة في الغلاف الجوي المحيط بالأرض. وهذا الجزء العلوي، من طبقة الميزوسفير يُدعى الميزوبوز (حد الغلاف الأوسط). وتهبط درجة الحرارة في هذا الجزء فوق القطبين إلى ما دون -109°م خلال فصل الصيف. ويمكن مشاهدة ذيل من الغازات الحارة تنساب في هذه الطبقة بفعل الشهب. كما يمكن ملاحظة هبوب رياح في غاية العنف ضمن طبقة الميزوسفير. وتهب هذه الرياح من الغرب إلى الشرق في فصل الشتاء. ومن الشرق إلى الغرب في فصل الصيف.



الغلاف الحراري (طبقة الثيرموسفير). وهي أعلى طبقة في الغلاف الجوي. وتبدأ من نهاية حد الميزوبوز وتستمر إلى الفضاء الخارجي. ويتميز الهواء في هذه الطبقة بأنه خفيف جدًا، إذ إن 99,99% من الغلاف الجوي يقع أسفل منه. ويختلف التركيب الكيميائي للهواء في هذه الطبقة عن التركيب الكيميائي لبقية الطبقات المكونة للغلاف الجوي. ففي الأجزاء الدنيا من طبقة الثيرموسفير، تتحطم معظم جزيئات الأكسجين إلى ذرات الأكسجين. وتحتوي الأجزاء العليا منها بشكل رئيسي على الهيدروجين والهيليوم.

تواجه طبقة الثيرموسفير أشعة الشمس بصورة مباشرة، فتعمل على تسخين الهواء الخفيف إلى درجة عالية جدًا. وتقفز درجة الحرارة بسرعة من الميزوبوز إلى 600°م عند ارتفاع 200كم فوق سطح الأرض. ولكن في أثناء الرياح الشمسية تصل كمية إضافية من الإشعاع والجسيمات إلى طبقة الثيرموسفير. انظر:الشمس. وهنا يصبح الهواء أكثر سخونة، حيث تصل درجة الحراة إلى ما يزيد عن 2000°م على ارتفاع 400كم فوق سطح الأرض.

وعندما ترتطم أشعة الشمس وغيرها من الإشعاعات القادمة من مصادر كونية أخرى بطبقة الثيرموسفير، فإن بعض الجزيئات والذرات تشحن بالكهرباء أي تتأين. وتُسمى هذه الذرات المشحونة بالكهرباء أيونات. وتوجد معظم هذه الأيونات في الأجزاء السفلى من الثيروموسفير، لذلك تُسمى هذه الأجزاء من الطبقة الغلاف الأيوني (الأيونوسفير). حيث تؤدي هذه الطبقة دورًا كبيرًا في الاتصالات الراديوية بعيدة المدى. وتقوم هذه الطبقة بعكس الموجات الكهرومغنطيسية إلى الأرض عوضًا عن انتشارها في الفضاء. انظر:الغلاف الأيوني.

وتظهر يوميًا في طبقة الثيرموسفير حالات مدٍ غازي هائلة، وتغير حالات المد هذه اتجاهها كل ست ساعات. كما يظهر ضوء طبيعي في هذه الطبقة يسمى الفلق. ويحدث الفلق عندما تجذب الأرض تلك الذرات المتأينة في طبقة الثيرموسفير إليها، إذ تتحطم الجزيئات في طبقة الثيرموسفير مكوِّنة حلقة حول الأقطاب المغنطيسية للأرض، وينتج عن ذلك طاقة على شكل ضوء. ويسمى الفلق الذي يبدو في شمال الكرة الأرضية الفلق الشمالي. انظر: الفلق. أما الفلق الذي يظهر في النصف الجنوبي من الكرة الأرضية فيسمى الفلق الجنوبي.

يسمى الجزء العلوي من طبقة الثيرموسفير الإكسوسفير (الغلاف الخارجي)، وترتفع إلى حوالي 480كم عن سطح الأرض إلى أن تنتهي في الرياح الشمسية. ولا يوجد في الأكسوسفير إلا القليل من الهواء. ولا تجد السفن الفضائية والأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض في هذه المنطقة مقاومة تذكر. وتتحرك بعض الذرات والجزيئات في الأكسوسفير بسرعة هائلة جدًا، حيث تتغلب على قوة جاذبية الأرض وتنطلق إلى الفضاء الخارجي، وهكذا فإن الأرض تفقد غلافها الجوي بالتدريج. ولكن هذه العملية تحتاج إلى بلايين السنين حتى تأتي على مجمل الغلاف الجوي المحيط بالكرة الأرضية.



أصل الغلاف الجوي
ليس هنالك تاريخ محدد يمكن أن يعوَّل عليه في تكوين فكرة صحيحة عن تاريخ خلق الله تعالى للأرض، قال تعالى: ﴿ ما أشهدتهم خلق السموات والأرض ولا خلق أنفسهم وما كنت متخذ المضلين عضدا﴾ الكهف: 51.

على أن بعض الباحثين في تاريخ نشأة الأرض يرجحون أنها قد تشكلت منذ 4,5 بليون سنة، وغالبًا لم تكن تحتوي على غلاف جوي. وبالتدريج، بدأت الغازات المنطلقة من الأرض تتجمع حولها. فعلى سبيل المثال، أطلقت أعداد هائلة من البراكين على الأرض الناشئة العديد من الغازات مثل النشادر وثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون والهيدروجين والميثان والنيتروجين وثاني أكسيد الكبريت وبخار الماء. وبذلك شكَّلت هذه الغازات المنبعثة من البراكين الجزء الأكبر من الغلاف الجوي القديم لسطح الأرض.

وتكاثف جزء كبير من بخار الماء المنبعث من البراكين ليشكل الأنهار والبحيرات والمحيطات. أما بقية الغازات المكونة للغلاف الجوي القديم فقد ذابت في المحيطات أو كونت صخور القشرة الأرضية.

ولكن معظم النيتروجين بقي في الغلاف الجوي، وأضيف إليه لاحقًا غاز الأرجون والزينون بفعل تحلل بعض العناصر المشعة على سطح الأرض.

ويبدو أن الغلاف الجوي في الأزمنة القديمة لم يكن يحتوي على نسبة كبيرة من الأكسجين، ولكن بعد ظهور الطحالب وغيرها من الكائنات النباتية الخضراء في المحيطات قبل 3,5 بليون سنة، بدأت كمية الأكسجين بالازدياد نتيجة لعملية التركيب الضوئي. وبانتشار النباتات على سطح الأرض يضاف مزيد من الأكسجين إلى الغلاف الجوي. وقبل 400 مليون سنة كان الغلاف الجوي يحتوي غالبًا على نفس كمية الأكسجين التي يحتوي عليها الآن. انظر:الأرض.

ومع مرور الأيام أحدثت الأنشطة البشرية تغييرات مهمة في تركيب الغلاف الجوي. فمثلاً، يضاف ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي بفعل احتراق فحم أو زيت أو وقود يحتوي على الكربون. فمنذ عام 1900م، تسبب استخدام مثل هذه الأنواع من الوقود في إحداث زيادة في ثاني أكسيد الكربون قدرها 15% من حجم ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي. وعمومًا، بقيت نسبة الغازات في الغلاف الجوي كما هي تقريبًا عبر ملايين السنين.



دراسة الهواء

منطاد أبحاث مملوء بالهيليوم استعدادا لإطلاقة. توضح الأجهزة العلمية في مثل هذة المناطيد لجمع المعلومات عن الغلاف الجوي
منذ قديم الزمان، عرف الإنسان أن الهواء ضروري للحياة. فخلال القرن الخامس قبل الميلاد، اقترح الفيلسوف الإغريقي أمبيدوقليز أن أربعة عناصر هي الهواء والأرض والنار والماء تتحد بنسب مختلفة لتكون الخليقة. وقد وافقه على هذه الفكرة العديد من العلماء الإغريق. وفي القرن الرابع قبل الميلاد كتب الفيلسوف الإغريقي أرسطو كتاب الميترولوجيا (أي علم الأرصاد الجوية) الذي يضم ما جمعه من ملاحظات عن طبيعة الهواء وأشكال الطقس المختلفة.

لم يستطع الفلاسفة والعلماء في السابق أن يختبروا نظرياتهم حول الهواء لعدم وجود الأجهزة الخاصة بقياس خواص الهواء. فقد بدأت ملاحظة العلماء للهواء منذ عام 1593م، عندما اخترع العالم الإيطالي جاليليو مقياسًا للحرارة. وفي عام 1643م اخترع العالم الإيطالي إيفانجليستا توريشلي جهاز البارومتر لقياس الضغط الجوي. وقد أثبت هذا الجهاز أن للهواء وزنًا. وفي منتصف القرن السابع عشر الميلادي استخدم الكيميائي الأيرلندي روبرت بويل البارومتر لإيجاد صيغة تربط بين كمية الهواء وضغطه.

وخلال القرن الثامن عشر الميلادي بدأ العلماء دراسة الغازات المكونة للهواء. فقد اكتُشف الأكسجين من قِبَل الكيميائي السويدي كارل شيل في بداية السبعينيات من القرن الثامن عشر الميلادي، وتبعه الكيميائي الإنجليزي جوزيف بريستلي عام 1774م. وفي عام 1777م، أدرك الكيميائي الفرنسي أنطوان لافوازيه أن الأكسجين يساعد على الاشتعال. وفي عام 1772م، اكتشف الطبيب الأسكتلندي دانيال رذرفورد غاز النيتروجين. وفي عام 1894م، عزل اثنان من العلماء هما الكيميائي الأسكتلندي السير وليم رامزي والفيزيائي الإنجليزي البارون رايلي غاز الأرجون. وفي نهاية القرن التاسع عشر توصل العلماء إلى أن تركيب الهواء متشابه في جميع أنحاء الكرة الأرضية.

وخلال العقد الأول من القرن العشرين اكتشف فريق نرويجي برئاسة الفيزيائي فلهلم بياركنز تحرك الكتل الهوائية. ونتيجة لالتقاء كتلة هوائية دافئة بكتلة هوائية باردة ينشأ ما يسمى الجبهة، يختلف فيها الطقس بصورة فجائية. وقد ساعدت هذه النماذج لأنظمة الطقس على التقدم الواسع في مجال التنبؤ الدقيق لحالات الطقس. انظر:الطقس.

ومع منتصف القرن العشرين حصل تقدم هائل في المعدات الخاصة بدراسة الغلاف الجوي. فاليوم تُستخدم كل من أجهزة الرادار والصواريخ والأقمار الصناعية والمناطيد (البالونات) لدراسة الأحوال الجوية. وقد مكنت هذه التسهيلات العلماء من مراقبة الغلاف الجوي باستمرار، كقياس مستويات التلوث الجوي وقياس التغيرات التي تطرأ على تركيب الهواء. وغالبًا ما يحمل المنطاد جهاز المسبار الراديوي (اللاسلكي)، الذي يقيس درجة الحرارة والضغط الجوي والرطوبة في الجو على مختلف الارتفاعات. حيث تبث أجهزة الإرسال في جهاز المسبار الراديوي المعلومات الخاصة بالطقس إلى المحطات المناخية على سطح الأرض. كما تساعد الحواسيب علماء الأرصاد الجوية في تحليل الكم الهائل من البيانات المناخية من مختلف المصادر وإعداد خرائط خاصة بالطقس.