વાતાવરણ (ભૌગોલિક)

વાતાવરણ (ભૌગોલિક)

પૃથ્વીની આજુબાજુ અંદાજે 800 કિમી. કે તેથી વધુ (આંતરગ્રહીય માધ્યમમાં ભળી જતા અંતર સુધીના) વિસ્તારમાં ફેલાયેલું હવાનું આવરણ. વાયુઓથી બનેલું આ આવરણ પૃથ્વીના ગુરુત્વાકર્ષણ-બળને કારણે અવકાશમાં છટકી જઈ શકતું નથી. શિલાવરણ, જલાવરણ, જીવાવરણ અને વાતાવરણ જેવા પૃથ્વીના ચાર વિભાગો પૈકીનો આ સૌથી બહારનો વિભાગ છે.

બંધારણ : વાતાવરણ એ જુદા જુદા વાયુઓ, જલબાષ્પ અને રજકણોથી બનેલું મિશ્રણ છે. તેના બંધારણમાં રહેલા વાયુઓનું સરેરાશ પ્રમાણ આ પ્રમાણે છે : નાઇટ્રોજન 78 %, ઑક્સિજન 21 %; આર્ગન 0.94 %, કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ 0.03 % અને હાઇડ્રોજન 0.01 %. આ ઉપરાંત નિયૉન, હિલિયમ, ક્રિપ્ટૉન, ઝેનૉન, નાઇટ્રસ ઑક્સાઇડ અને ઓઝોન પણ ઘણા ઓછા પ્રમાણમાં રહેલા છે. આ વાયુઓ સિવાય જીવજન્ય પદાર્થો, જ્વાળામુખીજન્ય ગંધક તેમજ ક્લોરિન વાયુ પણ તેમાં અત્યંત અલ્પ પ્રમાણમાં રહેલા હોય છે. વાતાવરણમાં રહેલા વાયુઓ પૈકી કદનું પ્રમાણ જોતાં, નાઇટ્રોજન વાતાવરણના નીચેના પડમાં વધુ પ્રમાણમાં રહેલો છે. આ નાઇટ્રોજન ઑક્સિજનને મંદ બનાવે છે અને તે ક્રિયા દ્વારા વનસ્પતિનો નાશ થતો અટકાવે છે. દરેક પ્રકારના જીવન માટે જરૂરી ઑક્સિજન વાયુ અગત્યમાં બીજા ક્રમે આવે છે. કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ પણ વનસ્પતિજીવન માટે ઘણું જ મહત્વનું સ્થાન ધરાવે છે. ઓઝોન વાયુ અત્યંત સ્ફૂર્તિદાયક છે, ખાસ કરીને વહેલી સવારે સમુદ્રકિનારાની હવામાં અને ખુલ્લાં મેદાનોમાં તે વધુ પ્રમાણમાં હોય છે. જલબાષ્પ(ભેજ)નું પ્રમાણ વાતાવરણના કુલ કદનો 1.2 % ભાગ ધરાવે છે. તાપમાન મુજબ ભેજના પ્રમાણમાં ફેરફાર થયાં કરે છે. જલાવરણમાં થતી બાષ્પીભવનની ક્રિયા દ્વારા તે વાતાવરણમાં ભળતો રહે છે. વાતાવરણમાં થતી રહેતી ભેજની ઘનીભવનની ક્રિયાને લીધે વાદળ, જલવર્ષા, હિમવર્ષા, કરા, ઝાકળ અને ધુમ્મસ જેવી ઘટનાઓ અસ્તિત્વમાં આવે છે. વાતાવરણમાં અસંખ્ય રજકણો પણ હોય છે. કેટલાક જોઈ શકાય છે, જ્યારે કેટલાક દૃષ્ટિક્ષમતાની બહાર હોય છે. વળી, આ રજકણો ઉપર વાતાવરણમાં રહેલા ભેજની ઘનીભવનની ક્રિયા પણ બને છે. જળચક્ર, કાર્બનચક્ર અને નાઇટ્રોજન ચક્રના ઉદભવ માટે વાતાવરણ ઘણો મહત્વનો ભાગ ભજવે છે. પ્રવાહી હવાના વિભાગીય નિસ્યંદનથી મેળવાતા ઑક્સિજન, નાઇટ્રોજન અને આર્ગન માટે વાતાવરણ ઔદ્યોગિક સ્રોત બની રહે છે.

વાતાવરણના બંધારણમાં નીચે પ્રમાણેની વિશિષ્ટતાઓ જોવા મળે છે : (i) ઘટ્ટ વાયુઓ તેના નીચેના પડમાં, જ્યારે હલકા વાયુઓ ઉપરના પડમાં હોય છે. ઘનતાનો આ તફાવત પૃથ્વીના ગુરુત્વાકર્ષણ-બળને લીધે ઉદભવે છે. પૃથ્વીની સપાટી પરથી 20 કિમી.ની ઊંચાઈએ જતાં વાતાવરણમાં રહેલો કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ સંપૂર્ણપણે અદૃશ્ય થાય છે. આશરે 110 કિમી.ની ઊંચાઈ પછી ઑક્સિજન અને 128 કિમી.ની ઊંચાઈ પછી નાઇટ્રોજનનો અભાવ વરતાય છે. તે પછીનું વાતાવરણ માત્ર હાઇડ્રોજનથી જ બનેલું છે. (ii) પૃથ્વીની સપાટી પરથી 6 કિમી.ની ઊંચાઈ સુધી વાતા પવનોને કારણે વાયુઓ એકબીજા સાથે ભળી જતા હોવાથી એટલા ભાગનું બંધારણ લગભગ એકસરખું રહે છે. (iii) વાતાવરણમાં રહેલા ભેજનું પ્રમાણ તાપમાન મુજબ બદલાતું રહેતું હોવાથી તે વિષુવવૃત્તથી ધ્રુવો તરફ જતાં ઘટે છે. (iv) તાપમાનના તફાવતને લીધે ભારે વાયુઓનું પ્રમાણ ઓછું અને ધ્રુવો પર વધુ હોય છે.

વાતાવરણનું તાપમાન : પૃથ્વીને મળતી ગરમીનો મુખ્ય સ્રોત સૂર્ય છે. પૃથ્વીની સપાટી પર ઉદભવતી ગરમીને સૂર્યાઘાત (insolation) કહે છે. જો સૂર્યનાં કિરણોની બધી જ ગરમી પૃથ્વીની સપાટીને મળતી હોત તો સપાટી પર અસ્તિત્વ ધરાવતું જીવન અશક્ય બનત. વાતાવરણમાંથી સૂર્યનાં કિરણો પસાર થાય છે ત્યારે સૂર્યની ગરમીનો 37 % ભાગ વાદળો અને રજકણોને લીધે પરાવર્તિત થઈ જાય છે, તથા 6 % જેટલો ભાગ વાતાવરણના ઉપરના પડમાં રહેલા વાયુઓમાં શોષાઈ જાય છે. તેથી સૂર્યનાં કિરણોની ગરમીનો 57 % ભાગ પૃથ્વીની સપાટીને મળે છે. પૃથ્વીની સપાટી પરના એક ચોસેમી. પર દર મિનિટે 1.94 કૅલરી ગરમી મળે છે.

સૂર્યનાં કિરણો જ્યારે વાતાવરણમાં થઈને પસાર થાય છે ત્યારે તેના તાપમાનની ખાસ અસર સીધેસીધી વાતાવરણ પર થતી નથી, પરંતુ કિરણો પૃથ્વીની સપાટીના સંપર્કમાં આવે છે ત્યારે પૃથ્વી ધીમે ધીમે ગરમ થતી જાય છે. આ રીતે પૃથ્વીના સંપર્કમાં રહેલું વાતાવરણનું નીચેનું પડ સર્વપ્રથમ ગરમ થાય છે. ગરમ થયેલું નીચેનું પડ હલકું થવાથી ઊંચે ચડે છે, તેની ખાલી થયેલી જગા પર ઉપરથી તેમજ આજુબાજુથી ઠંડી હવા ધસી આવે છે. આ પ્રમાણે ઉષ્ણતા-નયન(convection)ની ક્રિયાથી પણ વાતાવરણ ગરમ બને છે. આ ઉપરાંત વિકિરણ(radiation)ની ક્રિયા દ્વારા પણ વાતાવરણ ગરમ થાય છે. વાતાવરણના ઉપલા પડમાંથી જ્યારે સૂર્યનાં કિરણો પસાર થાય છે ત્યારે તેમાં થોડા પ્રમાણમાં ગરમી શોષાવાથી તે પડ ગરમ થાય છે.

ગરમ બનેલા હવાના પ્રવાહોમાંથી થોડીઘણી ગરમી અવકાશમાં પણ વહેંચાઈ જાય છે. આ કારણે પણ વાતાવરણનાં ઉપરનાં પડ ગરમ થાય છે. જ્યારે હવા નીચે ઊતરતી હોય છે ત્યારે ઉપરના પડનું વજન નીચેના પડ પર લાગે છે, આ રીતે હવા પર દાબની અસર થવાથી પણ નીચેનાં પડ અમુક પ્રમાણમાં ગરમ થાય છે.

ઉપર જણાવ્યા પ્રમાણે ઉષ્ણતાવહન, ઉષ્ણતાનયન, વિકિરણ તથા દાબની ક્રિયાને લીધે વાતાવરણ ગરમ થાય છે. સામાન્ય અંદાજ મુજબ, સમુદ્રસપાટીથી દર 250 મીટરની ઊંચાઈએ જતાં વાતાવરણનું તાપમાન 1° સે. ઘટે છે. આ દર મુજબ ઊંચાઈવાળાં સ્થળોનાં તાપમાન નીચાં રહે છે.

ઊંચાઈ પર જતાં વાતાવરણનું તાપમાન ઘટવા માટે નીચે પ્રમાણેનાં બે કારણો છે : (i) વાતાવરણનાં નીચેનાં પડ ગરમ થયેલી પૃથ્વીના સંપર્કથી ગરમ બને છે. ગરમ થયેલી હવા હલકી થતાં ઊંચે જાય છે અને ત્યાં તે પ્રસરે છે. પ્રસરણની ક્રિયાને કારણે ત્યાં તાપમાન નીચું રહે છે. (ii) ઊંચાઈ પર જતાં ભેજ અને કાર્બન ડાયૉક્સાઇડનું પ્રમાણ ઘટી જાય છે, તેથી હવા પાતળી બને છે અને તેને કારણે તાપમાન નીચું રહે છે.

સામાન્ય સંજોગો હેઠળ તો ઊંચાઈ પર જતાં તાપમાન ઘટે છે, પરંતુ કેટલાક વિશિષ્ટ સંજોગોમાં ઊંચાઈ પર જતાં વાતાવરણનું તાપમાન ઊંચું જાય છે. આ પ્રકારની ઘટના કે જેમાં ઊંચાઈ પર જતાં વાતાવરણનું તાપમાન નીચું જવાને બદલે ઊંચું જાય, તેને વ્યસ્ત તાપમાન કહે છે.

વાતાવરણનું તાપમાન માપવા માટે સામાન્ય રીતે સાદા તાપમાનમાપક(thermometer)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ચોવીસ કલાક દરમિયાનનું વધુમાં વધુ અને ઓછામાં ઓછું તાપમાન મહત્તમ-લઘુતમ તાપમાનમાપક દ્વારા જાણી શકાય છે. વાતાવરણના તાપમાનની દૈનિક અથવા અઠવાડિક સળંગ નોંધ મેળવવા માટે તાપમાનનોંધક(thermograph)નો ઉપયોગ થાય છે.

વાતાવરણનું દબાણ : દરેક પદાર્થની જેમ વાતાવરણને પણ વજન હોય છે. સમુદ્રસપાટીએ પૃથ્વી પરની દરેક ચોરસ સેન્ટિમિટર સપાટી પર 1.03 કિલોગ્રામ જેટલા દબાણની અસર થાય છે. અથવા સમુદ્રસપાટીએ 0° સે. તાપમાને 1.01325 x 10⁵ ન્યૂટન અથવા 1013.25 મિલિબાર જેટલા દબાણની અસર રહે છે. આ મૂલ્ય સંજોગો પ્રમાણે બદલાતું રહેતું હોવા છતાં સામાન્ય રીતે તેને પ્રમાણભૂત ગણવામાં આવે છે; અર્થાત્ પૃથ્વીની સમગ્ર સપાટીને ફરતો 10 મીટરની ઊંડાઈના જળજથ્થા જેટલો (જળ)દાબ કરે તેને સમકક્ષ આ દબાણ ગણાય. સમગ્ર વાતાવરણનું વજન આશરે 4.5 x 10¹⁸ કિલોગ્રામ અથવા લગભગ 5 મિલિયન બિલિયન ટન જેટલું થાય છે. વાતાવરણના દબાણનો મુખ્ય આધાર જે તે સ્થળનાં તાપમાન, ઊંચાઈ અને ભેજ પર રહેલો હોય છે.

દબાણ અને તાપમાન : વાતાવરણના દબાણ અને તાપમાન વચ્ચે ગાઢ સંબંધ રહેલો છે. હવા ગરમ થવાથી પ્રસરણ પામે છે, હલકી બને છે અને વધુ જગા રોકે છે; હવા ઠંડી થવાથી સંકોચન પામે છે, ભારે બને છે અને ઓછી જગા રોકે છે. આ ઉપરથી સ્પષ્ટ થાય છે કે તાપમાન ઊંચું હોય તો દબાણ ઓછું અને તાપમાન નીચું હોય તો દબાણ વધુ હોય છે.

દબાણ અને ઊંચાઈ : વાતાવરણનાં નીચેનાં પડ દાબને લીધે ઘટ્ટ અને વજનદાર હોય છે, જ્યારે ઉપરનાં પડ હલકાં અને વધુ વિસ્તારમાં ફેલાયેલાં હોય છે. ઊંચાઈ પર જતાં વાતાવરણનું દબાણ ઘટતું જાય છે.

દબાણ અને ભેજ : ભેજવાળી હવા સૂકી હવા કરતાં હલકી હોય છે, કારણ કે જલબાષ્પ વાતાવરણના નીચેના પડના વજન કરતાં હલકી હોય છે. વાતાવરણનું દબાણ માપવા માટે સાદા વાયુભાર-માપક(બૅરોમિટર)નો અથવા નિર્વાત વાયુભારમાપક(ઍનેરૉઇડ બૅરોમિટર)નો ઉપયોગ થાય છે. વાતાવરણના દબાણની દૈનિક કે અઠવાડિક નોંધ વાયુભારનોંધક (બૅરોગ્રાફ) દ્વારા મેળવાય છે. સામાન્ય રીતે વાતાવરણનું દબાણ મિલિબારમાં દર્શાવાય છે.

વાતાવરણનો ભેજ : વાતાવરણના બંધારણમાં રહેલા જુદા જુદા વાયુઓ સાથે જલબાષ્પ પણ રહેલી હોય છે. હવામાં રહેલા ભેજનું પ્રમાણ જે તે સ્થળના તાપમાન પર આધાર રાખે છે.

આર્દ્રતા : અમુક તાપમાને હવામાં રહેલા ભેજને આર્દ્રતા કહે છે. હવામાં રહેલા ભેજના પ્રમાણને નિરપેક્ષ તેમજ સાપેક્ષ આર્દ્રતા રૂપે દર્શાવી શકાય.

નિરપેક્ષ આર્દ્રતા (absolute humidity) : અમુક નિશ્ચિત તાપમાને, હવાના ચોક્કસ કદમાં રહેલા ભેજના વજનને નિરપેક્ષ આર્દ્રતા કહે છે. નિરક્ષેપ આર્દ્રતા હમેશાં કોઈ પણ એકમ કદમાં ગ્રામમાં દર્શાવાય છે; દા. ત., અમુક તાપમાને 1 ઘન સેમી. હવામાં રહેલા ભેજનું ગ્રામમાં વજન, એ હવાની નિરક્ષેપ આર્દ્રતા કહેવાય.

સાપેક્ષ આર્દ્રતા (relative humidity) : અમુક તાપમાને અમુક ઘનફળ હવામાં રહેલો જલબાષ્પ(ભેજ)-જથ્થો અને તે જ તાપમાને એટલી જ ઘનફળ હવાને સંતૃપ્ત કરવા માટે જરૂરી જલબાષ્પ-જથ્થો – એ બેના ગુણોત્તરને સાપેક્ષ – આર્દ્રતા કહેવાય. સાપેક્ષ આર્દ્રતા જાણવા માટે મેસનનું આર્દ્રતામાપક, ડેનિયલનું ભેજમાપક, રેનોલ્ટનું ભેજમાપક કે સાઇક્રોમિટરનો ઉપયોગ થાય છે. આબોહવાની જાણકારી માટે આબોહવા માપક (climogram) અને આબોહવા આલેખ (climograph)નો ઉપયોગ થાય છે.

વાતાવરણની હલનચલનની ક્રિયા : વાતાવરણના તાપમાન અને દબાણ વચ્ચે ગાઢ સંબંધ રહેલો છે. તાપમાન ઊંચું જાય છે ત્યારે હવા ગરમ બને છે, પ્રસરણ પામે છે અને હલકી બને છે. હલકી હવા ઊંચી ચઢે છે અને વાતાવરણનું દબાણ ઘટે છે. તાપમાન ઘટે છે ત્યારે હવા ઠંડી બને છે, ઘટ્ટ થાય છે અને નીચે આવે છે; તેથી વાતાવરણનું દબાણ વધે છે. પરિણામે વાતાવરણમાં હવાના હલનચલનની ક્રિયા ઉદભવે છે. આ ઘટનાથી વાતાવરણમાં હલકા અને ભારે દબાણના પટ્ટા તૈયાર થાય છે.

વાતાવરણમાં ઉદભવતા દબાણના તફાવતને લીધે હવા ગતિમાન બને છે. ગતિમાન હવાને પવન કહે છે. પવનો હમેશાં ભારે દબાણવાળા વિસ્તાર પરથી હલકા દબાણવાળા વિસ્તાર તરફ ગતિ કરે છે. ઉત્તર તેમજ દક્ષિણ ગોળાર્ધમાં પૃથ્વીની અક્ષભ્રમણ ગતિને કારણે પવનો ફેરલના નિયમ મુજબ મરડાય છે. ઉત્તર ગોળાર્ધમાં પવનો તેમના પ્રવાહની જમણી બાજુએ અને દક્ષિણ ગોળાર્ધમાં તેમના પ્રવાહની ડાબી બાજુએ મરડાય છે. પવનની ગતિ માપવા માટે વાયુવેગમાપક(anemometer)નો ઉપયોગ થાય છે.

વાતાવરણમાં થતી જુદી જુદી ભૌતિક પ્રક્રિયાઓના કારણે ઊંચાઈ સાથે વાતાવરણનું તાપમાન વિશિષ્ટ રીતે બદલાય છે. તાપમાનમાં થતા પરિવર્તનના સંદર્ભમાં વાતાવરણને વિવિધ સ્તરોમાં વહેંચવામાં આવે છે, જે નીચે પ્રમાણે છે : વાતાવરણના સ્તરો : (i) વિષમતાપ-મંડળ (Troposphere), (ii) સમતાપમંડળ (Stratosphere), (iii) આયનમંડળ (Ionosphere).

(i) વિષમતાપમંડળ : સામાન્ય રીતે પૃથ્વીની સપાટીથી પ્રથમ સરેરાશ 12 કિમી.ના વાતાવરણના વિભાગને વિષમતાપમંડળ કહે છે. ધ્રુવોની આજુબાજુ તે 10 કિમી., જ્યારે વિષુવવૃત્ત પર તે 16 કિમી. સુધી વિસ્તરેલું હોય છે, અર્થાત્ તેની ઊંચાઈ અક્ષાંશો પ્રમાણે બદલાય છે. શિયાળા કરતાં ઉનાળામાં તે વધુ ઊંચાઈએ હોય છે. આ સ્તરમાં કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ અને ભેજનું પ્રમાણ વિશેષ હોય છે. સૂર્યનાં દૃશ્યમાન કિરણો વાતાવરણમાં ખાસ શોષાયા વગર પૃથ્વી પર પડે છે અને તેથી પૃથ્વીની સપાટી (ભૂમિ અને સમુદ્રજળ) ગરમ થાય છે. ગરમ થયેલી સપાટીના સંપર્કમાં રહેલી હવા જ્યારે ગરમ થાય છે, ત્યારે ઉપર ચડે છે અને ઉપરની હવા નીચે આવે છે. આમ ઉષ્ણતાનયન (convection) દ્વારા હવાનું ઉપર-નીચે ભ્રમણ શરૂ થાય છે; પરંતુ, અહીં ગરમીનો સ્રોત નીચેની સપાટી છે, એટલે ઊંચાઈ સાથે તાપમાન ઘટતું જાય છે. અહીંની હવા ઉષ્ણતાનયનની ક્રિયાથી ગરમ બને છે. આ મંડળમાં દર 250 મીટરની ઊંચાઈએ જતાં 1° સે. તાપમાનનો ઘટાડો તથા દર 100 મીટરની ઊંચાઈએ જતાં અંદાજે 1 સેમી. જેટલો દબાણમાં થતો ઘટાડો જોવા મળે છે.

વિષમતાપમંડળ એ વાદળ અને હવામાનના ફેરફારનો વિસ્તાર ગણાય છે. સમગ્ર જીવંત સૃદૃષ્ટિ આ મંડળમાં નભે છે. હવાનું તાપમાન ઊંચાઈ વધવા સાથે ઘટતું જાય છે. અક્ષાંશભેદે પણ તાપમાન જુદું જુદું રહે છે. પૃથ્વીની સપાટી નજીક સરેરાશ તાપમાન 15° સે. જેટલું, જ્યારે 16 કિમી.ની ઊંચાઈએ તે -65° સે. થઈ જાય છે. વિષમતાપમંડળ-સમતાપમંડળ વચ્ચે રહેલા ટ્રૉપોપૉઝ (વિષમવિરામી) સ્તરનું તાપમાન -80° સે. રહે છે. ટ્રૉપોપૉઝની ઉપર જતાં, ઊંચાઈના વધવા સાથે તાપમાન ઘટતું અટકી જાય છે.

વિષમતાપમંડળમાં ઊંચા અક્ષાંશો તરફ જતાં તાપમાન ઘટે છે, જે હવામાનના ફેરફારો લાવવામાં મુખ્ય ભાગ ભજવે છે. આ મંડળમાં હવામાં રહેલા વાયુઓનું મિશ્રણ થતું રહે છે. ઉષ્ણતાનયનને લીધે ગરમ-ઠંડી (હલકી-ભારે) હવાના પ્રવાહો ઉદભવે છે. ઉપર તરફ જતી હવા વાદળો બાંધવામાં મદદરૂપ થાય છે. જલવર્ષા, હિમવર્ષા, કરા, ધુમ્મસ વગેરે ઘટનાઓ થતી રહે છે. આ સમગ્ર ક્રિયા વૃદૃષ્ટિ(Precipitation) તરીકે ઓળખાય છે. આ રીતે આબોહવાનું માળખું જળવાઈ રહે છે.

પૃથ્વીની સપાટી અને નીચેના સ્તરનું વાતાવરણ વિકિરણ-(radiation)ની પ્રક્રિયા દ્વારા પાર-રક્ત પ્રકાશનું ઉત્સર્જન કરીને તેની ગરમી ગુમાવે છે. આ ગરમી અંશત: અવકાશમાં છટકી જાય છે, પરંતુ કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ (CO₂) અને ભેજ (H₂O) દ્વારા બાકીની ગરમીનું શોષણ થાય છે. એ રીતે વાતાવરણમાં ગરમી જળવાઈ રહે છે. આ કારણથી રાત્રિ દરમિયાન પૃથ્વી વધારે ઠંડી પડતી નથી અને તેનું તાપમાન હૂંફાળું રહે છે. વાતાવરણમાં જો CO₂ અને ભેજ ન હોત તો રાત્રિ દરમિયાન પૃથ્વીનું સરેરાશ તાપમાન 18° સે. જેટલું નીચું થઈ જાત, પરંતુ CO₂ અને ભેજને લીધે પૃથ્વીનું સરેરાશ તાપમાન 15° સે. જેટલું રહે છે. શિયાળામાં રાત્રિ દરમિયાન આકાશ વાદળછાયું હોય તો પૃથ્વીની ગરમી બહાર અવકાશમાં જતી નથી અને તેથી ઠંડી લાગતી નથી; પરંતુ આકાશ સ્વચ્છ (વાદળરહિત) હોય છે, ત્યારે રાત્રિ દરમિયાન ઠંડી લાગે છે.

વાતાવરણમાં ગરમી જળવાઈ રહે છે એ પ્રક્રિયાને હરિતગૃહ અસર (greenhouse effect) કહે છે. આવું નામ આપવાનું કારણ એ છે કે હરિતગૃહના કાચના છાપરામાંથી સૂર્યનાં દૃશ્યમાન પ્રકાશનાં કિરણો અંદર આવી શકે છે, પરંતુ હરિતગૃહની અંદરની જમીન અને વનસ્પતિ દ્વારા ઉત્સર્જિત થતાં પાર-રક્ત કિરણો કાચના છાપરામાંથી બહાર જઈ શકતાં નથી.

(ii) સમતાપમંડળ : વિષમતાપમંડળ પછી બીજા ક્રમે આવતું પડ. સામાન્ય રીતે 12 કિમી.ની ઊંચાઈથી 80 કિમી. સુધીનો વિભાગ સમતાપમંડળ નામથી ઓળખાય છે. ધ્રુવો પર તે 10 કિમી.થી ઉપરનો અને વિષુવવૃત્ત પર તે 16 કિમી.થી ઉપરનો વિસ્તાર ગણાય છે. વિષમતાપમંડળની જેમ આ વિભાગ પણ શિયાળા કરતાં ઉનાળામાં વધુ ઊંચાઈ તરફ ખસે છે. વાતાવરણના આ સ્તરની ઊંચાઈ આ રીતે ઋતુઓ તેમજ અક્ષાંશ પ્રમાણે બદલાયા કરે છે. 48 કિમી.ની ઊંચાઈએ રહેલા તેના ઉપલા પડને સ્ટ્રેટોપૉઝસમવિરામી સ્તર કહે છે.

સમતાપમંડળમાં સૂર્યનાં પારજાંબલી કિરણો સાથે થતી પ્રક્રિયા દ્વારા ઓઝોન (O₃) વાયુ ઉત્પન્ન થાય છે. પારજાંબલી કિરણોની અધિક શક્તિને લીધે ઑક્સિજનના અણુમાંથી બે પરમાણુઓ છૂટા પડે છે. છૂટો પડેલો ઑક્સિજનનો પરમાણુ ઑક્સિજનના અણુ સાથે જોડાઈને તેમાંથી ઑક્સિજનના ત્રણ પરમાણુઓ ધરાવતો (O₃) વાયુ બને છે :

O₂ + O = O₃ (ઓઝોન)

ઓઝોન વાયુની ખાસ લાક્ષણિકતા એ છે કે સૂર્યનાં પારજાંબલી કિરણોનું ભારે શોષણ કરે છે. પરિણામે સમતાપમંડળમાં ઊંચાઈ સાથે તાપમાન વધે છે અને સમતાપમંડળની ટોચ ઉપર સ્ટ્રેટોપૉઝ વિસ્તારમાં તાપમાન મહત્તમ (લગભગ -2° સે.) થાય છે.

સમતાપમંડળમાં જલબાષ્પ અને રજકણો નહિવત્ હોય છે. પાતળી હવા, નીચું છતાં એકધારું તાપમાન, ઉષ્ણતાનયનની પ્રક્રિયા, વાદળ-વંટોળનો અભાવ એ બધી આ વિભાગની લાક્ષણિકતાઓ છે. આ મંડળમાં પવનોનું માળખું જટિલ રચનાવાળું હોવા છતાં અહીં પવનોનાં તોફાનો થતાં નથી. ધ્રુવીય વિસ્તારોને બાદ કરતાં આ મંડળ વાદળવિહીન રહે છે. માત્ર ધ્રુવો પર શિયાળામાં હિમવાદળો રચાય છે.

વિષમતાપમંડળ અને સમતાપમંડળ વચ્ચેના સપાટીસ્તરને ટ્રૉપોપૉઝ-વિષમવિરામી સ્તર કહે છે. સ્થાનભેદે તેની ઊંચાઈ પણ જુદી જુદી રહે છે. વિષુવવૃત્ત પર તે 16 કિમી. અને ધ્રુવો પર તે 10 કિમી.ની ઊંચાઈએ હોય છે.

ઓઝોન–આવરણ : સમતાપમંડળનો 24 કિમી.થી 48 કિમી.નો વિભાગ ઓઝોન વાયુથી બનેલો હોવાથી તે ઓઝોન-આવરણ તરીકે પણ ઓળખાય છે. આ વિભાગ સમતાપમંડળના અંદરના ભાગમાં આવી જતો હોવાથી તે તેનો એક પેટાવિભાગ બને છે. સૂર્યમાંથી આવતાં પારજાંબલી કિરણોનો મોટો ભાગ તે શોષી લે છે અથવા તેનો અવરોધ કરે છે. એ રીતે તે પૃથ્વી પરની જીવંત સૃદૃષ્ટિ માટે રક્ષણરૂપી ઢાલનું કામ કરે છે. વાતાવરણમાં રહેલા કુલ ઓઝોનનો 80થી 90 ટકા ભાગ સમતાપમંડળમાં જોવા મળે છે. એક એવું અનુમાન કરવામાં આવ્યું છે કે જો વાતાવરણમાં રહેલા ઓઝોનનું પ્રમાણ ઓછું થઈ જવાથી પારજાંબલી કિરણોનો 50 ટકા ભાગ પણ પૃથ્વી પર મળતો હોત તો ખૂબ જ ઓછી ક્ષણોમાં સૂર્યનાં કિરણોથી આપણી ચામડી બળી જાત ! આથી ઊલટું, જો વાતાવરણમાં ઓઝોનનું પ્રમાણ વધી જાય તો તેમાં પારજાંબલી કિરણોનો મોટો ભાગ શોષાઈ જવાને કારણે પૃથ્વી પરના પ્રાણીજીવનને સૂર્યમાંથી મળી રહેતા પ્રજીવકને અભાવે સહન કરવું પડત !

પૃથ્વીની સપાટી પર ક્યારેક ક્યારેક અનુભવાતા તાપમાનના ફેરફારો સૂર્ય સપાટી પર ઉદભવતા સૂર્યકલંકોને આધીન હોય છે.

વાતાવરણમાં પારજાંબલી વિકિરણની અસર : સામાન્ય રીતે ચોક્કસ તરંગલંબાઈ [(0.30 માઇક્રૉન)(m) (માઇક્રૉન = 10^-4 સેમી.) અથવા 3000 ઍંગસ્ટ્રોન (Å)] ધરાવતું સૂર્યનું ‘પારજાંબલી વિકિરણ’ જીવંત કોષો માટે હાનિકારક છે. વાતાવરણનાં ઉપલાં આવરણોમાં પસાર થતાં તેનું સંપૂર્ણ શોષણ થઈ જતું હોવાથી પૃથ્વીની સપાટી પર પહોંચી જીવનને નુકસાન કરી શકતું નથી. 0.18 માઇક્રૉન અથવા 1800 ઍંગસ્ટ્રોન કરતાં ઓછી તરંગલંબાઈવાળા પારજાંબલી વિકિરણનું શોષણ, 100 કિમી. ઊંચાઈએ આવેલા, આયનમંડળમાં રહેલા ઑક્સિજનના અણુઓથી થાય છે. 0.18 માઇક્રૉન કરતાં વધારે પણ  0.29 માઇક્રૉન કરતાં ઓછી તરંગલંબાઈવાળા વિકિરણનું શોષણ, ખાસ કરીને સમતાપમંડળમાં રહેલા ઑક્સિજન અને ઓઝોન વાયુના અણુઓ દ્વારા થાય છે.

0.29 માઇક્રૉન કરતાં વધારે તરંગલંબાઈ ધરાવતા વિકિરણના લગભગ 20 % જેટલા ભાગનું શોષણ વિષમતાપમંડળમાં રહેલી પાણીની વરાળ, વાદળો અને ધૂળનાં રજકણો દ્વારા થાય છે. સૌરવિકિરણ ઊર્જાના સંતુલન માટે આ ભાગ ખાસ અગત્યનો છે, કારણ કે પૃથ્વીની સપાટી પર આવતી સૌરવિકિરણ ઊર્જાનો 97 % ભાગ આવાં વિકિરણોથી બનેલો છે. આમાં 0.3150 માઇક્રૉનથી 0.9250 માઇક્રૉન તરંગલંબાઈ ધરાવતો ‘પારજાંબલી વિકિરણ’નો ભાગ સૌરવિકિરણ ઊર્જાના સંતુલન માટે મહત્વનો હોવા છતાં સજીવો માટે તે નુકસાનકારક છે. પૃથ્વીની સપાટીને સ્પર્શતા વાતાવરણમાં તેનું શોષણ ખૂબ જ ઓછા પ્રમાણમાં થાય છે; પરંતુ તેની ઉપર આવેલા સમતાપમંડળમાંના ઓઝોન વાયુના અણુઓ દ્વારા તેનું શોષણ મોટા પ્રમાણમાં થતું હોવાથી તે છેક પૃથ્વીની સપાટી સુધી પહોંચી શકતું નથી. તેમ છતાં વર્તમાન સંજોગોમાં માનવસર્જિત પ્રદૂષણને કારણે સમતાપમંડળમાં રહેલા ઓઝોન વાયુના પડની ઘટનામાં ઘટાડો થવાથી, તેના દ્વારા થતા આ ‘પારજાંબલી વિકિરણ’ના શોષણનું પ્રમાણ ઘટી રહ્યું છે; એટલે તેની માઠી અસર સજીવો પર થવાનો ભય તોળાઈ રહ્યો છે.

વાતાવરણમાં પારરક્ત વિકિરણની અસર : પૃથ્વીનું વાતાવરણ, પૃથ્વીની સપાટીથી પરાવર્તિત થઈ ઉપર તરફ જતાં 5 માઇક્રૉનથી 50 માઇક્રૉન તરંગલંબાઈ ધરાવતાં પારરક્ત વિકિરણ માટે પારગમ્ય નથી, કારણ કે વાતાવરણમાં પૃથ્વીની સપાટી નજીક રહેલાં વાદળો, ભેજ (જલબાષ્પ) અને કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ દ્વારા તેનું શોષણ થાય છે.

12 માઇક્રૉનથી 18 માઇક્રૉન તરંગલંબાઈ ધરાવતાં વિકિરણનું કાર્બન ડાયૉક્સાઇડથી, 5 માઇક્રૉનથી 8 માઇક્રૉન તથા 19 માઇક્રૉન કરતાં વધુ તરંગલંબાઈ ધરાવતાં વિકિરણનું પાણીની વરાળથી, બાકીનાં બધાં જ વિકિરણનું વાદળોથી સંપૂર્ણપણે શોષણ થાય છે. આમ, પૃથ્વીની સપાટીથી પરાવર્તિત થયેલું પારરક્ત વિકિરણ બાહ્ય અવકાશમાં સીધી રીતે પ્રસરી શકતું નથી. વાતાવરણમાં તેનું શોષણ થતાં વાતાવરણના એટલા ભાગનું તાપમાન તે વધારે છે. આ રીતે ગરમ થયેલા વાતાવરણનો એટલો ભાગ તેમાંથી ઉષ્માનું ઉત્સર્જન કરે છે. ઉત્સર્જન થતી આ ઉષ્મા ઉપર-નીચેના અવકાશમાં પ્રસરે છે. નીચે તરફ ઉત્સર્જિત થતી ઉષ્મા પૃથ્વીની સપાટી પર પાછી આવી તેના ‘સંતુલિત તાપમાન’માં વૃદ્ધિ કરે છે; પરિણામે પૃથ્વીનું તાપમાન વધે છે. પારરક્ત વિકિરણની વાતાવરણ સાથેની આ પ્રકારની પ્રક્રિયા ‘હરિતગૃહ અસર’ તરીકે ઓળખાય છે.

જો પૃથ્વી ફરતે CO₂નું વધુ પડતું પ્રમાણ ધરાવતો પટ્ટો વીંટળાયેલ હોય તો તે, સૂર્યમાંથી આવતાં બધાં જ પ્રકારનાં સૌરવિકિરણોને પોતાનામાંથી પસાર થવા દઈ, પૃથ્વીની સપાટી સુધી આવવા દે છે; પરંતુ, પૃથ્વીની સપાટીથી પરાવર્તિત થઈ તેના ઉપર આવતાં પારરક્ત વિકિરણનું સંપૂર્ણ શોષણ કરે છે અને તેને પસાર થવા દેતું નથી. આથી તેનું તાપમાન વધે છે. આ તાપમાન પૃથ્વીના ‘સંતુલિત તાપમાન’ સાથે ભળતાં, તે પોતાની ઉષ્મા-ઊર્જાનું બધી દિશાઓમાં સમપ્રમાણમાં ઉત્સર્જન કરે છે. પૃથ્વીની સપાટી તરફ આવતી આ ઉત્સર્જિત ઉષ્મા-ઊર્જા; પૃથ્વીની સપાટી ઉપર સીધી રીતે આવતાં, સૌરવિકિરણ સાથે ભળી જતાં, સપાટી પર બમણી ઊર્જા આયાત થાય છે. પરિણામે તાપમાન બમણી ઊર્જાનું ઉત્સર્જન કરી શકે એટલું વધે છે. આમ, પૃથ્વી પરનું CO₂નું સ્તર, હરિતગૃહના કાચની જેમ વર્તતું હોવાથી, આ પ્રક્રિયાને ‘હરિતગૃહ અસર’ કહે છે.

સૂર્યમાંથી આવતી ‘સૌરવિકિરણ ઊર્જા’ના 30 % ભાગનું વાતાવરણના ઉપલા સ્તરે જ તરત પરાવર્તન થઈ જાય છે, 47 % ભાગનું સીધી રીતે જ સંવેદનીય ઉષ્મામાં રૂપાંતર થાય છે અને બાકીની 23 % ભાગની ઊર્જાનું બાષ્પીભવન દ્વારા ગુપ્ત ઊર્જામાં રૂપાંતર થાય છે.

(iii) આયનમંડળ : પૃથ્વીની સપાટીથી 80 કિમી.થી ઉપરના વાતાવરણના વિભાગને આયનમંડળ કહે છે. તે વાતાવરણના મધ્યાવરણ (mesosphere) અને બાહ્યવાયુ-આવરણ(thermo-sphere)માં વિસ્તરેલું છે. આ આવરણ ઘણા આયનો તેમજ મુક્ત ઇલેક્ટ્રૉનથી બનેલું છે. વૈશ્ર્વિક કિરણો (cosmic rays) અને સૂર્યનાં પારજાંબલી તથા ક્ષ-કિરણોની શક્તિથી વાતાવરણના અણુઓનું આયનીકરણ થાય છે, પરિણામે ધન આયન (+ve) અને ઇલેક્ટ્રૉન (-ve) છૂટો પડે છે. આ સ્તરની વિદ્યુતવાહકતા ઘણી વધારે હોય છે. વાતાવરણના આ વિભાગને લીધે જ આયનમંડળમાં રેડિયો-તરંગો પરાવર્તન પામીને પૃથ્વી પર દૂરના અંતર સુધી જઈ શકે છે અને એ રીતે દૂર-સંદેશાવ્યવહાર (telecommunication) માટે આ સ્તર ખાસ ઉપયોગી થાય છે. એમ જાણવામાં આવ્યું છે કે વાતાવરણના આ સ્તરમાં વધુ ઊંચાઈએ જતાં તાપમાન વધતું જાય છે. સૂર્યનાં પારજાંબલી કિરણો આયનમંડળમાંથી પસાર થાય છે ત્યારે તેનો મોટો ભાગ શોષાઈ જાય છે અને તેથી આ વિભાગનું તાપમાન ઊંચું રહે છે.

આયનમંડળનું સૌથી નીચેનું પડ ‘D’ વિસ્તાર તરીકે ઓળખાય છે, તે 55 કિમી.થી 89 કિમી. સુધી પથરાયેલું છે; તેની ઉપર 89 કિમી.થી 145 કિમી. સુધી પથરાયેલો ‘E’ વિસ્તાર તથા તેની પણ ઉપર 145 કિમી.થી 305 કિમી. સુધી પથરાયેલો ‘F’ વિસ્તાર રહેલો છે. આ ત્રણેય વિસ્તારોનાં ઊંચાઈ અને આયનીકરણ દિવસ-રાત્રિ દરમિયાન તેમજ સૌરવિકિરણોની ઉપલબ્ધિ મુજબ બદલાતાં રહે છે. રાત્રિ દરમિયાન સૌરવિકિરણો ન મળવાથી આયનીકરણનું પ્રમાણ ઘટી જાય છે, પરિણામે રાત્રિ દરમિયાન તેનું અસ્તિત્વ રહેતું નથી, પરંતુ E અને F વિસ્તારો વૃદ્ધિ પામે છે.

વાતાવરણનો આ વિભાગ વિકિરણ દ્વારા થતા સતત મારાની અસર હેઠળ આવે છે. સૂર્યમાંથી આવતા પ્રમાણમાં ધીમી ગતિવાળા, ઇલેક્ટ્રૉન કણો પૃથ્વીના ચુંબકીય ક્ષેત્રને કારણે ધ્રુવો તરફ ફંટાય છે, તેથી ત્યાં ધ્રુવીય જ્યોતિ  ઑરૉરા – નામની અદભુત ઘટના ઉદભવે છે. આ ઘટનામાં અંદર શીઘ્ર ફેરફાર પામતા રહેતા પીળા, ગુલાબી અને લીલા પ્રકાશવાળાં કિરણો અને પટ્ટા જોવા મળે છે. આ ઘટના સરેરાશ 64 કિમી.થી માંડીને 960 કિમી.ના વિસ્તારમાં બને છે. ઉત્તર ગોળાર્ધમાં તેને ઉત્તર ધ્રુવીય જ્યોતિ  ‘ઑરૉરા બોરિયાલીસ’ અને દક્ષિણ ગોળાર્ધમાં દક્ષિણ ધ્રુવીય જ્યોતિ – ‘ઑરૉરા ઑસ્ટ્રાલીસ’ કહે છે.

બીજા એક વર્ગીકરણ મુજબ વાતાવરણને ઉપર વર્ણવેલા ત્રણ વિભાગોને બદલે ચાર વિભાગોમાં વહેંચેલું છે : (i) વિષમતાપમંડળ, (ii) સમતાપમંડળ, (iii) મધ્યાવરણ (mesosphere) અને (iv) ઉષ્માવરણ અથવા બાહ્યવાયુ-આવરણ (thermosphere or exosphere). સામાન્ય સમજ માટે મધ્યાવરણ અને ઉષ્માવરણને આયનમંડળના બે વિભાગો તરીકે ઘટાવી શકાય.

મધ્યાવરણ : વાતાવરણમાં મધ્ય ઊંચાઈએ આવેલું પડ. તે સમતાપમંડળ અને ઉષ્માવરણની વચ્ચે પથરાયેલું છે. તે આશરે 45 કિમી.ની ઊંચાઈથી શરૂ થઈ આશરે 100 કિમી.ની ઊંચાઈએ પૂરું થાય છે. આ પડનું તાપમાન ઊંચાઈ વધવા સાથે ઘટે છે, તેનું સરેરાશ તાપમાન -2° સે. જેટલું હોય છે. સમગ્ર વાતાવરણમાં ઓછામાં ઓછું તાપમાન અહીં, તેના ઉપલા થરમાં પ્રવર્તે છે, એટલા વિભાગને મેસોપૉઝ-મધ્યવિરામી સ્તર કહે છે. ઉત્તર અને દક્ષિણ ધ્રુવો પરના મેસોપૉઝમાં હવાનું તાપમાન 109° સે. સુધી નીચે ઊતરી શકે છે. ધ્રુવો પર જ્યારે ઉનાળાની ઋતુ હોય ત્યારે ત્યાં નિમ્નતમ તાપમાન રહે છે.

વૈજ્ઞાનિકો માને છે કે અહીં પણ વિષમતાપમંડળની જેમ હવાનું મિશ્રણ થતું રહે છે. આ બંને મંડળોમાં ઊંચાઈના વધવા સાથે તાપમાન ઘટે છે. મધ્યાવરણમાં પણ ઝંઝાવાતી પવનો વાય છે. અહીંની હવામાં ઉદભવતી ગતિભિન્નતાનો એક પુરાવો એમાંથી પસાર થતી ઉલ્કાઓના વાંકાચૂકા પથ પરથી મળી રહે છે. વળી, ઉનાળામાં ધ્રુવો પરના આ મંડળમાં પાતળાં વાદળો પણ જોવા મળે છે.

ઉષ્માવરણ (બાહ્યવાયુ–આવરણ) : વાતાવરણનું સૌથી ઉપરનું મંડળ. તે આશરે 85 કિમી.થી શરૂ થઈ આશરે 480 કિમી. સુધી પથરાયેલું હોય છે. અહીં વાતાવરણના વાયુઓનો માત્ર આંશિક ભાગ જ રહેલો હોય છે. આ મંડળના નીચલા થરમાં ઉદભવતું દબાણ પૃથ્વી પર સમુદ્રસપાટીએ રહેતા દબાણની સરખામણીએ માત્ર દસ લાખમા ભાગ જેટલું કે તેથી પણ ઓછું હોય છે.

આ આવરણ પૂર્ણપણે સૌરવિકિરણની અસર હેઠળ રહેલું હોય છે. વિકિરણથી અહીંનું પાતળું વાતાવરણ ગરમ થતું જાય છે, 89 કિમી.ની ઊંચાઈએ તે -93° સે.થી ઝડપથી ગરમ થતું જઈ તેના ઉપલા થરે 1500° સે. સુધી પહોંચી જાય છે. આટલું ઊંચું તાપમાન ત્યાંના અણુ કે આયનોની આંશિક ગતિને કારણે જ હોય છે; પરંતુ, અત્યંત ઓછી ઘનતાને કારણે આ ઊંચું તાપમાન તાપમાપક થરમૉમિટરથી માપી શકાતું નથી. અધિક ગતિને લીધે કેટલાક અણુઓ અવકાશમાં છટકી જાય છે અથવા પૃથ્વીની ફરતી ભ્રમણકક્ષામાં રહે છે. વૈશ્ર્વિક કિરણોની સાથે સાથે અહીં સૌરવિકિરણથી વાતાવરણનું રાસાયણિક બંધારણ પણ બદલાય છે. 80 કિમી.થી 97 કિમી. સુધી ઑક્સિજનના અણુઓ તૂટીને પરમાણુઓમાં ફેરવાય છે. 400 કિમી.થી ઉપર તરફ આ આવરણ મુખ્યત્વે હિલિયમ અને હાઇડ્રોજનથી બનેલું હોય છે. વિકિરણથી અણુઓનું આયનીકરણ પણ થાય છે. આ કારણે તે વિભાગ આયનમંડળ તરીકે પણ ઓળખાય છે.

ગિરીશભાઈ પંડ્યા