વાતાવરણશાસ્ત્ર (Atmospheric Science)

વાતાવરણશાસ્ત્ર (Atmospheric Science) : પૃથ્વીની આજુબાજુ વીંટળાયેલા વાયુમંડળનો અભ્યાસ કરતું શાસ્ત્ર. પૃથ્વીની સપાટીથી 100 કિલોમીટરની ઊંચાઈ સુધીના વિસ્તારના વાયુમંડળમાં સર્જાતી ઘટનાઓનો અભ્યાસ વાતાવરણશાસ્ત્રના વ્યાપમાં ગણાય, જ્યારે તેની ઉપરના વિસ્તારના વાયુમંડળમાંની ઘટનાઓ વાયુશાસ્ત્ર- (aeronomy)ના વ્યાપમાં ગણાય.

પૃથ્વીના 100 કિમી. સુધીના વાતાવરણને ત્રણ સ્પષ્ટ વિસ્તારોમાં વહેંચી શકાય છે. સૌથી નીચેનો, સપાટીથી 15 કિલોમીટર સુધીનો વિસ્તાર તે વિષમતાપમંડળ (ક્ષોભમંડળ) (troposphere). આ વિસ્તારમાં તાપમાન ઊંચાઈ સાથે ઘટતું જાય છે. અને આ કારણે આ વિસ્તારમાં ઊર્ધ્વગામી વાયુપ્રવાહો (convective air currents) મહત્વના છે. રોજબરોજ અનુભવાતી હવામાનની ઘટનાઓ (વર્ષા, વાદળ, ચક્રવાત, આંધી ઇત્યાદિ) આ વિસ્તારમાં સર્જાતી ઘટનાઓ છે. વિષમતાપમંડળની ઉપરની સપાટી ક્ષોભસીમા (tropopause) પર તાપમાન આશરે -40° સે. જેવા લઘુતમ મૂલ્ય પર પહોંચે છે અને ત્યારબાદ તેની ઉપરના સ્તર, સમતાપમંડળ(stratosphere)માં ફરીથી વધવા માંડે છે સમતાપમંડળમાં આ તાપમાનનો વધારો આ વિસ્તારમાં આવેલ ઓઝોન વાયુ દ્વારા સૂર્યનાં વિકિરણોના, પારજાંબલી વિસ્તારમાં થતા શોષણને કારણે હોય છે. સમતાપમંડળની ટોચ જે સમતાપસીમા (stratopause) નામે ઓળખાય છે, તે ~ -50 કિલોમીટરની ઊંચાઈ પર આવેલ સ્તર પર તાપમાન ~ -0° સે જેવું થઈને તેની ઉપરના મધ્યાવરણ (mesosphere) નામે ઓળખાતા સ્તરમાં ઊંચાઈ સાથે ફરીથી ઘટે છે. મધ્યાવરણની ટોચ (સપાટીથી ~ -80 કિલોમિટરની ઊંચાઈ પર) મધ્યસીમા કહેવાય છે અને સમગ્ર વાતાવરણનો આ સૌથી નીચું તાપમાન (~ -80° સે.) ધરાવતો વિસ્તાર છે. મધ્યસીમાની ઉપર ઉષ્માવરણનો વિસ્તાર આવે છે. (જેમાં આયનમંડળ (ionosphere) તરીકે ઓળખાતા વીજાણુ ધરાવતા વિસ્તારોનો પણ સમાવેશ થાય છે. અલબત્ત, અલ્પ પ્રમાણમાં વીજાણુઓ ધરાવતો ‘D’ ‘region’ નામે ઓળખાતો આયનોસ્ફિયરનો વિસ્તાર મધ્યાવરણમાં આવે છે.

અગાઉ જણાવ્યા પ્રમાણે, હવામાન પરત્વેની ઘટનાઓ તો વિષમતાપ-મંડળમાં જ વરતાય છે, પરંતુ સમતાપમંડળ અને કંઈક અંશે મધ્યાવરણમાં સર્જાતી ઘટનાઓ પણ વિષમતાપમંડળની હવામાનની ઘટનાઓ પર અસર કરનારી છે. આમ લાંબા ગાળાના હવામાનના ફેરફારો સમજવા માટે એક તો સમતાપમંડળ અને વિષમતાપમંડળ વચ્ચેની પરસ્પર આંતરક્રિયા (interaction) તેમજ સમતાપમંડળમાં થતા ફેરફારો અંગે જાણકારી મેળવવી જરૂરી બને છે. ખાસ કરીને તો પૃથ્વીના હવામાનમાં શક્ય એવા લાંબા ગાળાના આબોહવાત્મક ફેરફારો(climatic changes)ને સમજવા માટે આ પ્રકારનો અભ્યાસ ઘણો જ મહત્વનો છે અને આ જ કારણે વાતાવરણશાસ્ત્રનો અભ્યાસ હવે ભૂભૌતિક વિજ્ઞાનીઓનું ખાસ ધ્યાન આકર્ષિત કરી રહ્યો છે. પૃથ્વીના હવામાનમાં મોટા ફેરફારો ભૂતકાળમાં તો નૈસર્ગિક પ્રક્રિયાઓને કારણે સર્જાયા છે અને લાંબા અભ્યાસ દ્વારા જણાયું છે કે તેના પાંચ અબજ વર્ષ લાંબા સમયના અસ્તિત્વ દરમિયાન લાંબી અવધિઓના સમયગાળા માટે પૃથ્વીનું હવામાન હાલના પ્રમાણમાં ઘણું ઠંડું રહ્યું છે. આવા ઠંડા સમયગાળાઓ હિમયુગો (ice ages) તરીકે ઓળખાય છે. હાલના જેવા આરામદાયક હવામાનના ગાળાઓ તો આ હિમયુગો વચ્ચે આવતા ~ 20,000 વર્ષની અવધિના સમયગાળાઓ છે, જે આંતરહિમકાળ interglacial periods તરીકે ઓળખાવાય છે. આ પ્રકારના હવામાનના મોટા પલટાઓ પાછળનું વૈજ્ઞાનિક કારણ પૃથ્વીની ધરીના નમનમાં લાંબે ગાળે થતા ફેરફારો મનાય છે; પરંતુ કેટલાક કારણોસર નમનકોણના અલ્પ માત્રાના ફેરફારોની અસર વિવર્ધન (amplification) પામીને હવામાનમાં મોટા ફેરફારો સર્જે છે. વાતાવરણશાસ્ત્રનો એક મહત્વનો ઉદ્દેશ આ વિવર્ધન-પ્રક્રિયાઓ સમજવા અંગેનો પણ છે.

માનવજીવન માટે આ પ્રકારનો અભ્યાસ હવે તો ખાસ અગત્યનો બન્યો છે; કારણ કે ઔદ્યોગિકીકરણને કારણે હવે નૈસર્ગિક ઉપરાંત માનવસર્જિત કારણો દ્વારા પણ હવામાનના ફેરફારો હવે શક્ય છે અને થોડી માત્રામાં પણ પૃથ્વીના વાતાવરણના તાપમાનના ફેરફારોની અસર વિવર્ધન-પ્રક્રિયાઓ દ્વારા હવામાનમાં મોટા ફેરફારો સર્જી શકે તેમ જણાય છે.

ઔદ્યોગિકીકરણ દ્વારા થતા વાયુમંડળના પ્રદૂષણનાં બે મહત્વનાં પાસાં સમજવાં જરૂરી છે. એક છે પૃથ્વીવ્યાપી તાપમાન-વૃદ્ધિ (global warming). પૃથ્વીના વાતાવરણમાં અલ્પ માત્રામાં રહેલ કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ પૃથ્વીના તાપમાનને હાલના મૂલ્ય પર જાળવવામાં ઘણો જ અગત્યનો ભાગ ભજવે છે. પૃથ્વીનું વાતાવરણ સૂર્યના દૃશ્ય પ્રકાશવિસ્તાર માટે તો પારદર્શક છે. આથી સૂર્યપ્રકાશ પૃથ્વીની સપાટી સુધી પહોંચીને તેને ગરમ કરે છે. આ ગરમ થયેલ સપાટી હવે પારરક્ત (ઇન્ફ્રારેડ) વિકિરણોનું ઉત્સર્જન કરે છે. પરંતુ આ રીતે ગરમ થયેલ સપાટી (આશરે 300 કૅલ્વિન) દ્વારા થતું વિકિરણ 10 માઇક્રોન જેવી તરંગ લંબાઈના વિસ્તારમાં હોવાથી તેનું કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ વાયુ દ્વારા પ્રબળ શોષણ થાય છે. આ કારણે સપાટી નજીકના વાતાવરણનું તાપમાન પ્રમાણમાં ઊંચા મૂલ્ય પર જળવાઈ રહે છે. જો આ પ્રકારની ઘટના ના સર્જાતી હોત તો પૃથ્વીની સપાટી છે તેના કરતાં ~ 20° અંશ નીચા તાપમાન પર હોતા આ અસરને ‘હરિતગૃહ અસર’ કહેવાય છે. (અત્રે નોંધીએ કે શુક્રના ગ્રહ પર ઘણા વધુ પ્રમાણમાં આવેલ ગાઢ કાર્બન ડાયૉક્સાઇડના આવરણને કારણે અત્યંત પ્રબળ બનતી હરિતગૃહ અસરને કારણે જ શુક્રની સપાટી ~ 470° સે. જેવા ઊંચા તાપમાને રહે છે.) હવે જો પ્રદૂષણને કારણે કાર્બન ડાયૉક્સાઇડના પ્રમાણમાં વધારો થાય (અન્ય કેટલાક ઔદ્યોગિક પ્રદૂષણના વાયુઓ પણ આમાં અસરકર્તા બની શકે.) તો પૃથ્વીના વાતાવરણના તાપમાનમાં વધારો થાય. છેલ્લા પચાસ વર્ષના ગાળામાં આ પ્રકારે આશરે 0.5° સે. જેટલો તાપમાનનો પૃથ્વી વ્યાપી (global) વધારો નોંધાયેલ જણાય છે. આ ઘટના તે જ વૈશ્ર્વિક તાપમાન-વૃદ્ધિ global warming. દેખીતી રીતે, આમ તો આવો વધારો નગણ્ય લાગે, પરંતુ હવામાનનું નિયંત્રણ કરતી વાતાવરણની પ્રક્રિયાઓમાં જે વિવર્ધન (amplification) સર્જતી પ્રક્રિયાઓ છે તેને કારણે પૃથ્વીના હવામાનમાં મોટો પલટો આવી શકે ખરો. આ કારણે આ પરત્વેના વાતાવરણશાસ્ત્રના વૈજ્ઞાનિક અન્વેષણો હાલ ઘણાં જ મહત્વનાં બન્યાં છે.

બીજું એક મહત્વનું પાસું જોઈએ; જે ઔદ્યોગિક પ્રવૃત્તિઓને કારણે વાતાવરણમાં ઉત્સર્જાતા ક્લૉરો-ફ્લોરોકાર્બન (chlorofluoro carbon) પ્રકારના વાયુઓ (જે સામાન્ય રીતે ફ્રિયૉન વાયુ તરીકે ઓળખાય છે અને રેફ્રિજરેટરમાં બહોળા પ્રમાણમાં વપરાય છે.) તે નીચેના વિષમતાપમંડળમાંથી ઉપરના સમતાપમંડળમાં પહોંચીને જે અસર ઉપજાવે છે તે સંબંધે છે. આ પ્રકારના વાયુઓ કેટલીક ખાસ ઉદ્દીપક (catalytic) રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ દ્વારા સમતાપમંડળના ઓઝોન વાયુનો નાશ કરે છે. પ્રક્રિયાઓ ઉદ્દીપક હોવાથી તેમાં ભાગ લેતા ફ્રિયૉન વાયુનું પ્રમાણ ઘટતું નથી; પરંતુ ઓઝોનનો નાશ થાય છે ! છેલ્લા બે દાયકાઓ દરમિયાન આ રીતે ધ્રુવીય પ્રદેશો પર અવારનવાર ઓઝોનના પ્રમાણમાં વિશાળ વિસ્તારો પર મોટા પ્રમાણમાં ઘટાડા નોંધાયા છે, જેને Ozone holes અર્થાત્ ‘ઓઝોન સ્તરનાં ગાબડાં’ નામે ઓળખાવાય છે. ઓઝોન વાયુ સૂર્યનાં વિકિરણોના નજીકનાં પારજાંબલી (~ 2000 Å તરંગલંબાઈ નજીકનાં) કિરણોનું શોષણ કરીને તેમને સપાટી પર પહોંચતાં અટકાવે છે. આ વિકિરણોનું સજીવ સૃદૃષ્ટિના મહત્વના એવા ઘટક DNA દ્વારા પણ શોષણ થતું હોવાથી તે DNA માટે પણ હાનિકારક છે અને સમગ્ર જીવસૃદૃષ્ટિ માટે ખતરારૂપ બને છે. (પારજાંબલી વિકિરણોની એક અસર ચામડીનું કૅન્સર (skin cancer) છે.) આમ સમતાપમંડળના વાયુમંડળની વિવિધ રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓનો અભ્યાસ પણ ઘણો અગત્યનો બન્યો છે.

આ તો બે મહત્વની વૈજ્ઞાનિકોનું વધુમાં વધુ ધ્યાન ખેંચતી ઘટનાઓની વાત થઈ; પરંતુ વાતાવરણશાસ્ત્રના સમગ્ર વ્યાપમાં તો આવી અનેક ઘટનાઓ અને પ્રક્રિયાઓનો અભ્યાસ હાથ ધરાય છે. જે પૃથ્વી પરના હવામાનના હાલના સ્વરૂપ તેમજ તેમાં લાંબાં ગાળાના શક્ય ફેરફારો સમજવામાં ઉપયોગી નીવડે.

અન્ય એક મહત્વનો વાતાવરણનો ઘટક વાયુદ્રવ્યકણો (aerosols) જેવા પદાર્થોનો છે. આ ઘટક સૂર્યપ્રકાશનું ‘વિખેરણ’ (scattering) કરીને પૃથ્વીની સપાટી સુધી પહોંચતી સૌર ઊર્જાના પ્રમાણમાં ફેરફાર સર્જે છે; એટલું જ નહિ, પરંતુ વિખેરિત ઊર્જા વાતાવરણના અન્ય વિસ્તારોમાં પ્રસરતી હોવાથી જુદા જુદા વિસ્તારોના તાપમાનને અસર કરી શકે છે. નૈસર્ગિક રીતે મોટા પ્રમાણમાં આ પ્રકારનાં રજકણો જ્વાળામુખી વિસ્ફોટો દરમિયાન સમતાપમંડળમાં પહોંચી શકે છે. ઉપરાંત જંગલોના વિનાશ દ્વારા તેમજ ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયાઓમાં પણ આ પ્રકારનાં રજકણો નીચેના વાતાવરણમાં મોટા પ્રમાણમાં ફેલાય છે. સીમિત ક્ષેત્રો પર આની હાનિકારક અસરો અનુભવાઈ રહી છે. પરંતુ આની લાંબા ગાળાની વ્યાપક અસર વાતાવરણશાસ્ત્રના વધુ અભ્યાસનો વિષય છે.

આમ વાતાવરણશાસ્ત્ર સમગ્ર માનવજીવનને અસરકર્તા વાતાવરણ પરત્વેનું હોવાથી તેના અભ્યાસ અર્થે લેવાતાં અવલોકનોમાં પૃથ્વીવ્યાપી સહકાર જરૂરી બને છે. આ પ્રકારનો વિશ્વવ્યાપી અભ્યાસ ઉપગ્રહો ઇત્યાદિ પ્રણાલીઓ દ્વારા હાલ પ્રગતિમાં છે.

જ્યોતીન્દ્ર ન. દેસાઈ