الفلك

ما الذي يميز طبقة الغلاف الجوي عن الأخرى؟

ما الذي يميز طبقة الغلاف الجوي عن الأخرى؟

يوصف الغلاف الجوي لجسم كوكبي (بافتراض أن له غلافًا جويًا) بأنه مكون من طبقات متميزة.

على سبيل المثال ، تمتلك الأرض وزحل والمشتري طبقة الستراتوسفير وطبقة التروبوسفير.

ما الذي يحدد أين تتوقف طبقة وتبدأ طبقة أخرى؟


ما الذي يحدد أين تتوقف طبقة وتبدأ طبقة أخرى؟

درجة حرارة. وبشكل أكثر تحديدًا ، هو ما إذا كانت درجة الحرارة ترتفع أو تنخفض مع زيادة الارتفاع.

في طبقة التروبوسفير ، تنخفض درجة الحرارة بشكل عام مع زيادة الارتفاع ، بمعدل متوسط ​​يبلغ 6.4 درجة مئوية / كم (معدل الزوال البيئي). يتوقف هذا الانخفاض عند التروبوبوز ، الحد الفاصل بين طبقة التروبوسفير والستراتوسفير. طبقة الأوزون موجودة في الستراتوسفير ، مما يجعل درجات الحرارة في الستراتوسفير تزداد مع زيادة الارتفاع. في حين أن هذه الحدود غامضة بعض الشيء ، إلا أنها لا تزال حقيقية للغاية. يتطلب الأمر عاصفة رعدية قوية بشكل لا يصدق (فكر في الأعاصير والعواصف القوية بما يكفي لتفرخ الأعاصير والعواصف الطويلة جدًا والقوية في منطقة التقارب بين المدارية) لاختراق تلك الحدود.

تتوقف درجات الحرارة في الستراتوسفير عن الارتفاع عند طبقة الستراتوبوز ، وهي الحدود الضبابية للغاية بين الستراتوسفير والميزوسفير. مثل طبقة التروبوسفير ، تنخفض درجات الحرارة في الغلاف الجوي (وتنخفض بشكل حاد للغاية) مع زيادة الارتفاع. تجعل الديناميكا الحرارية الحدود بين الستراتوسفير والميزوسفير مختلفة تمامًا (وليست بنفس الوضوح تقريبًا) مثل الحدود بين طبقة التروبوسفير والغلاف الجوي.

تتشابه الحدود بين طبقة الميزوسفير والغلاف الحراري مع الحد الفاصل بين طبقة التروبوسفير والستراتوسفير. ترتفع درجات الحرارة مع زيادة الارتفاع في الغلاف الحراري. هذا التغيير من درجات الحرارة المنخفضة في الغلاف الجوي إلى ارتفاع درجات الحرارة في الغلاف الحراري يجعل الحدود مستقرة إلى حد ما.

يحدث شيء آخر بالقرب من تلك الحدود بين طبقة الميزوسفير والغلاف الحراري. تمتزج الغازات طويلة العمر جيدًا إلى حد ما في طبقة التروبوسفير والستراتوسفير والميزوسفير بفضل الاضطرابات. تعمل الغازات الموجودة في الغلاف الحراري والغلاف الخارجي مثل مجموعة من الجسيمات الفردية بدلاً من الغازات. على عكس الطبقات الكثيفة أدناه ، يتم تمييز الغازات في الغلاف الحراري والغلاف الخارجي. يميل الماكياج نحو جزيئات أخف وأخف وزنا (مثل الهيليوم والهيدروجين) مع زيادة الارتفاع. في النهاية ، كل ما وجده المرء هو الهيدروجين والهيليوم. هذه هي الغازات التي تخرج من الغلاف الجوي.


الفكرة الإشكالية هنا هي الطبقات "المتميزة" ، تلك الطبقات غير موجودة فعليًا. الغلاف الجوي للأرض هو سلسلة متصلة ، مثل أي غلاف جوي.

ينبع هذا من قانون الضغط الهيدروستاتيكي $ nabla P = - g rho $ ، والذي يعطي مع قانون الغاز المثالي كثافة. هنا P هو الضغط ، $ rho $ هو كثافة الكتلة المحلية ، g هو تسارع الجاذبية المحلي ، $ k_B $ ثابت بولتزمان و $ T $ درجة الحرارة.

ومع ذلك ، هناك بعض المحاذير بشأن "الطبقات" كوسيلة لوصف الغلاف الجوي:

  • ان طبقة الانقلاب يمكن أن تكون طبقة مميزة حيث تنخفض درجة الحرارة مع الارتفاع. وهكذا تزداد درجة الحرارة قليلاً ، ثم تنخفض مرة أخرى. لذلك ستكون هناك نقطتان بالضبط حيث تكون الزيادة في درجة الحرارة صفرًا. وبين هاتين النقطتين ، يكون تعريف الطبقة المتميزة منطقيًا.
  • وبطريقة مماثلة ، فإن درجة حرارة الغلاف الجوي بأكملها على نطاق عالمي لها اعتماد مضحك على الارتفاع (انظر على سبيل المثال هنا). مرة أخرى ، يمكن للمرء تحديد الطبقات بين النقاط التي يحدث فيها شيء مثير للاهتمام في ملف تعريف T. هذا هو المكان الذي ينبع منه التوصيف في التروبوسفير والستراتوسفير وما إلى ذلك.

يمكننا الآن اختيار متغيرات أخرى غير درجة الحرارة لتمييز الغلاف الجوي. مثل حالة التأين ، حالة الخليط ، الحركات الديناميكية ، التركيب الكيميائي ثم تحديد الطبقات التي تكون منطقية فقط عند الحديث عن هذا المتغير المحدد.

تلخيص: يمكن تعريف الطبقات ، حتى أنها ذات مغزى ماديًا ، ولكن فقط في سياق متغير معين.


يتم تعريف الستراتوسفير والتروبوسفير من خلال التباين في درجة الحرارة مع الارتفاع.

داخل طبقة التروبوسفير ، تنخفض درجة الحرارة مع زيادة الارتفاع ، وتنخفض بسرعة كافية لحدوث الحمل الحراري. بينما داخل طبقة الستراتوسفير ، ترتفع درجة الحرارة مع زيادة الارتفاع. نظرًا لأن الحمل الحراري يتطلب أن معدل تبريد درجة الحرارة مع الارتفاع ("معدل الزوال") يتجاوز المعدل الذي يبرد به الغاز بسبب انخفاض الضغط ، فسيكون الغلاف الجوي مستقرًا في الستراتوسفير. تروبوس يعني "تحول" و ستراتوس يعني الطبقات. تتم تدفئة طبقة الستراتوسفير من خلال امتصاص الأشعة الشمسية ، وخاصة الأشعة فوق البنفسجية (في طبقة الأوزون) ، بينما يتم تدفئة طبقة التروبوسفير في الغالب من الأرض ، أو في حالة كوكب المشتري ، من الحرارة الداخلية للمشتري.

والنتيجة هي أن الغلاف الجوي في طبقة التروبوسفير سيكون مختلطًا جيدًا ، وستتشكل السحب ، بينما في الستراتوسفير سيكون هناك اختلاط أقل وسحب أقل بكثير.

في كوكب المشتري يحدث التروبوبوز (نقطة أدنى درجة حرارة) عند ضغط حوالي 0.1 بار. (مصدر)


العلم أصبح بسيطًا: الأرض والجو العلوي # 8217s

الائتمان: NASA / Noctilucent Clouds ، صورة Jan Erik Paulsen Barrel ، NASA / NSF.

يتكون الغلاف الجوي للأرض من أربع طبقات أساسية: طبقة التروبوسفير والستراتوسفير والميزوسفير والغلاف الحراري. تحمي هذه الطبقات كوكبنا من خلال امتصاص الإشعاع الضار.

ثيرموسفير 53-375 ميلا & # 8211 في الغلاف الحراري ، يتم قصف جزيئات الأكسجين والنيتروجين بالإشعاع والجزيئات النشطة من الشمس ، مما يتسبب في انقسام الجزيئات إلى ذرات مكونة وخلق الحرارة. يزداد الغلاف الحراري في درجة الحرارة مع الارتفاع لأن الأكسجين الذري والنيتروجين لا يستطيعان إشعاع الحرارة من هذا الامتصاص.

الميزوسفير 31–53 Miles & # 8211 تعد دراسة الغلاف الجوي أمرًا ضروريًا لفهم التغيرات طويلة المدى في الغلاف الجوي للأرض وكيفية تأثير هذه التغييرات على المناخ. نظرًا لأن طبقة الميزوسفير تستجيب للتغيرات الصغيرة في كيمياء الغلاف الجوي وتكوينه ، فقد توفر أدلة للعلماء ، مثل كيف يمكن أن تسهم غازات الدفيئة المضافة في تغيير درجة الحرارة أو تكوين الماء في الغلاف الجوي.

الستراتوسفير 10-31 ميل & # 8211 تقع طبقة الأوزون داخل الستراتوسفير وتمتص الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس.

تروبوسفير 0-10 أميال & # 8211 التروبوسفير هي طبقة من الغلاف الجوي للأرض & # 8217s حيث يحدث كل النشاط البشري.

الأيونوسفير & # 8211 الأيونوسفير عبارة عن طبقة من البلازما تتكون من تأين الأكسجين الذري والنيتروجين عن طريق الأشعة فوق البنفسجية والأشعة الشمسية ذات الطاقة العالية. يمتد الغلاف الأيوني من منتصف الغلاف الجوي حتى الغلاف المغناطيسي. تدور هذه الطبقة يوميًا حيث يتسبب التعرض النهاري للإشعاع الشمسي في تأين الذرات التي يمكن أن تمتد إلى الأسفل حتى الغلاف الجوي. ومع ذلك ، لا تزال طبقات الغلاف الجوي العليا هذه محايدة في الغالب ، حيث يتم شحن جسيم واحد فقط من كل مليون جسيم يوميًا. في الليل ، ينهار الغلاف الأيوني في الغالب حيث يتوقف إشعاع الشمس عن التفاعل مع الذرات في الغلاف الحراري. لا تزال هناك كميات صغيرة من الذرات المشحونة بسبب الإشعاع الكوني.

الاتصالات & # 8211 من الخصائص الفريدة للغلاف الأيوني أنه يمكن أن ينكسر موجات الراديو ذات الموجات القصيرة ، مما يتيح الاتصال عبر مسافات بعيدة عن طريق & # 8220 كذاب & # 8221 الإشارات من هذه الطبقة المؤينة في الغلاف الجوي. يمكن أن يؤدي تقلب طبقة الأيونوسفير إلى مقاطعة الاتصالات الساتلية ، مثل الأخطاء في إشارات GPS للملاحة الجوية التجارية. أثناء العواصف الشمسية ، يمكن لهذه الطبقة أن تقطع الاتصال بين المحطات الأرضية والأقمار الصناعية.

الصواريخ والبالونات والأقمار الصناعية & # 8211 علماء ناسا يستخدمون البالونات لجمع القياسات في الموقع في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، فإن الغلاف الجوي والغلاف الحراري مرتفع جدًا بحيث لا يمكن الوصول إلى البالونات ، لذلك يستخدم العلماء أدوات على صواريخ السبر والأقمار الصناعية لجمع المزيد من القياسات التفصيلية للغلاف الجوي العلوي.

الغيوم الليلية المضيئة في منطقة الميزوسفير & # 8211 وقد لوحظت أدلة على التغيير في سلوك الغيوم الليلية من قبل بعثة AIM. تُظهر البيانات الحديثة محتوى جليديًا منخفضًا بشكل كبير ، مما دفع العلماء إلى التكهن بالتغيرات في الظروف الجوية ودوران الغلاف الجوي من القطب إلى القطب.

علم الطيران للجليد في منطقة الميزوسفير (AIM) & # 8211 NASA & # 8217s القمر الصناعي AIM يمكنه استشعار الغيوم الساطعة ليلاً في الغلاف الجوي. تتكون هذه الغيوم الليلية المضيئة من بلورات الجليد التي تتكون فوق أقطاب الصيف على ارتفاع عالٍ جدًا ودرجة حرارة شديدة البرودة بالنسبة لسحب بخار الماء.

برميل & # 8211 The Balloon Array for Radiation-belt Relativistic Electron Losses (BARREL) هي مهمة تعتمد على البالون لزيادة قياسات مركبة ناسا الفضائية RBSP # 8217s. تسعى BARREL إلى قياس ترسب الإلكترونات النسبية من أحزمة الإشعاع خلال حملتين متعدد البالونات تم تشغيلهما في نصف الكرة الجنوبي.


الغازات في الغلاف الجوي للأرض

يعتبر النيتروجين والأكسجين أكثر أنواع الهواء الجاف شيوعًا ويتكون من حوالي 78٪ نيتروجين (N2) وحوالي 21٪ أكسجين (O2). الأرجون وثاني أكسيد الكربون (CO2) ، والعديد من الغازات الأخرى موجودة أيضًا بكميات أقل بكثير كل منها يشكل أقل من 1٪ من خليط الغازات في الغلاف الجوي. يشمل الغلاف الجوي أيضًا بخار الماء. تختلف كمية بخار الماء الموجودة كثيرًا ، ولكن في المتوسط ​​حوالي 1٪. هناك أيضًا العديد من الجسيمات الصغيرة - المواد الصلبة والسائلة - "العائمة" في الغلاف الجوي. تشمل هذه الجسيمات ، التي يسميها العلماء "الهباء" ، الغبار والجراثيم وحبوب اللقاح والملح من رذاذ البحر والرماد البركاني والدخان وغير ذلك.


2. الستراتوسفير

إذا بدأنا من أعلى طبقة التروبوسفير وانتقلنا إلى السماء ، فإننا نصل إلى الطبقة المعروفة باسم الستراتوسفير.

إذا بدأنا من أعلى طبقة التروبوسفير وانتقلنا إلى السماء ، فإننا نصل إلى الطبقة المعروفة باسم الستراتوسفير. ترتفع هذه الطبقة حوالي 50 كم فوق سطح الأرض. في هذه الطبقة ، ترتفع درجة الحرارة كلما تقدمت أكثر ، ولها علاقة بطبقة الأوزون الموجودة داخل الستراتوسفير.

تلعب طبقة الأوزون دورًا حيويًا في حماية كوكبنا ، حيث تمنع جزيئات الأوزون الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس من الوصول إلى كوكبنا دون توقف. لم يتم إيقاف ضوء الأشعة فوق البنفسجية تقنيًا ، ولكن يحدث التحويل من ضوء الأشعة فوق البنفسجية إلى حرارة (وهذا هو سبب خطورة الثقوب في طبقة الأوزون).


الطقس والمناخ

الشكل 2. عاصفة من الفضاء: تُظهر صورة القمر الصناعي هذه إعصار إيرين في عام 2011 ، قبل وقت قصير من وصول العاصفة إلى اليابسة في مدينة نيويورك. يمكن أن يؤدي الجمع بين محور دوران الأرض المائل والدوران السريع إلى حد ما ومحيطات الماء السائل إلى طقس عنيف على كوكبنا. (الائتمان: مشروع NASA / NOAA GOES)

جميع الكواكب ذات الغلاف الجوي لها الجووهو الاسم الذي نطلقه على دوران الغلاف الجوي. الطاقة التي تغذي الطقس مشتقة بشكل أساسي من ضوء الشمس الذي يسخن السطح. يتسبب كل من دوران الكوكب والتغيرات الموسمية الأبطأ في حدوث تغيرات في كمية ضوء الشمس الذي يصيب أجزاء مختلفة من الأرض. يعيد الغلاف الجوي والمحيطات توزيع الحرارة من المناطق الأكثر دفئًا إلى المناطق الأكثر برودة. يمثل الطقس على أي كوكب استجابة غلافه الجوي لتغير مدخلات الطاقة من الشمس (انظر الشكل 2 للحصول على مثال مثير).

مناخ هو مصطلح يستخدم للإشارة إلى تأثيرات الغلاف الجوي التي استمرت لعقود وقرون. غالبًا ما يصعب اكتشاف التغيرات في المناخ (على عكس الاختلافات العشوائية في الطقس من سنة إلى أخرى) خلال فترات زمنية قصيرة ، ولكن مع تراكمها ، يمكن أن يكون تأثيرها مدمرًا. أحد المقولات هو أن & # 8220Climate هو ما تتوقعه ، والطقس هو ما تحصل عليه. & # 8221 الزراعة الحديثة حساسة بشكل خاص لدرجة الحرارة وهطول الأمطار على سبيل المثال ، تشير الحسابات إلى أن انخفاض 2 درجة مئوية فقط طوال موسم النمو سيقلل إنتاج القمح بمقدار النصف في كندا والولايات المتحدة. من ناحية أخرى ، ستكون الزيادة بمقدار درجتين مئويتين في متوسط ​​درجة حرارة الأرض كافية لإذابة العديد من الأنهار الجليدية ، بما في ذلك الكثير من الغطاء الجليدي في جرينلاند ، ورفع مستوى سطح البحر بما يصل إلى 10 أمتار ، وإغراق العديد من المدن الساحلية والموانئ ، ووضع الجزر الصغيرة تحت الماء بالكامل.

أفضل التغييرات الموثقة في مناخ الأرض هي العصور الجليدية الكبرى ، والتي أدت إلى خفض درجة حرارة نصف الكرة الشمالي بشكل دوري على مدى نصف مليون سنة الماضية أو نحو ذلك (الشكل 3). استمر العصر الجليدي الأخير ، الذي انتهى قبل حوالي 14000 عام ، حوالي 20000 عام. في أوجها ، كانت سماكة الجليد تقارب 2 كيلومتر فوق بوسطن وامتدت جنوباً حتى مدينة نيويورك.

الشكل 3. العصر الجليدي: تُظهر هذه الصورة التي تم إنشاؤها بواسطة الكمبيوتر المناطق المتجمدة في نصف الكرة الشمالي خلال العصور الجليدية الماضية من وجهة النظر إلى الأسفل على القطب الشمالي. تشير المنطقة باللون الأسود إلى أحدث ظاهرة جليدية (تغطية بالأنهار الجليدية) ، وتُظهر المنطقة باللون الرمادي الحد الأقصى لمستوى التجلد الذي تم الوصول إليه على الإطلاق. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة Hannes Grobe / AWI)

كانت هذه العصور الجليدية في المقام الأول نتيجة للتغيرات في ميل محور دوران الأرض ، والتي نتجت عن تأثيرات الجاذبية للكواكب الأخرى. نحن أقل يقينًا بشأن الأدلة على أنه مرة واحدة على الأقل (وربما مرتين) منذ حوالي مليار سنة ، تجمد المحيط بأكمله ، وهو وضع يسمى كرة الثلج أرض.

أدى تطور وتطور الحياة على الأرض أيضًا إلى تغييرات في تكوين ودرجة حرارة الغلاف الجوي لكوكبنا ، كما سنرى في القسم التالي.

المفاهيم الأساسية والملخص

الضغط السطحي للغلاف الجوي هو 1 بار ويتكون بشكل أساسي من N2 و O2، بالإضافة إلى الغازات النزرة المهمة مثل H2O ، CO2، و O3. يتكون هيكلها من طبقة التروبوسفير والستراتوسفير والميزوسفير والأيونوسفير. يؤثر تغيير تكوين الغلاف الجوي أيضًا على درجة الحرارة. يكون دوران الغلاف الجوي (الطقس) مدفوعًا بترسب ضوء الشمس المتغير موسمياً. ترتبط العديد من التغيرات المناخية طويلة المدى ، مثل العصور الجليدية ، بالتغيرات في مدار الكوكب والميل المحوري.


يمكن تقسيم الغلاف الجوي إلى طبقات بناءً على درجة حرارته كما هو موضح في الشكل أدناه. هذه الطبقات هي طبقة التروبوسفير ، والستراتوسفير ، والميزوسفير ، والغلاف الحراري. منطقة أخرى تبدأ بحوالي 500 كيلومتر فوق سطح الأرض تسمى الغلاف الخارجي.

التروبوسفير

هذا هو الجزء الأدنى من الغلاف الجوي - الجزء الذي نعيش فيه. ويحتوي على معظم طقسنا - السحب والأمطار والثلج. في هذا الجزء من الغلاف الجوي ، تصبح درجة الحرارة أكثر برودة مع زيادة المسافة فوق الأرض ، بنحو 6.5 درجة مئوية لكل كيلومتر. يختلف التغيير الفعلي لدرجة الحرارة مع الارتفاع من يوم لآخر ، حسب الطقس.

تحتوي طبقة التروبوسفير على حوالي 75٪ من كل الهواء الموجود في الغلاف الجوي ، وتقريبًا كل بخار الماء (الذي يشكل السحب والأمطار). الانخفاض في درجة الحرارة مع الارتفاع هو نتيجة لانخفاض الضغط. إذا تحرك جزء من الهواء لأعلى فإنه يتمدد (بسبب الضغط المنخفض). عندما يتمدد الهواء يبرد. لذا فإن الهواء الأعلى يكون أبرد من الهواء في الأسفل.

يسمى الجزء السفلي من طبقة التروبوسفير بالطبقة الحدودية. هذا هو المكان الذي يتم فيه تحديد حركة الهواء من خلال خصائص سطح الأرض. ينتج الاضطراب عندما تهب الرياح على سطح الأرض ، وتتصاعد الحرارة من الأرض مع تسخينها بواسطة الشمس. يعيد هذا الاضطراب توزيع الحرارة والرطوبة داخل الطبقة الحدودية ، بالإضافة إلى الملوثات والمكونات الأخرى للغلاف الجوي.

يسمى الجزء العلوي من طبقة التروبوسفير بالتروبوبوز. هذا هو الأدنى عند القطبين ، حيث يقع على ارتفاع حوالي 7-10 كيلومترات فوق سطح الأرض. أعلاها (حوالي 17-18 كم) بالقرب من خط الاستواء.

الستراتوسفير

يمتد هذا صعودًا من التروبوبوز إلى حوالي 50 كم. يحتوي على الكثير من الأوزون في الغلاف الجوي. تحدث الزيادة في درجة الحرارة مع الارتفاع بسبب امتصاص هذا الأوزون للأشعة فوق البنفسجية من الشمس. درجات الحرارة في الستراتوسفير هي الأعلى فوق القطب الصيفي ، والأدنى فوق القطب الشتوي.

من خلال امتصاص الأشعة فوق البنفسجية الخطرة ، يحمينا الأوزون الموجود في الستراتوسفير من سرطان الجلد والأضرار الصحية الأخرى. ومع ذلك ، فإن المواد الكيميائية (التي تسمى مركبات الكربون الكلورية فلورية أو الفريونات والهالونات) التي كانت تستخدم في السابق في الثلاجات وعلب الرش وطفايات الحريق قد قللت من كمية الأوزون في الستراتوسفير ، ولا سيما عند خطوط العرض القطبية ، مما أدى إلى ما يسمى "ثقب الأوزون في القطب الجنوبي".

الآن توقف البشر عن إنتاج معظم مركبات الكربون الكلورية فلورية الضارة التي نتوقع أن يتعافى ثقب الأوزون في نهاية المطاف خلال القرن الحادي والعشرين ، لكن هذه عملية بطيئة.

الميزوسفير

تسمى المنطقة الواقعة فوق الستراتوسفير بالميزوسفير. هنا تنخفض درجة الحرارة مرة أخرى مع الارتفاع ، لتصل إلى ما لا يقل عن -90 درجة مئوية عند "سن اليأس".

الغلاف الجوي والأيونوسفير

يقع الغلاف الحراري فوق منطقة الميزوبوز ، وهي منطقة ترتفع فيها درجات الحرارة مرة أخرى مع الارتفاع. هذه الزيادة في درجة الحرارة ناتجة عن امتصاص الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية النشطة من الشمس.

تتسبب منطقة الغلاف الجوي التي تزيد عن 80 كم أيضًا في "الأيونوسفير" ، لأن الإشعاع الشمسي النشط يقطع الإلكترونات عن الجزيئات والذرات ، ويحولها إلى "أيونات" بشحنة موجبة. تختلف درجة حرارة الغلاف الحراري بين الليل والنهار وبين الفصول ، وكذلك تختلف أعداد الأيونات والإلكترونات الموجودة. يعكس الغلاف المتأين موجات الراديو ويمتصها ، مما يسمح لنا باستقبال البث الإذاعي على الموجات القصيرة في نيوزيلندا من أجزاء أخرى من العالم.

إكزوسفير

المنطقة التي يزيد ارتفاعها عن 500 كيلومتر تسمى الغلاف الخارجي. تحتوي بشكل أساسي على ذرات الأكسجين والهيدروجين ، ولكن هناك القليل جدًا منها بحيث نادرًا ما تصطدم - فهي تتبع مسارات "باليستية" تحت تأثير الجاذبية ، وبعضها يهرب مباشرة إلى الفضاء.

الغلاف المغناطيسي

تتصرف الأرض كمغناطيس ضخم. إنها تحبس الإلكترونات (الشحنة السالبة) والبروتونات (الموجبة) ، وتركزها في نطاقين على ارتفاع 3000 و 16000 كيلومتر فوق الكرة الأرضية - أحزمة Van Allen "الإشعاعية". تسمى هذه المنطقة الخارجية المحيطة بالأرض ، حيث تدور الجسيمات المشحونة على طول خطوط المجال المغناطيسي ، بالغلاف المغناطيسي.


شرح: غلافنا الجوي - طبقة بعد طبقة

منظر لغيوم الأرض وبقية الغلاف الجوي مأخوذ من ارتفاع يزيد عن 30000 قدم. غير مرئية في مثل هذه الصور هي طبقات الغلاف الجوي العديدة وكيف تختلف معالمها عند وصولها إلى الفضاء الخارجي.

شارك هذا:

1 ديسمبر 2020 الساعة 6:30 صباحًا

الغلاف الجوي للأرض يحيط بنا في كل مكان. معظم الناس يعتبرونه أمرا مفروغا منه. لكن لا تفعل. من بين أمور أخرى ، فهو يحمينا من الإشعاع ويمنع مياهنا الثمينة من التبخر في الفضاء. إنه يحافظ على كوكب الأرض دافئًا ويزودنا بالأكسجين للتنفس. في الواقع ، يجعل الغلاف الجوي الأرض مكانًا مناسبًا للعيش ومحلًا محبوبًا للمنزل الجميل.

يمتد الغلاف الجوي من سطح الأرض إلى أكثر من 10000 كيلومتر (6200 ميل) فوق الكوكب. تلك الـ 10000 كيلومتر مقسمة إلى خمس طبقات متميزة. من الطبقة السفلية إلى الأعلى ، يكون للهواء في كل منها نفس التكوين. لكن كلما تقدمت إلى مستوى أعلى ، كلما تباعدت جزيئات الهواء هذه.

هل أنت جاهز للوصول إلى السماء؟ إليك نظرة عامة ، طبقة تلو الأخرى:

تروبوسفير: طول سطح الأرض ما بين 8 و 14 كيلومترًا (5 و 9 أميال)

انطلق ، ألصق رأسك مباشرة في طبقة التروبوسفير (TROH-poh-sfear). تبدأ هذه الطبقة الدنيا من الغلاف الجوي عند الأرض وتمتد 14 كيلومترًا (9 أميال) عند خط الاستواء. هذا هو المكان الأكثر سمكا. إنه أنحف فوق القطبين ، فقط 8 كيلومترات (5 أميال) أو نحو ذلك. تحتوي طبقة التروبوسفير على كل بخار الماء على الأرض تقريبًا. إنه المكان الذي تسير فيه معظم السحب مع الرياح ويحدث الطقس. يدور بخار الماء والهواء باستمرار في التيارات الحرارية المضطربة. ليس من المستغرب أن طبقة التروبوسفير هي أيضًا الطبقة الأكثر كثافة. يحتوي على ما يصل إلى 80 في المائة من كتلة الغلاف الجوي بأكمله. كلما تقدمت في هذه الطبقة ، كلما أصبحت أكثر برودة. هل تريد ثلجًا في الصيف؟ توجه إلى حيث يستحم التروبوسفير العلوي أعلى القمم. تُعرف الحدود بين طبقة التروبوسفير والطبقة التالية باسم التروبوبوز.

المعلمين وأولياء الأمور ، اشترك في ورقة الغش

تحديثات أسبوعية لمساعدتك في الاستخدام أخبار العلوم للطلاب في بيئة التعلم

الستراتوسفير: من 14 إلى 64 كم (9 إلى 31 ميلاً)

على عكس طبقة التروبوسفير ، تزداد درجات الحرارة في هذه الطبقة مع الارتفاع. طبقة الستراتوسفير جافة جدًا ، لذلك نادرًا ما تتشكل السحب هنا. كما أنه يحتوي على معظم جزيئات الأوزون الموجودة في الغلاف الجوي ، وهي جزيئات ثلاثية مكونة من ثلاث ذرات أكسجين. عند هذا الارتفاع ، يحمي الأوزون الحياة على الأرض من أشعة الشمس فوق البنفسجية الضارة. إنها طبقة مستقرة جدًا ، مع القليل من الدورة الدموية. لهذا السبب ، تميل شركات الطيران التجارية إلى الطيران في الجزء السفلي من الستراتوسفير للحفاظ على سلاسة الرحلات الجوية. هذا النقص في الحركة العمودية يفسر أيضًا سبب ميل الأشياء التي تدخل في الستراتوسفير إلى البقاء هناك لفترة طويلة. قد تشمل هذه "الأشياء" جزيئات الهباء الجوي التي انطلقت باتجاه السماء بفعل الانفجارات البركانية ، وحتى الدخان الناتج عن حرائق الغابات. تحتوي هذه الطبقة أيضًا على ملوثات متراكمة ، مثل مركبات الكربون الكلورية فلورية (Klor-oh-FLOR-oh-kar-buns). هذه المواد الكيميائية المعروفة باسم مركبات الكربون الكلورية فلورية ، يمكنها تدمير طبقة الأوزون الواقية ، مما يؤدي إلى ترققها إلى حد كبير. عند قمة الستراتوسفير ، التي تسمى الستراتوبوز ، يكون الهواء كثافته لا تزيد عن جزء من الألف من كثافة سطح الأرض.

في هذه الصورة المأخوذة من محطة الفضاء الدولية ، تظهر الطبقة السفلى من الغلاف الجوي - طبقة التروبوسفير - باللون البرتقالي. أعلاه باللون الأزرق هو الجزء السفلي من الستراتوسفير. ناسا

الميزوسفير: 64 إلى 85 كم (31 إلى 53 ميلاً)

لا يعرف العلماء الكثير عن هذه الطبقة. من الصعب الدراسة فقط. الطائرات ومناطيد البحث لا تعمل بهذا الارتفاع والأقمار الصناعية تدور حول أعلى. نحن نعلم أن الميزوسفير (MAY-so-sfere) هو المكان الذي تحترق فيه معظم النيازك بشكل غير ضار أثناء اندفاعها نحو الأرض. بالقرب من قمة هذه الطبقة ، تنخفض درجات الحرارة إلى أدنى مستوياتها في الغلاف الجوي للأرض - حوالي -90 درجة مئوية (-130 درجة فهرنهايت). يُطلق على الخط الذي يشير إلى الجزء العلوي من الغلاف الجوي ، كما خمنت ، اسم الميزوبوس. إذا سافرت إلى هذا الحد ، فتهانينا! أنت رسميًا مسافر فضائي - ويعرف أيضًا باسم رائد فضاء - وفقًا لسلاح الجو الأمريكي.

يُعرف الميزوبوس أيضًا باسم خط كرمان. سميت باسم الفيزيائي المجري المولد ثيودور فون كارمان. كان يتطلع إلى تحديد الحافة السفلية لما يمكن أن يشكل الفضاء الخارجي. قام بإعداده على ارتفاع حوالي 80 كيلومترًا (50 ميلاً). قبلت بعض الوكالات التابعة للحكومة الأمريكية ذلك باعتباره تحديدًا للمكان الذي يبدأ منه الفضاء. وتقول وكالات أخرى إن هذا الخط الوهمي أعلى قليلاً: 100 كيلومتر (62 ميلاً).

الأيونوسفير هو منطقة من الجسيمات المشحونة التي تمتد من طبقة الستراتوسفير العليا أو الطبقة الوسطى من الغلاف الجوي على طول الطريق إلى الغلاف الخارجي. الأيونوسفير قادر على عكس موجات الراديو مما يسمح بالاتصالات اللاسلكية.

صورة متتابعة للأرض تظهر الغلاف الجوي ، من محطة الفضاء الدولية ناسا

الغلاف الجوي: 85 إلى 600 كم (53 إلى 372 ميلاً)

الطبقة التالية هي الغلاف الحراري. يمتص الأشعة السينية والطاقة فوق البنفسجية من الشمس ، مما يحمي منا على الأرض من هذه الأشعة الضارة. كما أن الصعود والهبوط في تلك الطاقة الشمسية يجعل الغلاف الحراري يتغير بشكل كبير في درجة الحرارة. يمكن أن ينتقل من بارد جدًا إلى حار مثل حوالي 1،980 درجة مئوية (3600 درجة فهرنهايت) بالقرب من القمة. يتسبب ناتج الطاقة المتغير للشمس أيضًا في تمدد سماكة هذه الطبقة أثناء تسخينها وتقلصها أثناء تبريدها. مع كل الجسيمات المشحونة ، يعد الغلاف الحراري أيضًا موطنًا لعروض الضوء السماوية الجميلة المعروفة باسم الشفق. تسمى الحدود العليا لهذه الطبقة بالانقطاع الحراري.

الغلاف الخارجي: 600 إلى 10000 كم (372 إلى 6200 ميل)

تسمى الطبقة العلوية من الغلاف الجوي للأرض الغلاف الخارجي. تُعرف حدودها الدنيا باسم exobase. الغلاف الخارجي ليس له قمة محددة بدقة. بدلاً من ذلك ، يتلاشى أكثر في الفضاء. جزيئات الهواء في هذا الجزء من غلافنا الجوي متباعدة جدًا لدرجة أنها نادراً ما تصطدم ببعضها البعض. لا تزال جاذبية الأرض تتمتع بجاذبية قليلة هنا ، ولكنها كافية للحفاظ على معظم جزيئات الهواء المتناثرة من الانجراف بعيدًا. ومع ذلك ، فإن بعض جزيئات الهواء - أجزاء صغيرة من غلافنا الجوي - تطفو بعيدًا ، وتضيع على الأرض إلى الأبد.

مع صعوده نحو الفضاء ، يتغير الغلاف الجوي للأرض في كثافته وأكثر من ذلك بكثير. يمكن أن يختلف عمق كل طبقة حسب اليوم وخط العرض ويتم تصويرها هنا بشكل فني (غير مرسوم على نطاق واسع). VectorMine / إستوك / جيتي إيماجيس

حقائق ممتعة

  • يمكن أن تنتشر موجات الصدمة من الزلازل والانفجارات البركانية والانفجارات على سطح الأرض عبر الغلاف الجوي.
  • تدور محطة الفضاء الدولية حول الأرض على ارتفاع متوسط ​​يبلغ حوالي 400 كيلومتر (250 ميل). هذا داخل الغلاف الحراري. تعمل الأقمار الصناعية أيضًا في هذه المنطقة وما فوقها في الغلاف الخارجي.
  • يمتلئ الغلاف الحراري بالحطام من صنع الإنسان ، مثل الأقمار الصناعية القديمة وقطع الصواريخ. كل عام ، تؤدي الاصطدامات بين هذه العناصر إلى مزيد من الحطام. بالدوران بمعدلات سرعة لا تصدق ، حتى الجسيمات في حجم حبة البازلاء يمكن أن تسبب أضرارًا جسيمة للأقمار الصناعية العاملة. تعرضت محطة الفضاء الدولية للعديد من الحوادث الوشيكة مع الحطام الفضائي ، ثم تغير موقعها في المدار بين الحين والآخر لتجنب الاصطدامات. مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان وبخار الماء وأكسيد النيتروز تحدث بشكل طبيعي في الغلاف الجوي. لكن النشاط البشري عزز مستوياتها. تمتص الحرارة من الأرض وتعود إلى السطح مرة أخرى ، مما يزيد من ارتفاع درجة الحرارة.

كلمات القوة

الهباء الجوي: (صفة رذاذ) جسيم صلب أو سائل صغير معلق في الهواء أو كغاز. يمكن أن يكون الهباء الجوي طبيعيًا ، مثل الضباب أو الغاز من الانفجارات البركانية ، أو اصطناعيًا ، مثل الدخان الناتج عن حرق الوقود الأحفوري.

أجواء: غلاف الغازات المحيطة بالأرض أو كوكب آخر.

ذرة: الوحدة الأساسية لعنصر كيميائي. تتكون الذرات من نواة كثيفة تحتوي على بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات غير مشحونة. تدور النواة حول سحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة.

الشفق القطبي: عرض ضوئي في السماء يحدث عندما تصطدم جسيمات طاقة واردة من الشمس بجزيئات الغاز في الغلاف الجوي العلوي للكوكب. وأشهرها هو الشفق القطبي للأرض ، أو الأضواء الشمالية. في بعض الكواكب الغازية الخارجية ، مثل كوكب المشتري وزحل ، يؤدي الجمع بين معدل دوران سريع ومجال مغناطيسي قوي إلى تيارات كهربائية عالية في الغلاف الجوي العلوي ، فوق أقطاب الكواكب. يمكن أن يتسبب هذا أيضًا في ظهور عروض "ضوئية" شفقية في الغلاف الجوي العلوي.

معدل: (في العلم) مصطلح يشير إلى المتوسط ​​الحسابي ، وهو مجموع مجموعة من الأرقام يتم تقسيمها بعد ذلك على حجم المجموعة.

نشبع: (أو CO2) غاز عديم اللون والرائحة تنتجه جميع الحيوانات عندما يتفاعل الأكسجين الذي تستنشقه مع الأطعمة الغنية بالكربون التي تناولتها. يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون أيضًا عند احتراق المادة العضوية (بما في ذلك الوقود الأحفوري مثل النفط أو الغاز). يعمل ثاني أكسيد الكربون كغازات دفيئة ، حيث يحبس الحرارة في الغلاف الجوي للأرض. تقوم النباتات بتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين أثناء عملية التمثيل الضوئي ، وهي العملية التي يستخدمونها لصنع طعامهم.

سماوي: (في علم الفلك) أو تتعلق بالسماء أو الفضاء الخارجي.

المواد الكيميائية: مادة تتكون من ذرتين أو أكثر تتحدان (الرابطة) بنسب وبنية ثابتة. على سبيل المثال ، الماء مادة كيميائية تُصنع عندما ترتبط ذرتان من الهيدروجين بذرة أكسجين واحدة. صيغته الكيميائية هي H2س.

غيم: عمود من الجزيئات أو الجسيمات ، مثل قطرات الماء ، التي تتحرك تحت تأثير قوة خارجية ، مثل الرياح أو الإشعاع أو التيارات المائية. (في علم الغلاف الجوي) كتلة من قطرات الماء وبلورات الجليد المحمولة جواً والتي تنتقل على شكل عمود ، وعادة ما تكون عالية في الغلاف الجوي للأرض. حركتها مدفوعة بالرياح.

تجاري: (في البحث والاقتصاد) صفة لشيء جاهز للبيع أو تم بيعه بالفعل. السلع التجارية هي تلك التي يتم صيدها أو إنتاجها للآخرين ، وليس للاستهلاك الشخصي فقط.

الحمل: صعود وهبوط المادة في سائل أو غاز بسبب درجات الحرارة غير المتكافئة. تحدث هذه العملية في الطبقات الخارجية لبعض النجوم.

حطام: شظايا متناثرة ، عادة من القمامة أو من شيء تم تدميره. يشمل الحطام الفضائي ، على سبيل المثال ، حطام الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية البائدة.

هزة أرضية: اهتزاز مفاجئ وأحيانًا عنيف للأرض ، يسبب أحيانًا دمارًا كبيرًا ، نتيجة لتحركات داخل قشرة الأرض أو نتيجة عمل بركاني.

ارتفاع: الارتفاع أو الارتفاع الذي يوجد عنده شيء ما.

خط الاستواء: خط وهمي حول الأرض يقسم الأرض إلى نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي.

ثوران: (في علوم الأرض): الانفجار المفاجئ أو الرش المفاجئ لمواد ساخنة من أعماق كوكب أو قمر وخارجه عبر سطحه. عادةً ما ترسل الانفجارات البركانية على الأرض حممًا بركانية ساخنة أو غازات ساخنة أو رمادًا في الهواء وعبر الأرض المحيطة. في الأجزاء الأكثر برودة من النظام الشمسي ، غالبًا ما تنطوي الثورات البركانية على رش الماء السائل من خلال شقوق في قشرة جليدية. يحدث هذا على إنسيلادوس ، أحد قمر زحل المغطى بالجليد.

فرض: بعض التأثيرات الخارجية التي يمكن أن تغير حركة الجسم ، أو تجعل الأجسام قريبة من بعضها البعض ، أو تنتج الحركة أو الضغط في جسم ثابت.

الجاذبية: القوة التي تجذب أي شيء له كتلة أو كتلة تجاه أي شيء آخر له كتلة. كلما زادت كتلة شيء ما ، زادت جاذبيته.

غازات الاحتباس الحراري: غاز يساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري عن طريق امتصاص الحرارة. ثاني أكسيد الكربون هو أحد الأمثلة على غازات الدفيئة.

محطة الفضاء الدولية: قمر صناعي يدور حول الأرض. توفر هذه المحطة ، التي تديرها الولايات المتحدة وروسيا ، مختبرًا بحثيًا يمكن للعلماء من خلاله إجراء تجارب في علم الأحياء والفيزياء وعلم الفلك - وإجراء عمليات رصد للأرض.

الأيونوسفير: طبقة من الغلاف الجوي للأرض تقع على ارتفاع 75 و 1000 كيلومتر (47 و 620 ميلاً) فوق سطح الأرض. يمتص أشعة الشمس فوق البنفسجية الضارة. هذه الطاقة تجرد الإلكترونات من الذرات والجزيئات ، مما يخلق منطقة مليئة بالأيونات الحرة العائمة. تؤثر حصة الأيونات الموجودة هنا على الراديو والإشارات الأخرى التي تمر عبرها.

خط كرمان: يُعرف أيضًا باسم الميزوبوس ، وقد سمي على اسم الفيزيائي المجري المولد ثيودور فون كارمان. على ارتفاع حوالي 80 كيلومترًا (50 ميلاً) ، إنه خط وهمي اختاره كرمان لتحديد نقطة انطلاق الفضاء الخارجي.

خط العرض: المسافة من خط الاستواء مقاسة بالدرجات (حتى 90). خطوط العرض المنخفضة أقرب إلى خط الاستواء خطوط العرض العالية أقرب إلى القطبين.

كتلة: رقم يوضح مقدار مقاومة الجسم للتسريع والتباطؤ - وهو في الأساس مقياس لمقدار المادة التي يتكون منها هذا الكائن.

نيزك: (صفة نيزكية) كتلة من الصخور أو المعدن من الفضاء تضرب الغلاف الجوي للأرض. يُعرف في الفضاء باسم النيزك. عندما تراه في السماء فهو نيزك. وعندما يصطدم بالأرض يطلق عليه نيزك.

الميثان: هيدروكربون بالصيغة الكيميائية CH4 (بمعنى أن هناك أربع ذرات هيدروجين مرتبطة بذرة كربون واحدة). إنه مكون طبيعي لما يعرف بالغاز الطبيعي. كما أنه ينبعث عن طريق تحلل المواد النباتية في الأراضي الرطبة وينتج عن طريق الأبقار والماشية المجترة الأخرى. From a climate perspective, methane is 20 times more potent than carbon dioxide is in trapping heat in Earth’s atmosphere, making it a very important greenhouse gas.

مركب: An electrically neutral group of atoms that represents the smallest possible amount of a chemical compound. Molecules can be made of single types of atoms or of different types. For example, the oxygen in the air is made of two oxygen atoms (O2), but water is made of two hydrogen atoms and one oxygen atom (H2س).

orbit: The curved path of a celestial object or spacecraft around a galaxy, star, planet or moon. One complete circuit around a celestial body.

أكسيد: A compound made by combining one or more elements with oxygen. Rust is an oxide so is water.

ozone: A colorless gas made of molecules that contain three oxygen atoms. It can form high in the atmosphere or at ground level. When it forms at Earth’s surface, ozone is a pollutant that irritates eyes and lungs. It is also a major ingredient of smog.

ozone layer: A layer in Earth’s stratosphere. It contains a lot of ozone (a molecule made from three oxygen atoms), which helps block much of the sun’s biologically damaging ultraviolet radiation.

particle: A minute amount of something.

physicist: A scientist who studies the nature and properties of matter and energy.

planet: A large celestial object that orbits a star but unlike a star does not generate any visible light.

أعمدة: (in Earth science and astronomy) The cold regions of the planet that exist farthest from the equator the upper and lower ends of the virtual axis around which a celestial object rotates.

pollutant: A substance that taints something — such as the air, water, our bodies or products. Some pollutants are chemicals, such as pesticides. Others may be radiation, including excess heat or light. Even weeds and other invasive species can be considered a type of biological pollution.

radiate: (in physics) To emit energy in the form of waves.

radio waves: Waves in a part of the electromagnetic spectrum. They are a type that people now use for long-distance communication. Longer than the waves of visible light, radio waves are used to transmit radio and television signals. They also are used in radar.

الأقمار الصناعية: A moon orbiting a planet or a vehicle or other manufactured object that orbits some celestial body in space.

shock waves: Tiny regions in a gas or fluid where properties of the host material change dramatically owing to the passage of some object (which could be a plane in air or merely bubbles in water). Across a shock wave, a region’s pressure, temperature and density spike briefly, and almost instantaneously.

طاقة شمسية: The energy in sunlight that can be captured as heat or converted into heat or electrical energy. Some people refer to wind power as a form of solar energy. The reason: Winds are driven by the variations in temperatures and the density of the air, both of which are affected by the solar heating of the air, ground and surface waters.

شمس: The star at the center of Earth’s solar system. It is about 27,000 light-years from the center of the Milky Way galaxy. Also a term for any sunlike star.

tropopause: A boundary between the two lower layers of Earth's atmosphere, the troposphere and the stratosphere. That boundary layer varies with latitude, running from a height of about 6 kilometers (4 miles) over the poles to 18 kilometers (11 miles) over the equator.

turbulent: (n. turbulence) An adjective for the unpredictable fluctuation of a fluid (including air) in which its velocity varies irregularly instead of maintaining a steady or calm flow.

ultraviolet: A portion of the light spectrum that is close to violet but invisible to the human eye.

عمودي: A term for the direction of a line or plane that runs up and down, as the vertical post for a streetlight does. It’s the opposite of horizontal, which would run parallel to the ground.

water vapor: Water in its gaseous state, capable of being suspended in the air.

wave: A disturbance or variation that travels through space and matter in a regular, oscillating fashion.

الجو: Conditions in the atmosphere at a localized place and a particular time. It is usually described in terms of particular features, such as air pressure, humidity, moisture, any precipitation (rain, snow or ice), temperature and wind speed. Weather constitutes the actual conditions that occur at any time and place. It’s different from climate, which is a description of the conditions that tend to occur in some general region during a particular month or season.

الأشعة السينية: A type of radiation analogous to gamma rays, but having somewhat lower energy.

اقتباسات

Journal: E. Astafyeva. Ionospheric detection of natural hazards. Reviews of Geophysics. المجلد. 57, December 4, 2019, p. 1265. doi: 10.1029/2019RG000668.

موقع إلكتروني: Center for Science Education. University Corporation for Atmospheric Research. Layers of Earth’s atmosphere.

موقع إلكتروني: National Environmental Satellite, Data, and Information Service. Peeling Back the Layers of the Atmosphere. National Oceanic and Atmospheric Administration. February 22, 2016.

Classroom Resources for This Article Learn more

Free educator resources are available for this article. Register to access:


Space Littering Can Impact Earth’s Atmosphere

There is growing appreciation that outer space has become atrash bin, with the Earth encircled by dead or dying spacecraft, along withmenacing bits of orbital clutter - some of which burns up in the planet?satmosphere.

The big news of late was a smashup of a commercial Iridiumsatellite with a defunct Russian spacecraft earlier this year. Then there wasthat 2007 anti-satellite test by China, purposely destroying one of its agingweather satellites. These events produced largedebris fields in space ? adding to the swamp of cosmic compost.

But I sense a line of research that needs exploring: Theoverall impact of human-made orbital debris, solid and liquid propellantdischarges, and other space age substance abuse that winds up in a high-speeddive through Earth?s atmosphere.

There?s a convenient toss away line that is in vogue: thatsuch space refuse simply ?burns up? ؟ a kind of out of sight, out of minddeclaration.

What chemistry is involved given the high heating duringreentry of space leftovers made of tungsten, beryllium, aluminum and lots ofcomposite materials? The impact of these materials on Earth?s atmosphere - topto bottom ? would seem worthy of investigation.

As for total mass of uncontrolled objects that re-enter eachyear ? it?s in the range of 70 ? 80 metric tons. And that?s the trackable, bigstuff ? never mind smaller bits of orbital jetsam like bubbles ofstill-radioactive coolant that has been leaked from old nuclear-powered Sovietsatellites.

One study team that looked into the impact of de-orbitingspace debris on stratospheric ozone issued their findings back in 1994. Thework was done by an aerospace industry firm for the Environmental ManagementDivision of the Space and Missile Systems Center. They reported that objectsre-entering the atmosphere can affect ozone in several ways, but not on asignificant level globally.

Indeed, as an object plowsthrough the Earth?s stratosphere, a shock wave is created that producesnitric oxide, a known cause of ozone depletion. Spacecraft and rocket motorsare composed of metal alloys and composite materials that melt away duringre-entry. The researchers found that these materials, as they undergo intenseheating, also form chemicals that react directly or indirectly to consumeozone.

Overall, the study found that the physical and chemicalphenomena associated with deorbiting debris do not have ?a significant impact?on global stratospheric ozone.

Pass the collection plates

Then there?s the work of Michael Zolensky of AstromaterialsResearch and Exploration Science at NASA?s Johnson Space Center in Houston,Texas.

Some 20 years ago, Zolensky led a team that found a ten-foldincrease in the abundance of large solid particles in the stratosphere between1976 and 1984. Using high-altitude aircraft, the NASA sampling program wasdirected at snagging particles of dust from comets and asteroids as they filterdown through the atmosphere.

However, when the collection plates were later analyzed,exhaust residue from solid rocket motor firings, protective paints that shedfrom the outer hulls of spacecraft in orbit, and particles of mostly aluminumfrom re-entering space hardware were identified.

?I don?t think anyone ever followed up on this,? Zolensky toldme. More study is needed on the density of particles, types of particles, howlong they are suspended in the atmosphere, and whether or not the amount ofdeorbiting detritus has increased over time.

Another scientist flagging this issue is Martin Ross of TheAerospace Corporation in El Segundo, California. He points out that this typeof research is one where you need to have the science guys talking to theengineering community. ?And that usually doesn?t happen.?

Ross emphasized that orbital debris impacts onEarth?s atmosphere, at the moment, is not something to be too concernedabout. However, now is the time to get smart about what is taking place, hesaid.

But complicating that investigation, Ross noted, is thatairplane and balloons only operate at altitudes lower than where the re-entryprocess takes place. That upper stratosphere-lower mesosphere region has oftenbeen tagged as the ?Ignorosphere,? Ross said.

Even at balloon altitude there has been some recent,unexpected, insight. Scientists at the Indian Space Research Organizationannounced last March that ultraviolet-resistant bacteria had been found inEarth?s upper stratosphere, purportedly not found elsewhere on Earth.

?Everywhere we look on the Earth, we seem to find somethingthat we could call life,? Ross told SPACE.com. ?So I guess it wouldn?tbe too surprising that you?d find some layer of a particular microbe, orsomething, at various levels in the atmosphere.?

Ross, along with Darin Toohey of the University of Colorado,Boulder?s Atmospheric and Oceanic Sciences Department recently reported thatrocket launches may need regulation to prevent ozone depletion.

That study ? published in Astropolitics this pastMarch, an international journal of space politics and policy -- includesanalysis from Embry-Riddle Aeronautical University in Daytona, Florida andprovides a market analysis for estimating future ozone layer depletion based onthe expected growth of the space industry and known impacts of rocket launches.

In that assessment, the global market for rocket launchesmay require more stringent regulation in order to prevent significant damage toEarth?s stratospheric via ozone-destroying rocket emissions in the decades tocome.

The new study was designed to bring attention to the issue in hopes of sparkingadditional research, Ross said. Furthermore, getting a handle on the makeup ofhuman-made components and debris that speeds through the upper atmosphere ?from an accounting point of view -- would be a fairly simple thing to do, headded.

?All we really have right now are a small handful ofobservations of the emissions of a few rockets as they ascend to space. Eventhen, we lack critical observations in the plumes of many other types ofrockets to be confident in predictions of the impacts of the space launch fleetas a whole,? Toohey told SPACE.com.

?Add in the unknown impacts of vapors formed during reentry,and you can guess that we have some work to do to provide solid evidence neededby the space launch industry to design new vehicles that minimize thoseimpacts,? Toohey added.

Toohey said the good news is that, if the atmosphericsciences and space launch communities can come together to address this issue,?we have the expertise and tools to solve this before it ever becomes a seriousproblem.?

Space ? a Superfund clean-up site

While getting a research handle on the Ignorosphere appearscalled for, the bigger mess to deal with is how best to de-clutter lowEarth orbit.


The thermosphere rises several hundred miles above the Earth's surface, from 56 miles (90 km) up to between 311 and 621 miles (500–1,000 km). Temperature is very much affected by the sun here it can be 360 degrees Fahrenheit hotter (500 C) during the day than at night. Temperature increases with height and can rise to as high as 3,600 degrees Fahrenheit (2000 C). Nonetheless, the air would feel cold because the hot molecules are so far apart. This layer is known as the upper atmosphere, and it is where the auroras occur (northern and southern lights).

Extending from the top of the thermosphere to 6,200 miles (10,000 km) above Earth is the exosphere, where weather satellites are. This layer has very few atmospheric molecules, which can escape into space. Some scientists disagree that the exosphere is a part of the atmosphere and instead classify it actually as a part of outer space. There is no clear upper boundary, as in other layers.


Shrinking atmospheric layer linked to low levels of solar radiation

Large changes in the sun's energy output may drive unexpectedly dramatic fluctuations in Earth's outer atmosphere.

Results of a new study link a recent, temporary shrinking of a high atmospheric layer with a sharp drop in the sun's ultraviolet radiation levels.

The research, led by scientists at the National Center for Atmospheric Research (NCAR) in Boulder, Colo., and the University of Colorado at Boulder (CU), indicates that the sun's magnetic cycle, which produces differing numbers of sunspots over an approximately 11-year cycle, may vary more than previously thought.

The results, published in the American Geophysical Union journal Geophysical Research Letters, are funded by NASA and by the National Science Foundation (NSF), NCAR's sponsor.

"This research makes a compelling case for the need to study the coupled sun-Earth system," says Farzad Kamalabadi, program director in NSF's Division of Atmospheric and Geospace Sciences, "and to illustrate the importance of solar influences on our terrestrial environment with both fundamental scientific implications and societal consequences."

The findings may have implications for orbiting satellites, as well as for the International Space Station.

"Our work demonstrates that the solar cycle not only varies on the typical 11-year time scale, but also can vary from one solar minimum to another," says lead author Stanley Solomon, a scientist at NCAR's High Altitude Observatory. "All solar minima are not equal."

The fact that the layer in the upper atmosphere known as the thermosphere is shrunken and dense means that satellites can more easily maintain their orbits.

But it also indicates that space debris and other objects that pose hazards may persist longer in the thermosphere.

"With lower thermospheric density, our satellites will have a longer life in orbit," says CU professor Thomas Woods, a co-author.

"This is good news for those satellites that are actually operating, but it is also bad because of the thousands of non-operating objects remaining in space that could potentially have collisions with our working satellites."

The sun's energy output declined to unusually low levels from 2007 to 2009, a particularly prolonged solar minimum during which there were virtually no sunspots or solar storms.

During that same period of low solar activity, Earth's thermosphere shrank more than at any time in the 43-year era of space exploration.

The thermosphere, which ranges in altitude from about 55 to more than 300 miles (90 to 500 kilometers), is a rarified layer of gas at the edge of space where the sun's radiation first makes contact with Earth's atmosphere.

It typically cools and becomes less dense during low solar activity.

But the magnitude of the density change during the recent solar minimum appeared to be about 30 percent greater than would have been expected by low solar activity.

The study team used computer modeling to analyze two possible factors implicated in the mystery of the shrinking thermosphere.

They simulated both the impacts of solar output and the role of carbon dioxide, a potent greenhouse gas that, according to past estimates, is reducing the density of the outer atmosphere by about 2 percent to 5 percent per decade.

Their work built on several recent studies.

Earlier this year, a team of scientists from the Naval Research Laboratory and George Mason University, measuring changes in satellite drag, estimated that the density of the thermosphere declined in 2007-09 to about 30 percent less than during the previous solar minimum in 1996.

Other studies by scientists at the University of Southern California and CU, using measurements from sub-orbital rocket flights and space-based instruments, have estimated that levels of extreme-ultraviolet radiation-a class of photons with extremely short wavelengths-dropped about 15 percent during the same period.

However, scientists remained uncertain whether the decline in extreme-ultraviolet radiation would be sufficient to have such a dramatic impact on the thermosphere, even when combined with the effects of carbon dioxide.

To answer this question, Solomon and his colleagues turned to an NCAR computer tool, known as the Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model.

They used the model to simulate how the sun's output during 1996 and 2008 would affect the temperature and density of the thermosphere.

They also created two simulations of thermospheric conditions in 2008-one with a level that approximated actual carbon dioxide emissions and one with a fixed, lower level.

The results showed the thermosphere cooling in 2008 by 41 kelvins, or K (about 74 degrees Fahrenheit) compared to 1996, with just 2 K attributable to the carbon dioxide increase.

The results also showed the thermosphere's density decreasing by 31 percent, with just 3 percent attributable to carbon dioxide, and closely approximated the 30 percent reduction in density indicated by measurements of satellite drag.

"It is now clear that the record low temperature and density were primarily caused by unusually low levels of solar radiation at the extreme-ultraviolet level," Solomon says.

Woods says the research indicates that the sun could be going through a period of relatively low activity, similar to periods in the early 19th and 20th centuries.

This could mean that solar output may remain at a low level for the near future.

"If it is indeed similar to certain patterns in the past, then we expect to have low solar cycles for the next 10 to 30 years," Woods says.

مصدر القصة:

المواد المقدمة من National Science Foundation. ملاحظة: يمكن تعديل المحتوى حسب النمط والطول.


شاهد الفيديو: طبقات الغلاف الجوي (شهر اكتوبر 2021).