شیمی و نام لایه های هواکره: تعریف، ترتیب و محدوده

لایه های هواکره و بررسی شیمی و تعریف و مرز و حدود آن ها یکی از موضوعات مطرح شده در کتاب شیمی 1 دهم دبیرستان می باشد که در این پست به بررسی اسم، ترتیب، محدوده ، شیمی و ویژگی لایه های اتمسفر می پردازیم. به طور کلی هواکره شامل 7 لایه به نام های تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، تروموسفر، یونوسفر، اگزوسفر و مگنتوسفر یا ماگنتوسفر می باشد که در ادامه مطلب به تعریف و ذکر محدوده آن ها می پردازیم.

تروپوسفر لایه اول (Troposphere): تروپوسفر ازسطح زمین تا ارتفاع حدود 10 تا 12 کیلومتر یا در حدود 11.5 کیلومتری شامل می شود. تروپوسفر پایینترین لایه اتمسفر است که خود از لایه‌های کوچکتری تشکیل شده است. وجه تمایز این لایه با دیگر لایه‌های اتمسفر ، تجمع تمامی بخار آب جو زمین در آن است؛ به همین دلیل بسیاری از پدیده‌های جوی که با رطوبت ارتباط دارند و عاملی تعیین کننده در وضعیت هوا به شمار می‌آیند (از قبیل ابر ، باران ، برف ، مه و رعد و برق) تنها در این لایه رخ می‌دهند. منبع حرارتی لایه تروپوسفر انرژی تابشی سطح زمین است. از اینرو با افزایش ارتفاع با کاهش دما مواجه خواهیم بود. ضخامت تروپوسفر ، از شرایط حرارتی متفاوتی که در عرضهای جغرافیایی مختلف حاکم است تبعیت می‌کند. این ضخامت معمولا از 17 تا 18 کیلومتر در استوا به 10 تا 11 کیلومتر در مناطق معتدل و 7 تا 8 کیلومتر در قطبها تغییر می‌کند.

استراتوسفر لایه دوم‌ (Stratosphere): از ارتفاع حدود 11 تا 50 کیلومتری سطح زمین شامل می شود. لایه استراتوسفر بر روی لایه تروپوسفر قرار دارد و ضخامت متوسط آن حدود 23 کیلومتر است. در 3 کیلومتر اول استراتوسفر ، دمای هوا ثابت است، اما در قسمتهای بالاتر دمای هوا با ارتفاع افزایش می‌یابد. در استراتوسفر به ندرت ابر تشکیل می‌شود و تنها در شرایط ویژه‌ای ممکن است ابرهای کوهستانی به نام ابرهای مرواریدی در ارتفاع 21 تا 29 کیلومتری از سطح زمین ظاهر شوند که علت وجود آنها حرکات موجی شکل هوا از سوی موانع می‌باشد.
از دیگر ویژگیهای مهم استراتوسفر وجود ازن در این لایه است که بخصوص در ارتفاع 20 تا 30 کیلومتری سطح زمین بر اثر واکنشهای مختلف فتوشیمیایی بدست می‌آید. مقدار ازن در این لایه معمولا روند فصلی دارد حداکثر آن در بهار و حداقل آن در پاییز مشاهده می‌شود.

مزوسفر لایه سوم (Mesosphere):  از ارتفاع 50 تا حدود 80 یا 85 کیلومتری سطح زمین را شامل می شود. مزوسفر در بالای لایه گرم ازن لایه مزوسفر قرار دارد که دما در آن متناسب با افزایش ارتفاع با آهنگ 0.3 سانتیگراد به ازای هر 100 متر کاهش می‌یابد بطوری که دما در مرز فوقانی آن در ارتفاع 80 تا 90 کیلومتری به 80- درجه سانتیگراد می‌رسد. نتیجه این دمای پایین انجماد بخار آب ناچیز موجود در این لایه است که باعث بوجود آمدن ابرهای شب تاب می‌شوند. این ابرها در تابستان و در عرضهای بالا دیده می‌شوند. مزوسفر سردترین لایه اتمسفر تلقی می‌شود.

ترموسفر لایه چهارم (Thermosphere): از ارتفاع 80 تا حدود 500 کیلومتری از سطح زمین شامل می شود. ترموسفر لایه ای در جو زمین است که مستقیماً بالای مزوسفر و زیر اگزوسفر قرار دارد. در داخل این لایه از جو، تابش فرابنفش باعث فوتیونیزاسیون/تجزیه مولکول ها می شود و یون ها را ایجاد می کند. بنابراین ترموسفر بخش بزرگ تری از یونوسفر را تشکیل می دهد. در این ارتفاعات بالا، گازهای باقیمانده اتمسفر بر اساس جرم مولکولی به طبقات دسته بندی می شوند (به توربوسفر مراجعه کنید). دمای ترموسفر با افزایش ارتفاع به دلیل جذب تابش خورشیدی بسیار پرانرژی افزایش می یابد. دما به شدت به فعالیت خورشیدی وابسته است و می تواند تا 2000 درجه سانتی گراد (3630 درجه فارنهایت) یا بیشتر افزایش یابد. تابش باعث می شود که ذرات اتمسفر در این لایه بار الکتریکی پیدا کنند و امواج رادیویی را قادر می سازد که شکسته شوند و در نتیجه فراتر از افق دریافت شوند.

یونوسفر لایه پنجم (Ionosphere): از ارتقاع تقریبی 500 کیلومتر از سطح زمین به بالا شامل می شود. در لایه یونوسفر، بسیاری از اتم ها و مولکول ها تحت تاثیر تابش های پرانرژی خورشید، الکترون از دست داده و به کاتیون تبدیل شده اند. یونش اتمسفر در عرضهای مغناطیسی پایینتر از 60 درجه و به هنگام روز بر اثر یونش فوتونی اتمها و مولکولای اتمسفر با امواج الکترومغناطیسی کوتاه (XUV) تابشی از خورشید است. این گفتار در ارتفاعات بالاتر از 120 کیلومتری صحت دارد. یونسفر از بخش فوقانی مزوسفر تا ارتفاع تقریبی 1000 کیلومتری اتمسفر زمین ، بار الکتریکی شدیدی حاکم است که زاییده وجود یونها و الکترونهای آزاد است. در حقیقت پرتوهای پر انرژی خورشید که از فضای خارج به طبقات بالایی اتمسفر وارد می‌شوند باعث گسستگی پیوند یا یونیزاسیون مولکولها و اتمها می شوند.

اگزوسفر لایه ششم (Exosphere): اگزوسفر که بین 700 تا 10000 کیلومتر بالای سطح زمین قرار دارد، بالاترین لایه جو زمین است و در بالای آن با باد خورشیدی ادغام می شود. مولکول‌های موجود در اینجا چگالی بسیار کمی دارند، بنابراین این لایه مانند گاز رفتار نمی‌کند و ذرات در اینجا به فضا می‌گریزند. در حالی که اصلاً آب و هوا در اگزوسفر وجود ندارد، شفق های قطبی و شفق قطبی گاهی در پایین ترین قسمت آن دیده می شوند. بیشتر ماهواره های زمین در اگزوسفر می چرخند. شرایط موجود در یونسفر در این لایه نیز حاکم است؛ بدین معنی که گازها در این لایه همچنان قابلیت هدایت الکتریکی خود را حفظ می‌کنند. سرعت ذرات در این لایه بسیار زیاد است و در مواردی به 11.2 کیلومتر در ثانیه می‌رسد. اگزوسفر لایه گذار جو به فضای کیهانی به شمار می‌آید که بخش فوقانی آن را در ارتفاع بیش از سه هزار کیلومتری از سطح زمین برآورد کرده‌اند.

مگنتوسفر یا ماگنتوسفر لایه هفتم (Magnetosphere): وقتی میدان مغناطیسی زمین از نظر فضایی دیده شود، دیگر به یک میله مغناطیسی شباهت ندارد. میدان مغناطیسی در طرف روز توسط باد خورشیدی متراکم و در صرف شب خطوط میدان باز و تا فواصل بسیار زیادی از زمین گسترش دارد. باد خورشیدی یک پلاسمای مافوق صوتی که بطور شعاعی به بیرون از تاج خورشیدی جریان می‌یابد. این جریان باد خورشیدی همیشه وجود دارد و بنابراین زمین همواره غوطه‌ور در ذرات داغی است که از اتمسفر خورشید می‌رسند.

در مگنتوسفر زمین مانند یک آهنربای بزرگ رفتار می کند. الکترون‌ها (بار منفی) و پروتون‌ها (مثبت) را به دام می‌اندازد و آنها را در دو باند در ارتفاع 3000 و 16000 کیلومتری بالای کره زمین متمرکز می‌کند – کمربند “تابش” ون آلن. این ناحیه بیرونی اطراف زمین، جایی که ذرات باردار در امتداد خطوط میدان مغناطیسی مارپیچ می‌شوند، مگنتوسفر نامیده می‌شود.