همه چیز در مورد هوا کره – شیمی هوا کره و تغییرات آن

هوا کره یا اتمسفر لایه نازکی از گازهای مختلف است که سیاره زمین را پوشش می دهند. جو سیاره زمین بسیار پیچیده است و میلیون ها واکنش درون آن در حال انجام است. شیمی هوا کره ترکیب شیمیایی جو طبیعی، نحوه تعامل گازها، مایعات و جامدات موجود در اتمسفر با یکدیگر و سطح زمین و زیستگاه مربوطه و تاثیر فعالیت های انسانی در تغییر ویژگی های شیمیایی و فیزیکی جو زمین را مورد مطالعه قرار می دهد. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.

شیمی هوا کره ابتدایی زمین

هوا کره اولیه سطح کره زمین عمدتا از دی اکسید کربن تشکیل شده بود. این جو همچنین مقادیر کمی بخار آب، متان و آمونیاک (و نیتروژن احتمالی) و اکسیژن کمی داشت. این وضعیت تا حدودی شبیه به جو سیاراتی همچون مریخ و زهره بوده است. تصور می شود که آتشفشان ها دی اکسید کربن، بخار آب و گاز نیتروژن را در جو اولیه آزاد کرده اند. سپس بخار آب متراکم می شود و اقیانوس را تشکیل می دهد. اتمسفر اولیه بعد از قرن ها سرانجام تثبیت شد و عمدتا حاوی دی اکسید کربن بود.

حدود ۳.۴ میلیارد سال پیش، موجوداتی شبیه به باکتری‌ها تکامل یافتند که می‌ توانستند مواد شیمیایی اطراف خود را برای تامین انرژی تجزیه کنند. بعدها باکتری ها، جلبک ها و گیاهان تکامل یافتند که با انجام واکنش شیمیایی به نام فتوسنتز O2 را وارد جو کردند. اولین موجودات برای زنده ماندن در شرایط کم یا بدون اکسیژن تکامل یافته بودند، بنابراین اکسیژن تولید شده توسط فتوسنتز برای آنها سمی بود.

تقریبا ۲۰۰ میلیون سال پیش، هوا کره زمین تثبیت شد و از آن زمان تا کنون تقریبا یکسان باقی مانده است. علاوه بر اکسیژن، جو زمین تقریبا حاوی ۷۸٪ نیتروژن و مقادیر کمی از گازهای دیگر مانند آرگون (۰.۹٪) و دی اکسید کربن (۰.۰۴٪) است. تکامل گیاهان، جلبک‌ ها و باکتری ‌هایی که با استفاده از فتوسنتز انرژی تولید می کردند، باعث آزاد شدن اکسیژن شد. این اکسیژن باعث شد که جو غنی از اکسیژن شود و برای زندگی انسان ها مناسب باشد.

جو اولیه زمین

جو اولیه حاوی مقدار زیادی دی اکسید کربن بود، اما دی اکسید کربن تنها ۰.۰۴ درصد از جو مدرن ما را تشکیل می دهد. بیشتر دی اکسید کربن توسط  موجودات زنده تولید می شد. دی اکسید کربن در طول فتوسنتز از سطح زمین گرفته می شود. سپس گیاهان توسط حیوانات خورده می شوند.

بنابراین کربن به استخوان و بافت حیوانات منتقل می شود. با گذشت زمان، اجساد این موجودات در کف اقیانوس ها جمع شده و در آنجا سنگ کربنات کلسیم (سنگ آهک) را تشکیل می دهند. موجودات مرده ای که  در پوسته زمین دفن می شوند به سوخت های فسیلی تبدیل خواهند شد که همگی باعث کاهش سطح دی اکسید کربن در سطح هوا کره می شود.

با این حال، اکنون شواهدی وجود دارد که دریاها نمی توانند با دی اکسید کربن اضافی که ما از فعالیت های خود تولید می کنیم کنار بیاید. صخره های مرجانی به دلیل شرایط اسیدی آب دریا ها در حال مرگ هستند. با سوزاندن سوخت های فسیلی، دی اکسید کربن در جو آزاد می شود. دی اکسید کربن محلول اضافی، pH آب اقیانوس ها را کاهش داده و آب را اسیدی تر می کنند. در نهایت این اسیدیته به حدی می رسد که می تواند موجودات مهم دریایی را از بین ببرد.

نقش هوا کره در زندگی بر روی زمین

مانند سطح خشکی (لیتوسفر) و آب (هیدروسفر)، هوا کره یا اتمسفر نیز جزء لاینفک زمین است. در مقایسه با شعاع زمین، هوا کره تنها یک لایه بسیار نازک از گازها به نظر می رسد. با این حال، به دلیل نیروی گرانش، این گازها از سطح زمین جدا نمی شوند.

اتمسفر زمین حاوی گازهای مختلفی مانند اکسیژن، دی اکسید کربن، نیتروژن و غیره است. گیاهان برای زنده ماندن به دی اکسید کربن نیاز دارند. در حالی که حیوانات و بسیاری از موجودات دیگر برای زنده ماندن به اکسیژن نیاز دارند. اتمسفر این گازهای حیاتی را برای تمام موجودات روی کره زمین تامین می کند.

همه اشکال حیات بر روی سطح زمین برای انجام فرایندهای بیوفیزیکی خود نیاز به محدوده خاصی از دما و محدوده خاصی از فرکانس های تابش خورشید دارند. هوا کره فرکانس های خاصی را جذب کرده و فرکانس های دیگری از تابش خورشیدی را از خود عبور می دهد. به عبارت دیگر، اتمسفر میزان تابش خورشید به سطح زمین را تنظیم می کند.

جو همچنین دمای سطح زمین را در محدوده خاصی نگه می دارد. در صورت نبود هوا کره تغییر دمای شدید بین روز و شب روی سطح زمین وجود خواهد داشت. همچنین اگر اتمسفر بر روی سطح کره زمین وجود نداشته باشد، اشعه مضر فرابنفش خورشید به سطح زمین می رسد و  بسیاری از زندگی ها را نابود می کند. اتمسفر همچنین از سطح زمین در برابر اجسام فرازمینی مانند شهاب سنگ هایی که هنگام عبور از جو به دلیل اصطکاک می سوزند، مراقبت می کند.

ترکیبات هوا کره

اتمسفر ترکیبی از گازهای مختلف است. علاوه بر این حاوی تعداد زیادی ذرات جامد و مایع است که در مجموع «آئروسل» نامیده می شوند. برخی از گازها ممکن است به عنوان اجزای دائمی جو در نظر گرفته شوند که به نسبت ثابت باقی می مانند. سایر اجزای تشکیل دهنده اتمسفر از نظر مکان و زمان متفاوت هستند. اگر ذرات معلق، بخار آب و سایر گازهای متغیر از جو حذف شوند، هوای خشک در سراسر زمین تا ارتفاع حدود ۸۰ کیلومتری، به صورت بسیار پایدار وجود خواهد داشت. جدول زیر ترکیبات هوا کره را برای شما ارائه می دهد.

 

فهرست	درصد
نیتروژن (N۲)	۷۸.۰۸۴%
اکسیژن (O۲)	۲۰.۹۴۶%
آرگون (Ar)	۰.۹۳۴۰%
کربن دی اکسید (CO۲)	۰.۰۳۹۴۴۵%
نئون (Ne)	۰.۰۰۱۸۱۸%
هلیوم (He)	۰.۰۰۰۵۲۴%
متان (CH۴)	۰.۰۰۰۱۷۹%
کریپتون (Kr)	۰.۰۰۰۱۱۴%
هیدروژن (H۲)	۰.۰۰۰۰۵۵%
اکسید نیتروژن (N۲O)	۰.۰۰۰۰۳۲۵%
مونوکسید کربن (CO)	۰.۰۰۰۰۱%
زنون (Xe)	۰.۰۰۰۰۰۹%
ازن (O۳)	۰.۰۰۰۰۰۷%
دی اکسید نیتروژن (NO۲)	۰.۰۰۰۰۰۲%
ید (I۲)	۰.۰۰۰۰۰۱%
آمونیاک (NH۳)	Traces
بخار آب (H۲O)	~۰.۴۰%

 

نسبت گازها در لایه های بالاتر هوا کره، به گونه ای تغییر می کند که اکسیژن در ارتفاع ۱۲۰ کیلومتری تقریبا ناچیز خواهد بود. به همین ترتیب، دی اکسید کربن و بخار آب تنها در ۹۰ کیلومتری سطح زمین یافت می شوند. نیتروژن و اکسیژن تقریبا ۹۹ درصد هوای پاک و خشک را تشکیل می دهند. گازهای باقیمانده عمدتا بی اثر بوده و حدود ۱٪ از اتمسفر را تشکیل می دهند. علاوه بر این گازها، مقادیر زیادی بخار آب و ذرات گرد و غبار نیز در جو وجود دارد. این ذرات جامد و مایع، برای تغییرات آب و هوایی اهمیت زیادی دارند.

اجزای اصلی هوا کره

اکسیژن

اکسیژن، اگرچه تنها ۲۱ درصد از حجم کل اتمسفر را تشکیل می دهد، اما مهمترین گاز موجود در هوا کره است. همه موجودات زنده اکسیژن را استنشاق می کنند. علاوه بر این، اکسیژن می تواند با عناصر دیگر ترکیب شود و ترکیبات مهمی مانند اکسیدها را تشکیل دهد. همچنین احتراق بدون اکسیژن امکان پذیر نیست.

نیتروژن

نیتروژن ۷۸ درصد از کل حجم هوا کره را تشکیل می دهد. نیتروژن یک گاز نسبتا بی اثر است و جزء مهم همه ترکیبات آلی است. عملکرد اصلی نیتروژن کنترل احتراق با رقیق کردن اکسیژن است. همچنین به طور غیر مستقیم به اکسیداسیون انواع مختلف ترکیبات کمک می کند.

دی اکسید کربن

سومین گاز مهم هوا کره دی اکسید کربن است  که تنها ۰۳٪ هوای خشک را تشکیل می دهد و محصول احتراق است. گیاهان سبز، از طریق فتوسنتز، دی اکسید کربن را از اتمسفر جذب می کنند و از آن برای تولید غذا و ادامه روند دیگر فرایندهای زیستی فیزیکی استفاده می کنند.

به عنوان جاذب کارآمد گرما، دی اکسید کربن برای تغییرات آب و هوایی اهمیت بسیار زیادی دارد. دی اکسید کربن به عنوان یک عامل بسیار مهم در تولید انرژی گرمایی در نظر گرفته می شود. با افزایش سوزاندن سوخت های فسیلی مانند نفت، زغال سنگ و گاز طبیعی، درصد دی اکسید کربن در هوا کره با سرعت هشداردهنده ای افزایش یافته است. دی اکسید کربن بیشتر در اتمسفر به معنی جذب بیشتر گرما است. این گاز می تواند درجه حرارت را در سطوح پایین تر جو، به طور قابل توجهی افزایش دهد و در نتیجه تغییرات شدید آب و هوایی را ایجاد کند.

ازن (۰۳)

ازن (۰۳) یکی دیگر از گازهای مهم اتمسفر است  که در واقع نوعی مولکول اکسیژن است که از سه اتم به جای دو اتم تشکیل شده است. ۰۰۰۰۵٪ حجم اتمسفر از ازن تشکیل شده است. در بین ۲۰ تا ۲۵ کیلومتری سطح اتمسفر بیشترین غلظت ازن یافت می شود. این ترکیب شیمیایی در ارتفاعات بالاتر جو تشکیل شده و به سمت پایین منتقل می شود.

ازن نقش مهمی در جلوگیری از تابش مضر فرابنفش خورشید به سطح کره زمین دارد. سایر گازهایی که تقریبا در مقدار ناچیزی در هوا کره یافت می شوند، شامل نئون، هلیوم، هیدروژن، زنون، کریپتون، متان و غیره هستند.

بخار آب

بخار آب یکی از متغیرترین مواد گازی موجود در هوا کره است که بین ۰.۲ تا ۴ درصد از کل حجم (به ترتیب در آب و هوای گرمسیری خشک و مرطوب ) را تشکیل می دهد. ۹۰ درصد رطوبت موجود در جو در ۶ کیلومتری سطح زمین وجود دارد. بخار آب نیز مانند دی اکسید کربن نقش مهمی در گرم کردن سطح زمین دارد.

بخار آب نه تنها اشعه موج بلند زمینی (مادون قرمز یا گرمای ساطع شده از زمین در شب) را جذب می کنند، بلکه بخشی از تابش ورودی خورشید را نیز جذب می کنند. بخارات آب منبع اصلی تولید باران و ابر است.  ظرفیت حمل رطوبت هوا مستقیما با دمای هوا متناسب است.

ذرات جامد

ذرات جامد موجود در هوا کره شامل ذرات ماسه (از سنگ های هوازده و همچنین از خاکستر آتشفشانی)، دانه های گرده، موجودات کوچک، دوده، نمک های اقیانوس هستند. لایه های فوقانی اتمسفر حتی ممکن است دارای قطعات شهاب سنگ نیز باشند که در جو سوخته اند. این ذرات جامد عملکرد جذب، بازتاب و پراکندگی اشعه را انجام می دهند.

ذرات جامد، در نتیجه مسئول ایجاد رنگ های نارنجی و قرمز در غروب و طلوع آفتاب و گرگ و میش ( نور نرم و درخشان آسمان در هنگام تابش نور خورشید) هستند. برخی از ذرات گرد و غبار رطوبت سنج نیز هستند. یعنی به راحتی رطوبت هوا را جذب می کنند و به عنوان هسته تراکم عمل می کنند. بنابراین، ذرات گرد و غبار عامل مهمی در تشکیل ابرها، مه و تگرگ هستند.

انواع گازهای گلخانه ای موجود در هوا کره

دی اکسید کربن

دی اکسید کربن از نظر هواشناسی یک گاز بسیار مهم است. این گاز در برابر تابش ورودی نور خورشید شفاف است، اما در برابر تابش خروجی زمینی مات است. این گاز بخشی از تشعشعات زمینی را جذب کرده و بخشی از آن را به سمت سطح زمین بازتاب می کند. این گاز تا حد زیادی مسئول اثر گلخانه ای در سطح کره زمین است .

ازن

ازن یکی دیگر از گازهای مهم گلخانه ای است. اما این گاز در سطح اتمسفر به نسبت های بسیار کوچکی وجود دارد.

بخار آب

بخار آب نیز یک گاز متغیر در سطح هوا کره است که با افزایش ارتفاع کاهش می یابد. میزان بخار آب موجود در جو، از خط استوا به سمت قطب ها کاهش می یابد. در مناطق گرمسیری گرم و مرطوب، ممکن است بخار آب چهار درصد حجم هوا کره را تشکیل دهد. در حالی که در مناطق خشک و سرد مناطق کویری و قطبی  ممکن است کمتر از یک درصد از حجم هوا کره را تشکیل دهد.

بخار آب بخش هایی از نور خورشید را جذب کرده و گرمای تابشی سطح زمین را حفظ می کند. بنابراین، مانند یک پتو عمل می کند که به زمین اجازه می دهد نه خیلی سرد شود و نه خیلی داغ شود. بخار آب همچنین به ثبات و ناپایداری هوا کمک می کند.

متان

یکی از مهمترین گازهای گلخانه ای، گاز متان است. این گاز از تجزیه ضایعات حیوانی و مواد بیولوژیکی تولید می شود.

ساختار هوا کره

هوا کره را می توان به عنوان یک چند لایه مطالعه کرد. هر لایه از اتمسفر دارای ویژگی های خاص خود است. این لایه ها به طور سیستماتیک در زیر مورد بحث قرار می گیرند.

تروپوسفر

این لایه جوی بین سطح زمین و ارتفاع ۸ کیلومتری در قطب ها و ارتفاع ۱۸ کیلومتری در خط استوا قرار دارد. ضخامت این لایه از هوا کره در خط استوا بیشتر است، زیرا هوای گرم شده به ارتفاع بیشتری می رسد. لایه تروپوسفر در ناحیه تروپوپوز به پایان می رسد.

درجه حرارت در لایه تروپوسفر با افزایش ارتفاع  ۵ درجه سانتی گراد در هر کیلومتر کاهش می یابد. در قطب ها این درجه حرارت به -۴۵ درجه سانتی گراد و در ناحیه تروپوپوز نزدیک به خط استوا به -۸۰ درجه سانتی گراد می رسد.

لایه تروپوسفر با وارونگی دما، تلاطم و گردباد مشخص می شود. همچنین از نظر هواشناسی مهمترین منطقه در کل هوا کره است. تقریبا همه پدیده های آب و هوایی مانند بارش باران، مه و طوفان تگرگ و غیره محدود به این لایه هستند.

به لایه تروپوسفر منطقه همرفتی نیز می گویند، زیرا تمام جابجایی در این لایه متوقف می شود. تروپوسفر منطقه اصلی تغییرات آب و هوا است، زیرا همه سیکلون ها، آنتی سیکلون ها، طوفان ها و بارش ها در این منطقه رخ می دهند. دلیل این امر، این است که تمام بخارات آب و ذرات جامد در این قسمت از هوا کره قرار دارند.

ناحیه تروپوپوز

بالا ترین لایه تروپوسفر را ناحیه تروپوپوز می گویند. این ناحیه به عنوان مرز بین لایه های تروپوسفر و استراتوسفر هوا کره عمل می کند. این ناحیه با دمای ثابت مشخص می شود.

لایه استراتوسفر

این منطقه بالاتر از لایه تروپوسفر است و در ارتفاع ۵۰ کیلومتری از سطح زمین قرار دارد. درجه حرارت در این لایه تا حدودی ثابت باقی می ماند، اما سپس افزایش می یابد و به سطح صفر درجه سانتی گراد در ارتفاع ۵۰ کیلومتری می رسد. این افزایش درجه حرارت به دلیل وجود ازن در این لایه است (اشعه ماوراء بنفش مضر توسط ازن جذب می شود).

این لایه تقریبا عاری از ابرها و پدیده های آب و هوایی مرتبط است و شرایط را برای پرواز هواپیماها بسیار ایده آل می کند. بنابراین هواپیماها در پایین ترین قسمت استراتوسفر پرواز می کنند.

ناحیه اوزونوسفر

این منطقه در ارتفاع بین ۳۰ تا ۶۰ کیلومتری سطح زمین قرار دارد. این ناحیه روی لایه استراتوسفر و پایین لایه مزوسفر قرار دارد. به دلیل وجود مولکول های ازن، این لایه تابش مضر فرابنفش را منعکس می کند. لایه اوزونوسفر chemosphere نیز نامیده می شود، زیرا بسیاری از فعالیت های شیمیایی در این لایه رخ می دهد.

لایه مزوسفر

این یک لایه میانی هوا کره است و تا ارتفاع ۸۰ کیلومتری سطح زمین ادامه دارد. درجه حرارت در این لایه به تدریج کاهش می یابد و به منفی ۱۰۰ درجه سانتی گراد در ارتفاع ۸۰ کیلومتر می رسد. شهاب سنگ ها هنگام ورود از فضا، در این لایه می سوزند.

لایه ترموسفر

در لایه ترموسفر با افزایش ارتفاع، دما به سرعت افزایش می یابد. ناحیه یونوسفر بخشی از این لایه است. طول این لایه بین ۸۰ تا ۴۰۰ کیلومتر است. این لایه به انتقال امواج رادیویی کمک می کند. در واقع امواج رادیویی منتقل شده از زمین، توسط این لایه به زمین بازتاب می شوند. به دلیل فشار بسیار پایین در این لایه، فرد احساس گرما نمی کند. ایستگاه های فضایی بین المللی و ماهواره ها در این لایه قرار دارند.

لایه یونوسفر

این لایه دارای بار الکتریکی است. لایه یونوسفر با یونیزاسیون اتم ها مشخص می شود. به دلیل بار الکتریکی، امواج رادیویی منتقل شده از زمین توسط این لایه به زمین بازتاب می شوند. به دلیل تابش خورشید، در این لایه دما دوباره با افزایش ارتفاع بیشتر می شود.

لایه اگزوسفر

بالاترین لایه هوا کره، اگزوسفر است. این لایه فراتر از یونوسفر و در ارتفاع حدود ۴۰۰ کیلومتری گسترش یافته است. اکسیژن در این لایه بسیار نادر است و درجه حرارت به تدریج در این لایه افزایش می یابد. گازهای سبک مانند هلیوم و هیدروژن از این لایه به فضا منتقل می شوند. دلیل افزایش دما در این لایه برخورد نور مستقیم خورشید است.

آینده هوا کره

پیش بینی تغییرات آینده هوا کره بسیار مشکل است. با این حال، نگرانی زیادی در مورد افزایش دی اکسید کربن و کاهش ازن در جو وجود دارد. دی اکسید کربن یکی از گازهای گلخانه ای مهم است. این گازها مقداری از انرژی خورشیدی را که از زمین تابیده می شود، جذب می کنند و قبل از فرار به فضا، آن را به سطح زمین منعکس می کنند. افزایش سطح دی اکسید کربن در جو، ناشی از سوزاندن سوخت های فسیلی مانند زغال سنگ و نفت، ممکن است منجر به افزایش بسیار زیاد دمای سطح زمین شوند.

کاهش میزان ازن در جو برای اولین بار در اواسط دهه ۱۹۸۰ کشف شد. بعدا مشخص شد که کلروفلوئوروکربن ها (CFC) مواد شیمیایی صنعتی مورد استفاده در مبردها، سوخت های آئروسل و حلال ها مسئول تخریب ازن هستند. از آن زمان استفاده از CFC ها در اکثر کشورهای صنعتی ممنوع شده است، اما اثرات طولانی مدت از دست دادن ازن هنوز مشخص نشده است. بهتر است در حفظ هوا کره نهایت تلاش خود را انجام دهیم، زیرا زندگی انسان ها و بسیاری از موجودات زنده به هوا کره بستگی دارد.

فراوان ترین ترکیب هواکره شیمی دهم

برخی از مردم از فهمیدن اینکه اکسیژن فراوان ترین گاز در ترکیب جو زمین نیست شگفت زده می شوند. بر اساس حجم نسبی گازهای موجود در جو زمین، نیتروژن در واقع بیش از ۳ برابر بیشتر از اکسیژن است. از آنجایی که تروپوسفر پایین ترین لایه اتمسفر است، ۷۵ درصد جرم جو را در خود جای داده است. از بزرگ ‌ترین تا کوچک ‌ترین، ترکیب جو زمین حاوی نیتروژن، اکسیژن، آرگون، CO2 و گازهای کمیاب است. از آنجایی که بخار آب از نظر جغرافیایی بسیار متغیر است، از این مجموع حذف می شود.

در حالی که نیتروژن فراوان ترین گاز در جو زمین است، تنها ۰.۰۰۵٪ از وزن پوسته زمین را تشکیل می دهد. نیتروژن فوق العاده پایدار است و برای تغییر شکل به انرژی زیادی نیاز دارد. اگرچه حجم آن در پوسته زمین نسبتاً کم است، نیتروژن نقش مهمی در چرخه نیتروژن دارد. به عنوان بخشی از این چرخه، نیتروژن به طور مداوم بین جو و موجودات زنده مبادله می شود. اکسیژن برای زندگی انسان ضروری است زیرا ریه های ما اکسیژن را تنفس می کنند و از آن در متابولیسم استفاده می کنند. در حالی که نیتروژن یک گاز بسیار پایدار است، تجزیه و استفاده از آن برای فرآیندهای شیمیایی دشوار است. اما اکسیژن به راحتی در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کند، زیرا یک دزد الکترون است. بنابراین حتی اگر نیتروژن فراوان است، ما برای انجام واکنش های شیمیایی که انرژی تولید می کنند به اکسیژن نیاز داریم. آرگون به‌عنوان یک گاز بی‌اثر، در اتمسفر پیوند نمی‌دهد یا کار زیادی انجام نمی‌دهد. به همین دلیل است که چرخه آرگون وجود ندارد. اما ما نیتروژن و کربن را به دلیل توانایی آنها در پیوند با عناصر دیگر داریم. هنگامی که پتاسیم به صورت رادیواکتیو تجزیه می شود، آرگون یکی از محصولات احتمالی است و لیتوسفر دارای مقدار زیادی پتاسیم است.