جو زمین

[Joseph Goebbels]

جو زمین
گرداوری و تالیف : اقای امیر برکاتی
منبع : صنایع هوافضا / ش 79


جو زمین عبارتست از لایه ای از گازها ، که اطراف این سیاره را احاطه کرده اند و به وسیله نیروی جاذبه زمین نگه داشته می شوند . مجموعه این گازها ، هوا نامیده می شود . هوای اطراف سیاره زمین ، به لحاظ ویژگی ها و مشخصات خود در تمام کائنات بی نظیر بوده و یک استثنا به حساب می اید . در واقع وجود چنین جوی است که باعث شده شرایط برای پدیده منحصر به فردی به نام " زندگی " بر روی سیاره زمین به وجود اید . جو زمین با به وجود امدن شرایط زیل ، زمینه را برای زندگی موجودات زنده پدید اورده است :


1- جلوگیری از نفوذ پرتوهایی مانند فرابنفش که زندگی را در معرض نابودی قرار می دهند .
2- تنظیم دمای سطح و جو سیاره و جلوگیری از ایجاد تفاوت زنده ضروری است .
3- در برداشتن گاز حیاتی اکسیژن که برای سوخت و ساز موجودات زنده ضروری است .
4- ایجاد بستر لازم جهت چرخه اب و هوا در سیاره زمین .

انسان با استفاده از خواص فیزیکی همین جو بود که توانست با اختراع بالن ، هواسُر ( گلایدر ) و هواپیما بر نیروی جاذبه زمین غلبه کرده و پرواز کند . هوا در فواصل نزدیک به نظر بی رنگ است اما رنگ واقعی ان همان آبی آسمانی است که ا نگاه به اسمان مشاهده می شود .


نور خورشید به وسیله مولکول ها و ذرات گردوغبار موجود در اسمان – که معمولا در مقایسه با طول موج های نور مرئی بسیار کوچکند – پراکنده می شود . به این ترتیب ، نور طول موج های کوتاه ( نور ابی ) بسیار شدیدتر از نور طول موج های بلندتر به وسیله این ذرات پراکنده می شوند . وقتی که به اسمان صاف نگاه می کنیم ، بیشتر این نور پراکنده شده است که به چشم ما می رسد . طول موج های کوتاه پراکنده شده ( و حساسیت چشم ادمی به رنگ ) منجر به احساس رنگ ابی می شود . اولین نیازانسان امروزی در سفرهای فضایی ایجاد شرایطی مشابه جو زمین است که بتواند در ان به عمل تنفس و در نتیجه حیات خود ادامه دهد . جو زمین در واقع نوعی مرز بین سیاره و فضا نیز به حساب می اید . جو از چندین لایه مختلف با خواص فیزیکی متفاوت تشکیل شده است . امروزه بشر ماهواره های بسیار زیادی را برای مطالعه بر روی لایه های مختلف جو به فضا فرستاده است . این ماهواره ها اطلاعات بسیار با ارزشی را به دست اورده اند ؛ با این حال ، همچنان بسیاری از پدیده های فیزیکی مربوط به جو همچنان مجهول باقی مانده است .


ادامه دارد...
گرداوری و تالیف : اقای امیر برکاتی
منبع : صنایع هوافضا / ش 79

[Joseph Goebbels]

ترکیب جو زمین :
جو زمین نیز مانند هر پدیده یا جسم مادی دارای ویژگی ها و ساختار فیزیکی خاص خود است . همانگونه که ذکر شد ، جو زمین از گازهای مختلفی تشکیل شده است . نسبت اختلاط این گازها بر اساس نسبت حجم مولی ، به شرح ذیل است :


1- گاز نیتروژن : قدری بیش از 78 درصد .
2- گاز اکسیژن : قدری بیش از 20/9 درصد .
3- ارگون : 0/93 درصد .
4- دی اکسید کربن : 0/03 درصد .
5- نئون : 0/002 درصد .
6- سایر گازها : 0/138 درصد .


حتی اگر سهم بخار اب موجود در جو نیز در این تقسیم بندی دخالت داده شود ، این نسبت ها ثابت نخواهد ماند ؛ زیرا دمای لایه های پایین جو همیشه در حال تغییر است و با رسیدن به نقطه میعان و تبدیل بخار به مایع ، درصد حجمی بخار اب در جو تغییر خواهد کرد . در مقیاس جهانی به طور متوسط یک درصد حجم جو زمین را بخار اب و در یک نقطه دیگر تا 4درصد بخار اب داشته باشد . با توجه به اینکه وزن مولکولی اب از وزن مولکولی سایر عناصر تشکیل دهنده جو کمتر است ، بخار اب بیشتر در لایه های پایین جو متمرکز می شود . بیشترین مقدار بخار اب در لایه های نزدیک سطح زمین است و با افزایش ارتفاع به شدت از میزان ان کاسته می شود . بالا بودن بخار اب در نزدیکی سطح زمین به دو علت است : 1- یکی به دلیل وجود اقیانوس ها که منبع اصلی بخار اب هستند . 2- سرد بودن لایه های فوقانی جو که مانع از نفوذ و نگه داشت بخار اب می شود .


هوا به دلیل ماهیت گازی شکل خود به نظر بی وزن می رسد . اما در واقع ، گازهای اطراف زمین در مجموع در حدود ( 5ممیز 1361 ضربدر 10 به توان 2 ) تن جرم دارند . حدود سه چهارم از این جرم در ارتفاع کمتر از 11 کیلومتری جو قرار گرفته است . جرم مولی متوسط هوا 27/97 گرم بر مولی ، چگالی در سطح دریا 1/2 کیلوگرم بر مترمربع و دمای متوسط جو حدود 15 درجه سانتی گراد است .


ادامه دارد...

گرداوری و تالیف : اقای امیر برکاتی
منبع : صنایع هوافضا / ش 79

[Joseph Goebbels]

ساختار جو زمین :
همانگونه که پیشتر اشاره شد ، جو زمین دارای چند لایه مختلف است . این لایه ها به شرح ذیل هستند :


1- لایه تروپوسفر یا گشت کره : تروپوسفر لایه پایینی جو زمین است که ارتفاع ان در قطب ها در حدود 7 کیلومتر و در استوا در حدود 17 کیلومتر است . در بسیاری از مراجع ، ارتفاع متوسط این لایه 10 الی 12 کیلومتر عنوان شده است . تغییرات اب و هوایی تاثیر مختصری بر روی این ارتفاع دارد . هوای لایه تروپوسفر مدام در حال جابه جایی در راستای عمودی است . این پدیده اغلب در اثر تابش نور خورشید به سطح زمین ، گرم شدن و کم چگال شدن هوای مجاور سطح زمین رخ می دهد . " تروپو " ریشه یونانی دارد و به مفهوم اختلاط ، گشتن و چرخیدن است . فشار هوا در مرز بالایی این لایه فقط در حدود 10 درصد فشار در سطح دریاست . مرز این لایه ، با لایه بعدی جو ( که خود در حد یک لایه چند کیلومتری است ) ، تروپاز نامیده می شود .


ادامه دارد...
گرداوری و تالیف : اقای امیر برکاتی .
منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 79

[Joseph Goebbels]

2- لایه استراتوسفر یا پوش کره : از لایه تروپاز تا حدود 50 کیلومتری از سطح زمین ، استراتوسفر نامیده می شود . در این لایه با افزایش ارتفاع ، دمای هوا افزایش می یابد . قسمت اعظم لایه اُزُن که سطح کره زمین را در برابر پرتو فرابنفش حفاظت می کند ، در قسمت های پایینی این لایه قرار دارد . در لایه ازن مقدار مقدار قابل توجهی اکسیژن 3 اتمی قرار دارد که در برخورد با اشعه فرابنفش خورشید تجزیه شده و از ورود این اشعه به طبقات پایین تر جو جلوگیری می کند . ضخامت لایه ازن نیز با تغییرات فصلی و جغرافیایی دستخوش تغییر می شود . " استراتو " از ریشه لاتین به معنی پخش و گسترده گرفته شده است . مرز این لایه با لایه بعدی جو ( که خود در حد یک لایه چند کیلومتری است ) ، استراتوپاز نامیده می شود .


ادامه دارد...
گرداوری و تالیف : اقای امیر برکاتی .
منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 79

[Joseph Goebbels]

3- لایه مزوسفر یا میان کره : این لایه از استراتوپاز تا ارتفاع حدود 80 تا 85 کیلومتری از سطح زمین قرار گرفته است . در برخی مراجع ، ارتفاع 100 کیلومتری را نیز سقف لایه مزوسفر می دانند . در این لایه با افزایش ارتفاع ، دمای هوا کم می شود . " مزو " ریشه ای یونانی دارد و به معنی وسط است . مرز این لایه ، با لایه بعدی جو ( که خود در حد یک لایه چند کیلومتری است ) مزوپاز نامیده می شود . یک نکته در مورد این لایه مرز و مرز بالایی ان ( مزوپاز ) قابل توجه است . از مزوپاز به بالا ، هوا کاملا مفهوم فیزیکی خود به عنوان یک سیال را از دست می دهد و بیشتر ماهیت مولکولی – یونی پیدا می کند . دمای هوا از این ارتفاع به بالا ، به صورت نمایی با افزایش ارتفاع ، افزایش می یابد . در حالیکه تا قبل از ان ، نمودار ارتفاع – دما یک منحنی با چند شیب مثبت و منفی را نشان می دهد . نسبت های ذکر شده در مورد حجم مولی ترکیبات جو ، در ارتفاعات بالای مزوپاز تا حدود زیادی به هم می خورد . در این ارتفاعات ، نسبت های اکسیژن و نیتروژن کم شده و بر مقادیر هیدروژن و هلیوم و همچنین انواع یون ها افزوده می شود . بنابرهمین دلیل ، مرز جدایش لایه های زیر مزوپاز با لایه بعدی را تروپاز و لایه های زیر ان را هموسفر نامگذاری می کنند . به همین قرینه ، لایه های بالای تروپاز نیز هتروسفر نامیده می شود .

ادامه دارد...

گرداوری و تالیف : اقای امیر برکاتی .
منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 79

[Joseph Goebbels]

4- لایه ترومسفر یا گرما کره : این لایه از مزوپاز تا ارتفاع حدود 600 تا 640 کیلومتری از سطح زمین قرار دارد . در معدودی مراجع نیز این لایه را فاقد مرز فوقانی دانسته اند . عنوان ترومسفر به سبب دمای فوق العاده زیاد ترمودینامیک ، به این لایه نسبت داده شده است . در این لایه با افزایش ارتفاع ، دما نیز افزایش پیدا می کند . این دما ممکن است به 1200 درجه سانتی گراد نیز برسد که منشا اصلی ان یونیزه شدن مولکول های اکسیژن و نیتروزن ، در اثر برخورد با پرتو فرابنفش خورشید است . جلوه سرخی شفق یکی از پدیده های قسمت پایینی لایه ترمسفر است . مرز بالایی این لایه ، تروپاز نامیده می شود.


ادامه دارد...
گرداوری و تالیف : اقای امیر برکاتی .
منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 79

[Joseph Goebbels]

5- لایه یونوسفر یا یون کره : این لایه هویت مستقلی ندارد و در واقع همان بخش بزرگ از لایه ترموسفر است که فرایند یونیزه شدن مولکول های گازی در ان صورت می کیرد . یونوسفر نقش اصلی در انتشار امواج الکترومغناطیسی داشته و اثرات مهمی بر ارتباطات راه دور فضایی دارد . پدیده بازتابش امواج رادیویی تابیده شده از سطح زمین در همین لایه اتفاق می افتد . پدیده شفق نیز در همین لایه پدید می اید .


ادامه دارد...

گرداوری و تالیف : اقای امیر برکاتی .
منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 79

[Joseph Goebbels]

6- لایه اگزوسفر : ارتفاع بالای 600 کیلومتر تا حدود 10000 کیلومتر از سطح زمین است که اغلب اتم ها و مولکول های جو تحت تاثیر بادهای خورشیدی و میدان مغناطیسی زمین به فضای اطراف رانده می شوند . طبقات بالای تروموسفر با عنوان نواحی فوقاین جو شناخته می شوند . طبقات استراتوسفر و مزوسفر ، جو میانی و لایه تروپوسفر نیز جو پایینی خوانده می شود . اگرچه هوا در طبقات فوقانی بسیار رقیق است ، اما همین مقدار هوای کم در ایجاد نیروی پسا برای ماهواره ها ، در مدارهای پایینی بسیار موثر بوده و نقش عمده ای در طول عمر انها ایفا می کند . هرگز نمی توان یک ارتفاع مشخص را مرز بین جو زمین و فضا دانست ، زیرا چگالی جو زمین با افزایش ارتفاع رفته رفته کم می شود . اما معمولا ارتفاع 120 کیلومتری ( بالای تروپاز ) ، محلی است که اثرات ایرودینامیکی و ترمو-آیرودینامیکی جو از انجا به بالا تقریبا قابل صرف نظر کردن است . البته در برخی مراجع ، خطی در ارتفاع حدود 100 کیلومتری زمین در نظر گرفته می شود که در اصطلاح خط کارمَن نامیده شده و به عنوان مرز بین جو و فضا تعریف می شود . بنار یک تعریف در امریکا ، به افرادی که به ارتفاع بالای 80500 متری صعود کرده باشند ، عنوان " فضانورد " اطلاق می شود . همانگونه که اشاره شد ، بیشتر جرم جو در طبقات پایینی ان قرار دارد . در ذیل اشاره دقیق تری به این موضوع می شود :



1- حدود 50 درصد جرم جو در زیر ارتفاع 5/6 کیلومتری قرار دارد .
2- حدود 90 درصد جرم جو در زیر ارتفاع 16 کیلومتری قرار دارد .
3- حدود 99/99997 درصد جرم جو در زیر ارتفاع 100 کیلومتری قرار دارد .

موارد فوق درک بهتری را از روش توزیع جو در طبقات مختلف ان به دست می دهد . فشار هوا در سطح دریا 101/3 کیلوپاسکال است . این فشار در ارتفاع 5/6 کیلومتری به حدود نصف کاهش پیدا می کند . هر چه در جو صعود کنیم ، فشار و چگالی هوا نیز کم می شود . با 2 برابر شدن ارتفاع هوا تقریبا نصف می شود . البته دما به صورت تابعی از ارتفاع عمل نمی کند . دنیای علم همواره سعی کرده ویژگی های مختلف جو زمین را در لایه های مختلف ، به صورت یک مدل ریاضی قابل اتکا ارائه دهد . این تلاش در دهه های اخیر و به ویژه با داده برداری از راه ماهواره های هواشناسی و مطالعات جوی تا حدود زیادی موفق بوده است . امروزه چندین نرم افزار برای مدل کردن جو وجود دارد و محققان همواره درصدد کامل تر و دقیق تر کردن مدل های ریاضی جو هستند . ساده ترین مدل ریاضی از جو را می توان در قالب جداول جو استاندارد در ضمیمه های کتاب های مکانیک سیالات یا ایرودینامیک جستجو کرد .

ادامه دارد...

گرداوری و تالیف : اقای امیر برکاتی .
منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 79

[Joseph Goebbels]

برخی ویژگی های مهم جو زمین :
اجرام اسمانی که در مسیر برخورد با زمین قرار می گیرند ، در اثر سرعت بسیار بالا و برخورد با جو زمین مقدار بسیار زیادی گرم می شوند ( تا چندین هزار درجه سانتی گراد ) و بنابراین معمولا منهدم شده یا مقدار بسیار کم و بی اثری از انها به سطح زمین می رسد . از همین پدیده برای از بیم بردن ماهواره ها و فضاپیماهایی که عمر مفید عملیاتی انها به سر امده باشد نیز استفاده می شود . راندن ایستگاه فضایی میر به داخل جو و در نتیجه از بین رفتن بسیاری از قسمت های ان ، یکی از نمونه های این مورد است . البته همین پدیده مفید ، بشر را در بازگرداندن فضاپیماهای خود به زمین دچار مشکلات فراوانی کرده است . بازگشت فضاپیماها به زمین یکی از پیچیده ترین و حساس ترین قسمت های یک ماموریت فضایی بازگشت پذیر سرنشین دار است ؛ به ویژه اگر وسیله فضایی قابل استفاده مجدد باشد . مدیران ، مهندسان و فضانوردان ناسا در هنگام بازگشت شاتل فضایی به جو ، یعنی جایی که شاتل به ارتفاع حدودا 120 کیلومتری سطح زمین می رسید ، لحظات بسیار دلهره اوری را تجربه می کردند . هوا به هر جسمی که در داخلش به حرکت دراید ، نیروی بازدارنده یا پسگرایی به نام " پسا " وارد می کند و بنابراین جسم تحت اثر دو نیروی گرانشی و آیرودینامیکی حرکت می کند .
اگر این نیرو وجود نداشت ، اجسام حتی در مجاورت سطح زمین نیز فقط تحت اثر نیروی گرانشی حرکت می کردند . بنابراین می توان حدس زد که در صورت عدم وجود جو در اطراف کره زمین ، اگر در کنار دریا سنگی را با زاویه و سرعت اولیه مناسب پرتاب می کردیم ، این سنگ درست مثل یک ماهواره در مداری حول کره زمین و مثلا به ارتفاع چند متر از سطح دایمی پرواز می کرد . بنابراین می توان به این سوال پاسخ داد که چرا ماهواره ها برای گردش به دور زمین باید از جو فاصله بگیرند . ماهواره ها و ایستگاه های زمینی که در ارتفاعات نسبتا پایین ( 250 تا 10000 کیلومتر ) پرواز می کنند ، اگرچه با تعداد بسیار اندکی از مولکول های هوا برخورد دارند ؛ اما همین هم باعث می شود همواره مقداری از ارتفاع خود را از دست بدهند . ماهواره ها برای جبران این کاهش ارتفاع باید از پیشرانه های خاصی استفاده کند.


هوا بر روی امواج الکترومغناطیسی ، نوعی اثر میراکنندگی دارد که اصطلاحا تضعیف جوی نامیده می شود . این مسئله باید در طراحی توان و فرکانس ارتباطات فضایی – ماهواره ای مورد توجه قرار گیرد .


در قران کریم نیز اشارات بسیار زیادی به جو زمین و اثار و ویژگی های ان شده است که خود می تواند مبدا تحقیقات و مقالات بسیار وسیعی در این زمینه باشد .


گرداوری و تالیف : اقای امیر برکاتی .
منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 79