استكشاف تشكيلة ووظيفه الغلاف الجوي للأرض

تشكيلة الغلاف الجوي للأرض أربعة مليارات يارجوني

أجواء الأرض كما نعرفها اليوم هي نتيجة تفاعل معقد بين العمليات الجيولوجية والكيميائية والبيولوجية التي تمتد على مدى 4.5 مليار سنة، وبعيد تشكيل الأرض من النيبول الشمسي قبل حوالي 4.5 مليار سنة، تطوّر الكوكب بواسطة الغلاف الجوي البدائي الذي يتألف أساساً من غازات خفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم، ومع ذلك، كان هذا الغلاف الجوي الأصلي قصير الأمد،

بعد ذلك، تم تشكيل الغلاف الجوي الثانوي [FLT: 05] الذي تم تشكيله من خلال عملية القفز البركاني بينما كانت الغازات الداخلية للأرض مبردة ومتفاوتة، وخلّف البركان كميات كبيرة من الماء المبرد (H2O)، وثاني أكسيد الكربون (N2)، وثاني أكسيد الكبريت (SO2)، وثاني أكسيد الميثان (CH4)، وثاني أكسيد الكربون

حدث تحولي في تطور الغلاف الجوي للأرض كان تطوراً هائلاً في الكائنات الحية

الغلاف الجوي اليوم هو توازن دينامي مُستمر بفعل التفاعلات المستمرة بين الغلاف الحيوي والغلاف الجوي والهيدروسفير والغلاف الجوي، ولا يزال النشاط البركاني يُحقن ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، بينما يُستخدم مقياس تجويع الصخور ودفن الكربون البيولوجي كبواليع، ويُحقق التوازن بين دورة الكربون، ويزيد انتشار النباتات البرية خلال فترة الديفونية من زيادة إنتاج الأكسجين، ويرتفع مستوى الغلاف الجوي الحساس(2).

التكوين الحديث: الرصيد المخصَّص للغازات في الغلاف الجوي

الغلاف الجوي للأرض في الوقت الحاضر هو مزيج ملح من الغازات التي تحافظ على الحياة وتنظم المناخ، ويتكون الهواء الجاف في الغالب من النيتروجين (N2) بحوالي 78.08 في المائة من الكمية والأكسجين (O2) بحوالي 20.95%، ويتكون الارتجان (Ar) من 0.93% تقريباً، بينما يوجد ثاني أكسيد الكربون بحوالي 0.04 في المائة (420 جزء من الفرنك)

نتروجين: العمود الفقري غير المرئي للحياة

كما أن النيتروجين يشكل أكبر جزء من الغلاف الجوي، ولكن على الرغم من وفرة النيتروجين الجزيئي (N2) فهو غير متأثر نسبياً بسبب ترابطه الثلاثي القوي، ولكي يكون النيتروجين مفيداً بيولوجياً، يجب تحويله إلى أشكال تفاعلية مثل الأمونيا (NH3) أو النتاتية (NO3 -) من خلال عملية تثبيت النيتروجين.

"أوكسجين" "تنفس الكوكب الحي"

أما غاز أوكسجين، ثاني أكثر الغاز وفرة، فهو أساسي لاستنزاف معظم الكائنات المتعددة الخلايا، إذ أن تركيزه في الغلاف الجوي يحافظ عليه توازن دقيق بين التثبيت الضوئي، الذي ينتج الأوكسجين الجزيئي، والتنفس زائد التحلل، الذي يستهلكه، وبدون المدخلات البيولوجية المستمرة للأكسجين، فإن مستويات الغلاف الجوي ستنخفض تدريجياً من التركيزات الجغرافية الافتراضية.

Carbon Dioxide: Earth's Climate Thermostat

وعلى الرغم من أن ثاني أكسيد الكربون هو غاز أثري، فإن دوره في تنظيم مناخ الأرض قد تجاوز الحد الأقصى، فإن جزيئات ثاني أكسيد الكربون تستوعب وتعيد إشعاعات الأشعة تحت الحمراء، مما يخلق أثراً في الدفء يدفئ سطح الكوكب، وتنتقل دورة الكربون الطبيعي باستمرار إلى ثاني أكسيد الكربون بين الغلاف الجوي والمحيطات والغلاف الحيوي الأرضي، غير أن الأنشطة البشرية مثل حرق الوقود الأحفوري وإزالة الغابات قد زادت بنسبة 50 في المائة في الغلاف الجوي.

ماء فابور: غاز الديناميكية الخضراء

وثبات المياه هو أكثر غازات الدفيئة وفرة وقوية في الغلاف الجوي، رغم أن تركيزه يختلف اختلافا كبيرا حسب درجة الحرارة والرطوبة، وفي الهواء الصحراوي الجاف، قد يكون بخار الماء غائبا تقريبا، بينما يصل في المناطق المدارية إلى 4 في المائة، ويعمل بخار الماء كآلية إيجابية قوية للتغذية، حيث يمكن أن يكون الجو حارا بدرجة أكبر، مما يؤدي بدوره إلى زيادة الاحترار بالأشعة.

الهيكل المأجور: الهيكل الرأسي للغلاف الجوي

الغلاف الجوي للأرض مُتداخل إلى خمس طبقات أولية مُميزة بدرجات الحرارة، التكوين الكيميائي، الخواص الفيزيائية، هذه الطبقات تؤثر على ظواهر الطقس، الكيمياء الجوي، نظم الاتصالات، الحماية من الإشعاع الكوني المؤذي والحطام الفضائي.

الغلاف الجوي: الغلاف الجوي الخفيف

يمتد الغلاف الجوي من سطح الأرض إلى ارتفاع متوسطه 12 كيلومتراً، على الرغم من أن هذا الارتفاع يتفاوت بين 8 كيلومترات في القطب و15 كيلومتراً قرب خط الاستواء، وهو يحتوي على حوالي 80 في المائة من الكتلة الجوية وحوالي كل بخار المياه، ويتناقص معدل الحرارة هنا بمعدل متوسط للهبوط البيئي يبلغ حوالي 6.5 درجة مئوية لكل كيلومتر.

Stratosphere: The Ozone Shield

وفوق التروبوسفير يكمن طبقة الستراتوسفير التي تمتد إلى حوالي 50 كيلومتراً، وخلافاً للغلاف التروبوسفيري، فإن طبقة الغلاف الجوي الستراتوسفيري ترتفع بدرجة الحرارة بسبب امتصاص طبقة الديوكسينات الفوقية (UV) التي تركز على طبقة الأوزون (O3) بين 15 و35 كيلومتراً، وتحمي طبقة الأوزون هذه الحياة على الأرض عن طريق الفرز الضار للأشعة فوق البنفسجية والأشعة فوق البنفسجية والأشعة فوق البنفسجية.

Mesosphere: The Meteor Disintegrator

إن الغلاف الجوي، الذي يمتد من 50 إلى 85 كيلومتراً على ارتفاعه، هو أبرد طبقة في الغلاف الجوي، حيث تنخفض درجات الحرارة إلى أدنى مستوى عند مستوى 90 درجة مئوية بالقرب من الميسوسوف، والحد الأعلى لهذه الطبعة، وهي حرجة لحماية سطح الأرض من المواد النيازكية؛ ومعظم النيازك يحترق بسبب التسخين الاحتكاكي في الغلاف الجوي، مما ينتج الظواهر الجليدية المعروفة باسم النجوم المتأصلة.

الغلاف الجوي والمحيط الهندي: جبهة الطاقة العالية

ويمتد الغلاف الحراري من حوالي 85 كيلومترا إلى 600 كيلومتر، ويتميز بزيادة حرارة حادة تصل إلى 000 1 درجة مئوية أو أكثر، وعلى الرغم من ارتفاع درجات الحرارة، فإن كثافة الهواء منخفضة جدا بحيث تشعر الحرارة بالبرد، وتستوعب هذه الطبقات الإشعاع الشمسي العالي الطاقة، بما في ذلك الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية الشديدة، مما يؤدي إلى تذبذب الغازات في الغلاف الجوي.

الغلاف الجوي: هامش الفضاء

ويقع الغلاف الجوي للأرض على ارتفاع 600 كيلومتر تقريباً، حيث تُنشق جسيمات الغاز بحيث تتسرب الذرات والجزئات الفردية إلى الفضاء، وتهيمن الهيدروجين والهيلوميوم على هذه طبقة الغلاف الجوي، وتُنجرف ببطء إلى الغلاف الجوي المغنطيسي والمتوسط النجمي، وتتحول الغلاف الجوي إلى الفضاء الخارجي تدريجياً، وتُحدّد الحدود بين الغلاف الجوي للأرض والمكنسة الأرضية التي تتجاوزه 400.

وظائف الغلاف الجوي: دعم الحياة وحماية النباتات

ويؤدي الغلاف الجوي عدداً كبيراً من المهام الأساسية التي تحافظ على الحياة وتحميها على الأرض، ويمتد دوره إلى ما يتجاوز توفير الهواء القابل للتنفس ليشمل حماية الكوكب من الإشعاعات الضارة، وتنظيم المناخ، وتمكين دورة المياه، والدفاع عن الأخطار الكونية.

الدرع الواقي من الإشعاعات وحماية المركبات

إن طبقة الأوزون في طبقة الستراتوسفير تستوعب حوالي 97-99 في المائة من الإشعاع فوق البنفسجي المتوسط الموجة الشمسي (UV-B وUV-C) وهذا الدرع الواقي يحول دون حدوث ضرر زائد للحمض النووي في الكائنات الحية، ويقلل من الإصابة بسرطان الجلد، ويحافظ على النظم الإيكولوجية الأرضية، وإن كانت الاستجابة العالمية لاستنفاد الأوزون، التي بلغت ذروتها في بروتوكول مونتريال لعام 1987، تمثل مثالاً بارزاً على التعاون البيئي.

Climate Regulation via the Greenhouse Effect

متوسط درجة الحرارة السطحية للأرض حوالي 15 درجة مئوية يتم الحفاظ عليه من خلال التأثير الطبيعي للدفئ حيث الغازات مثل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون و الميثان وفخ أكسيد النيتروز التي تنجم عن الإشعاع تحت الحمراء وبدون هذا التأثير سيكون الكوكب مجمداً عالمياً يغمر 18 درجة مئوية بينما هذه غازات الدفيئة حيوية للحفاظ على الظروف المستقرة

وعاء الأشعة والنظافة

ويستخدم الجو كمحرك للطقس، ويقوده أساسا التدفئة الشمسية التي تتسبب في التهرب من المحيطات والبحيرات والأسطح الأرضية، وترتفع بخار المياه، وتبرد، وتتحول إلى غيوم، وتهيمن في نهاية المطاف على الأمطار أو الثلج، وتعيد تجديد مصادر المياه العذبة، وتنتشر أنماط التدوير في الغلاف الجوي، بما في ذلك الهادي والخلايا الفوقية، والخلايا القطبية، وتعادل الحرارية

دورة الإمداد بالغاز الأوكسجيني والكربون

وترميم الفوتوسينات التي تجريها النباتات والطحالب والبوكتيريا باستمرار إلى تجديد الأكسجين الجوي، مع الحفاظ على الحياة الهوائية، فالنظم الإيكولوجية الأرضية مثل الغابات والأراضي العشبية تعمل كبوالي الكربون الحيوية، وتستوعب ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، كما أن المحيطات تحجب حوالي ربع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية المنشأ، وإن كان ذلك يؤدي إلى تحمض المحيطات، مما يهدد الكائنات البحرية الحية التي تعتمد على السعرات الحرارية.

الحماية من المقذوفات وبحوث الفضاء

الغلاف الجوي للأرض يعمل كدرع واقٍ من النيزك و الحطام الكوني معظم النيازك يحترق بسبب التدفئة الحادية في الغلاف الجوي، مما يحول دون وصول ملايين الأجسام الصغيرة إلى السطح، وثدييات أكبر تنجو من دخول الغلاف الجوي يمكن أن تؤثر على الأرض، لكن هذه الأحداث نادرة نسبياً، وقد حافظت هذه الوظيفة الحمائية على سطح الأرض والمحيط الحيوي من آثار كارثية متكررة.

Human Impacts on Atmospheric Chemistry and Climate

منذ فجر التصنيع، الأنشطة البشرية قد غيرت بشكل عميق تكوين وتصرفات الغلاف الجوي للأرض، مما تسبب في تحديات بيئية تتكرر على الصعيد العالمي.

انبعاثات غازات الدفيئة والحرب العالمية

Atbustion of fossil fuels such as coal, oil, and natural gas releases vast quantities of CO2, methane (CH4), and nitrous oxide (N2O) into the atmosphere. Agricultural practices contribute additional methane from livestock and rice paddies, as well as nitrous oxide from fertili application. The IPCC Sixth Assessment Report[FLT:

تلوث الهواء والهيروسولات

إن التحضر والعمليات الصناعية تبعث على الملوثات بما في ذلك المادة الجسيمية (PM2.5 و PM10)، وثاني أكسيد الكبريت، وأكسيد النيتروجين، والمركبات العضوية المتطايرة، وتحلل هذه الملوثات نوعية الهواء، وتتسبب في أمراض الجهاز التنفسي، والأمطار الحمضية، وتخفض الرؤية، بينما تؤدي الأشعة فوق البنفسجية - المخففة إلى التأثيرات المناخية المتطاولة.

Ozone Layer Depletion

(أ) أدى الاستخدام الواسع النطاق لمركبات الكربون الكلورية فلورية في التبريد وتكييف الهواء والهباء إلى تدمير حافز لأوزون الستراتوسفير، مما أدى إلى استمرار ثقب الأوزون في أنتاركتيكا في الثمانينات، وهذا النضوب ما زال يرتفع من الإشعاع الضار فوق البنفسجي الذي يصل إلى السطح، مما يشكل مخاطر صحية وبيئية، وقد أدى الاستجابة العالمية عن طريق بروتوكول مونتريال إلى انخفاض حاد في انبعاثات مركبات الكربون الكلورية فلورية، واستعادة طبقة الأوزون الأساسية.

إزالة الغابات وتغيير استخدام الأراضي

إن إزالة الغابات، وخاصة في الغابات المدارية المطيرة، تُطلق كميات كبيرة من الكربون المخزن في الغلاف الجوي وتُقلل من قدرة الكوكب على استيعاب ثاني أكسيد الكربون، وتُغيّر إزالة الأراضي لأغراض الزراعة، والهياكل الأساسية، والتوسع الحضري المناخ الإقليمي عن طريق الحد من التبخر وسقوط الأمطار، مما يسهم في الاحترار المحلي والتصحر، وتعطل هذه التغيرات التنوع البيولوجي، وخدمات النظم الإيكولوجية، وتنظيم المناخ.

Urban Heat Islands and Local Climate Effects

وكثيرا ما تكون المناطق الحضرية أكثر درجات الحرارة من المناطق الريفية المحيطة بها بسبب خصائص الارتطام الحراري التي تنطوي على الخرسانة والأسفلت والمباني - وهي ظاهرة معروفة باسم تأثير جزيرة الحرارة الحضرية، مما يؤدي إلى تفاقم الطلب على الطاقة، وتلوث الهواء، والمسائل الصحية المتصلة بالحرارة، ويمكن أن تؤدي استراتيجيات التخطيط الحضري التي تشمل الأماكن الخضراء، والأسطح المعبرة، وتحسين التهوية إلى التخفيف من هذه الآثار.