ملخص مكونات وطبقات الغلاف الجوي — أولى ثانوي

مقدمة

الوحدة الثانية: الغلاف الجوي — البند 2-1

ماذا لو لم يكن للأرض غلاف جوي؟ ستكون مثل عطارد: نهار حارق وليل متجمد، بلا هواء ولا مطر ولا حماية من الأشعة والشهب. في هذا الدرس نتعرف الغلاف الجوي: مم يتكون؟ وما طبقاته؟ ولماذا تحتفظ به الأرض بينما فقده عطارد؟

أهداف التعلم

أن تعرّف الغلاف الجوي وتوضح أهميته وديناميكية مكوناته.
أن تحدد المكونات الكيميائية الرئيسية للغلاف الجوي ونسبها.
أن تميز بين طبقات الغلاف الجوي وخصائص كل طبقة.
أن تفسر احتفاظ الأرض بغلافها الجوي باستخدام مفهوم سرعة الإفلات.

شرح الدرس

الغلاف الجوي وديناميكيته

الغلاف الجوي: غلاف من الغازات يحيط بالأرض، أهمها النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون، إضافة إلى الأرجون وكميات ضئيلة من غازات أخرى.

ونسب مكوناته ليست ثابتة بل تتغير باستمرار: فبالتنفس تستهلك الكائنات الأكسجين وتطلق ثاني أكسيد الكربون، وبالبناء الضوئي تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون وتطلق الأكسجين، وتضيف الثورات البركانية كميات كبيرة من الغازات.

أهمية الغلاف الجوي

غطاء عازل يحمي الأرض من الإشعاعات الشمسية الضارة والأجسام القادمة من الفضاء.
يحتفظ بجزء من الإشعاع الشمسي فيحافظ على حرارة معتدلة مناسبة للحياة.
يلعب دورًا رئيسيًّا في دورة الماء (التبخر والتكثف والهطول) وتوزيع المياه العذبة.

المكونات الكيميائية الرئيسية

الغاز	النسبة من الحجم	ملاحظات
النيتروجين $N_2$	نحو 78%	يدخل الغلاف من تحلل الكائنات الميتة والبراكين، خامل إلى حد كبير بسبب الرابطة الثلاثية القوية بين ذرتيه، ولا يتفاعل إلا في ظروف خاصة كالبرق والحرارة المرتفعة؛ لذا أكاسيده ضئيلة في الهواء
الأكسجين $O_2$	نحو 21%	ينتج أساسًا من البناء الضوئي، ضروري للتنفس، ونشط كيميائيًّا وأساس الاحتراق
الأرجون $Ar$	نحو 0.93%	من الغازات الخاملة مثل الهيليوم والنيون
ثاني أكسيد الكربون $CO_2$	نحو 0.04%	تتفاوت نسبته من منطقة لأخرى، ومن الغازات الدفيئة التي تحبس الحرارة (الاحتباس الحراري)، ويحتاجه النبات في البناء الضوئي

ويحتوي الهواء أيضًا على بخار الماء $H_2O$ (المسؤول عن السحب والأمطار)، وثاني أكسيد الكبريت $SO_2$ ، والأوزون $O_3$ ، وأول أكسيد الكربون $CO$ ، وثاني أكسيد النيتروجين $NO_2$ .

طبقات الغلاف الجوي

الطبقة	الارتفاع التقريبي	أبرز الخصائص
التروبوسفير	من السطح حتى نحو 10 km	أكثف الطبقات، تحدث فيها معظم ظواهر الطقس (السحب والأمطار والرياح)، وتنخفض الحرارة بنحو $6.5^\circ C$ لكل $1\,km$ ارتفاع، وهي موطن التنوع الحيوي
الستراتوسفير	من 10 إلى 50 km	ثبات الحرارة حتى 20 km، ثم ترتفع داخل طبقة الأوزون (20 – 40 km) لامتصاص الأشعة فوق البنفسجية، وحركة الهواء أفقية فهي مفضلة لتحليق الطائرات
الميزوسفير	من 50 إلى 80 km	أبرد الطبقات (تصل إلى نحو $-93^\circ C$ )، وتحترق فيها معظم الشهب
الثرموسفير	من 80 إلى 700 km	يمتص النيتروجين والأكسجين الإشعاع الشمسي فتتجاوز الحرارة $2000^\circ C$ ، ويشمل الأيونوسفير
الأكسوسفير	من 700 إلى 1000 km	أقرب إلى الفراغ لشدة انخفاض كثافتها، والمنطقة المثالية للأقمار الصناعية

تفاصيل مهمة:

انخفاض الحرارة في التروبوسفير: يتناقص الضغط بالارتفاع فيتمدد الهواء، ويحتاج التمدد إلى طاقة يستمدها من طاقة حركة جزيئاته فتقل حرارته. ويستمر الانخفاض حتى التروبوبوز (نحو 11 km)، وهي طبقة رقيقة انتقالية تمنع اختلاط الهواء البارد في التروبوسفير بالهواء الدافئ في الستراتوسفير. ومتوسط حرارة سطح الأرض نحو $15^\circ C$ .
التنوع الحيوي في التروبوسفير: توجد فيها غازات الحياة (الأكسجين وثاني أكسيد الكربون) وبخار الماء، والحرارة والضغط المناسبان لمعظم الكائنات؛ فهي الطبقة الأكثر نشاطًا بيولوجيًّا.
طبقة الأوزون: درع يمتص معظم الأشعة فوق البنفسجية (UV) الضارة التي قد تتلف الحمض النووي DNA وتسبب سرطان الجلد وتدمر النظم البيئية.
الأيونوسفير (نحو 80 – 550 km): تمتص فيه ذرات الأكسجين والنيتروجين الإشعاع عالي التردد (الأشعة السينية وأشعة جاما) فتتأين، ويعكس موجات الراديو فيُستخدم في الاتصالات اللاسلكية لمسافات كبيرة.
الشفق القطبي (Aurora): عندما تصل الجسيمات المشحونة عالية الطاقة من الشمس (الرياح الشمسية) يجذبها المجال المغناطيسي للأرض نحو القطبين، فتصطدم بذرات وأيونات الأيونوسفير وتثيرها، وعند عودتها إلى حالتها الأقل طاقة تطلق فوتونات ضوئية ملونة.
الأقمار الصناعية في الأكسوسفير لا تواجه مقاومة تُذكر، وتفيد في الاتصالات والإنترنت ونظام GPS والتنبؤ بالطقس والكوارث.

سرعة الإفلات (الهروب)

تتحرك جزيئات الغاز بسرعات هائلة، والسرعة الفعالة $V_{rms}$ تكون أكبر كلما قلت كتلة الجزيء وارتفعت درجة الحرارة.
سرعة الإفلات $V_e$ : السرعة التي يجب أن يكتسبها أي جسم (مهما كانت كتلته) ليفلت من جاذبية الكوكب، وتبلغ للأرض نحو $11.2\,km/s$ .
إذا كانت $V_{rms} < V_e$ يحتفظ الكوكب بالغاز، وإذا كانت $V_{rms} \geq V_e$ تفلت الجزيئات إلى الفضاء فيصبح الغاز نادرًا أو معدومًا.
عطارد أصغر الكواكب لا يمتلك غلافًا غازيًّا؛ فيسخن بشدة نهارًا بامتصاص الإشعاع، ويبرد بسرعة ليلًا لعدم وجود غلاف يحتفظ بالحرارة.

أمثلة وتطبيقات

مثال: درجة حرارة الهواء عند سطح الأرض $5^\circ C$ ، فما درجة الحرارة عند قمة جبل ارتفاعه $2\,km$ ؟

t = 5 - (6.5 \times 2) = 5 - 13 = -8^\circ C

علل: نسبة أكاسيد النيتروجين ضئيلة رغم وفرة النيتروجين ← لخموله بسبب الرابطة الثلاثية القوية.
علل: تُفضل الستراتوسفير لتحليق الطائرات ← لأن حركة الهواء فيها أفقية.
علل: ترتفع الحرارة في طبقة الأوزون ← لامتصاص الأوزون الأشعة فوق البنفسجية.

ملاحظات مهمة

الترتيب من السطح: تروبوسفير ← ستراتوسفير ← ميزوسفير ← ثرموسفير ← أكسوسفير.
الحرارة تقل في التروبوسفير والميزوسفير، وتزيد في الستراتوسفير (الأوزون) والثرموسفير.
الأيونوسفير جزء من الثرموسفير، والأوزون جزء من الستراتوسفير.
سمك الثرموسفير نحو $700 - 80 = 620\,km$ .

المفاهيم الأساسية

مكونات الهواء: نيتروجين 78%، أكسجين 21%، أرجون 0.93%، ثاني أكسيد كربون 0.04%.
الغلاف الجوي يحمي ويعدّل الحرارة ويشارك في دورة الماء.
خمس طبقات لكل منها ارتفاعها وخصائصها الحرارية ووظيفتها.
سرعة الإفلات للأرض $11.2\,km/s$ ، ويحتفظ الكوكب بالغاز إذا كانت $V_{rms} < V_e$ .

ملخص الدرس

الغلاف الجوي خليط متغير من الغازات، أكثرها النيتروجين الخامل (78%) ثم الأكسجين النشط (21%) ثم الأرجون وثاني أكسيد الكربون، ويحمي الأرض ويعدّل حرارتها ويشارك في دورة الماء. ويتكون من خمس طبقات: التروبوسفير موطن الطقس والحياة وتقل فيه الحرارة بالارتفاع، والستراتوسفير وفيه طبقة الأوزون الحامية، والميزوسفير الأبرد التي تحترق فيها الشهب، والثرموسفير الحار وفيه الأيونوسفير والشفق القطبي، والأكسوسفير موضع الأقمار الصناعية. وتحتفظ الأرض بغلافها لأن سرعة جزيئات غازاتها أقل من سرعة الإفلات.

أسئلة للتدريب

اذكر نسب الغازات الرئيسية في الغلاف الجوي.
علل: الغلاف الجوي ديناميكي وليس ثابت المكونات.
قارن بين التروبوسفير والستراتوسفير من حيث تغير درجة الحرارة والظواهر الحادثة.
ما أهمية طبقة الأوزون؟ وما أهمية الأيونوسفير؟
لماذا تحتفظ الأرض بغلافها الجوي بينما لا يمتلك عطارد غلافًا غازيًّا؟