تدور الأرض حول نفسها في الوقت الذي يحوط بها الغلاف الجوي الذي هو جزء منها، فالهواء هو المحيط أو الحيز الذي نعيش ونتحرك فيه، وهو مجموعة من الغازات التي لا طعم لها ولا لون ولا رائحة. وهو النسمات التي يتنفسها الإنسان والحيوان والنبات، وبدونه يصبح كل هذا غير قادر على الحياة.
وأبسط مظاهر الهواء المحسوسة تأثيره على الأجسام عندما يتحرك فيعرف حينئذ بالريح، ذلك أن الرياح هي الهواء المتحرك. إننا لا نرى الهواء بأعيننا ولا نستطيع أن نلمسه أو نمسكه بأيدينا ولكن نستطيع أن نلمس آثاره ولذلك تأكد الإنسان منذ القدم من وجود الغلاف الجوي أو الهوائي.
حدود الغلاف الجوي
ظن الإنسان في البداية أن الغلاف الجوي ينتهي عند ارتفاع قدره ۳۰۰ كيلو متر، ولكن أبحاث العلماء أكدت حديثا أنه يمتد إلى ما يزيد عن ألف كيلو متر, وقد توصل العلماء إلى هذه الحقيقة من خلال ملاحظاتهم ومن خلال أبحاثهم.
فهم لاحظوا قديماً أن الإنسان يختنق كلما زاد ارتفاعه عن سطح الأرض ويبدأ ذلك حين يصل إلى ارتفاع ۳ كيلو متر، ولكن توصل العلماء إلى حقيقة مفادها أن هذا الاختناق سببه نقص الأكسجين في الهواء وهو ليس المكون الوحيد للغلاف الجوي، لأنه توجد غازات أخرى وأدرك العلماء أنه ربما ينقص الأكسجين، لكن ليس معنى هذا انتهاء الغلاف الجوي عندما يختنق الإنسان.
وثمة ملاحظة أخرى لاحظها العلماء تؤكد امتداد الغلاف الجوي إلى طبقات عليا وذلك من خلال مشاهدة اشتعال الشهب حيث أدركوا أن هذا الاشتعال سببه احتكاكها بجزئيات الهواء على ارتفاعات قد تصل إلى نحو ٥٠٠ كيلو متر كما أبدوا استنتاجاتهم بملاحظة ظاهرة (الأورورا) وهو الشفق القطبي وهي تحدث على ارتفاع يصل إلى ۷۰۰ميل فوق سطح الأرض فوق المناطق القطبية، وهذا يدل على أن الهواء يوجد هناك وعلى هذا الارتفاع وهذه الظاهرة تحدث نتيجة للتفريغ الكهربائي في أعلى طبقات الغلاف الجوي.
وسائل دراسة الغلاف الجوي
لقد استعان العلماء بوسائل عديدة لدراسة الغلاف الجوي ، وقد تدرجت هذه الوسائل ابتداءً بالقياسات من فوق قمم الجبال العالية، ثم الاستعانة بالبالونات التي صعدت في الجو تحمل رواد الطيران الرأسي ، ثم الطائرات ، ثم البالونات التي أُعدت خصيصاً لعمليات الأرصاد الجوية والمزودة بالأجهزة اللاسلكية وأدوات القياس ، ثم موجات الرادار التي انطلقت إلى الهواء للكشف عما به من الأجسام، وبعد ذلك تم الاستعانة بالوسائل الفلكية الخاصة بمراقبة الإذاعات الكونية وأيضاً مراقبة وهج الأورورا.
وأخيراً استعان العلماء بالأقمار الصناعية حيث انطلقت مئات منها لتتجاوز حدود الجاذبية الأرضية لتؤكد وجود الغلاف الجوي في ارتفاعات ما كان يعتقد العلماء بتواجد الهواء فيها حيث أكدت أن الهواء موجود على ارتفاعات تصل إلى نحو ١٠٠٠ كيلو متر.
ضغط الهواء
إن الجو من حول الأرض محيط هوائي مترامي الأطراف، يرتفع فوق الرؤوس والموجودات فوقها مئات الأميال ، وتتكدس جزئياته على سطح الأرض فتخلق ضغطاً كبيراً على جوانبنا وجوانب كل شيء، وقد بنيت أجسامنا بحيث تتحمل ضغط كتل الهواء المتراكمة من فوقنا كما تتحمل الأسماك في أعماق المحيطات ضغط المياه المتراكمة من فوقها.
الضغط الجوي هو القوة التي يمارسها الهواء على سطح الأرض وعلى الأجسام الموجودة عليها. يتسبب الضغط الجوي في حدوث الرياح والتيارات الهوائية، ويؤثر على الطقس والمناخ. وحدة قياس الضغط الجوي هي الباسكال، ويمكن قياس الضغط الجوي باستخدام مقياس الضغط الجوي الذي يعرف باسم البارومتر.
الضغط الجوي يتأثر بعدة عوامل، منها:
- الارتفاع عن سطح الأرض: كلما ارتفعنا في الجو إلى ارتفاع أعلى، فإن الضغط الجوي ينخفض ويصبح أقل بشكل تدريجي. ويحدث ذلك لأن كمية الهواء القائمة فوق أي نقطة ما تقل كلما ارتفعنا في الجو، وبالتالي يقل الوزن الذي يمارسه الهواء على النقطة المراد قياس الضغط الجوي فيها.
- درجة الحرارة: يتأثر الضغط الجوي بدرجة الحرارة، فعندما يرتفع الهواء يمتد ويصبح أخف وزناً، وبالتالي يقل الضغط الجوي، وعلى العكس عندما ينخفض الهواء يتقلص ويصبح أثقل وزناً وبالتالي يزداد الضغط الجوي.
- الرطوبة: يؤثر الرطوبة على الضغط الجوي بشكل طفيف، إذا كان الهواء رطباً فإن الضغط الجوي يكون أقل بقليل، وذلك لأن الرطوبة تقلل كثافة الهواء.
- حركة الرياح: يمكن لحركة الرياح والتيارات الهوائية أن تؤثر على الضغط الجوي، فعندما تتحرك الهواء من مناطق ذات ضغط جوي عالٍ إلى مناطق ضغط جوي منخفض، فإنه يمارس قوة على السطح ويؤدي إلى ارتفاع الضغط الجوي في هذه المناطق.
- الحرارة الشمسية: تؤثر الحرارة الشمسية على الضغط الجوي، إذا كانت الشمس تسطع بشكل قوي فإنها تسخن الهواء في الجو وتؤدي إلى ارتفاع الضغط الجوي، وعلى العكس إذا كانت الشمس مخفضة فإنها تبرد الهواء في الجو وتؤدي إلى انخفاض الضغط الجوي.
التناغم بين الجاذبية وضغط الهواء
يوجد تناغم بين جاذبية الأرض والضغط الجوي، إذ يتأثر الضغط الجوي بتأثير قوة الجاذبية للأرض. فعلى سبيل المثال، يُعتبر الجو ضاغطاً على سطح الأرض بسبب قوة الجاذبية الكبرى للأرض، ويؤدي التغير في الضغط الجوي إلى تغير في قوة الجاذبية الناتجة عن الأرض.
وبالتالي، يمكن أن يؤدي تغير الضغط الجوي إلى تغير في الارتفاع الفعلي لسطح الأرض. وعلى سبيل المثال، إذا كان الضغط الجوي ينخفض في منطقة معينة، فإن القوة الناتجة عن جاذبية الأرض ستقل، وهذا يمكن أن يؤدي إلى ارتفاع مؤقت في سطح الأرض في تلك المنطقة. وعلى العكس، إذا كان الضغط الجوي يرتفع في منطقة معينة، فإن القوة الناتجة عن جاذبية الأرض ستزيد، وهذا يمكن أن يؤدي إلى انخفاض مؤقت في سطح الأرض في تلك المنطقة.
وبشكل عام، يمكن القول بأن التناغم بين جاذبية الأرض والضغط الجوي يؤثر على الأحوال الجوية والطقس، حيث يمكن أن يساعد في توجيه حركة الرياح وتشكيل السحب وغيرها من الظواهر الجوية.
وزن الهواء
يعتبر الهواء غازاً وليس جسماً صلباً، وبالتالي فلا يمكن حساب وزنه بنفس الطريقة التي نحسب بها وزن الأجسام الصلبة. ومع ذلك، يمكن حساب كثافة الهواء ومن ثم حساب كميته المحيطة بالأرض.
يتكون الهواء بشكل رئيسي من غازي النيتروجين والأكسجين، بالإضافة إلى كميات صغيرة من الغازات الأخرى مثل ثاني أكسيد الكربون والأرجون والهيليوم. وتقدر الكثافة الطبيعية للهواء الجاف عند ضغط جوي عادي ودرجة حرارة 15 درجة مئوية بحوالي 1.225 كيلوغرام لكل متر مكعب.
وبالتالي، يمكن حساب كتلة الهواء المحيطة بالأرض بتحديد حجم الغلاف الجوي المحيط بالأرض، وهو يبلغ حوالي 4 مليارات كيلومتر مكعب، وضربه بالكثافة الطبيعية للهواء. وبذلك، يمكن حساب وزن الهواء المحيط بالأرض بحوالي 5.5 تريليون طن (أو 5.5 × 10^15 كيلوغرام).
مكونات الغلاف الجوي للأرض
يتألف غلاف الأرض الجوي من مجموعة متنوعة من الغازات والجسيمات الدقيقة التي تحيط بالأرض وتتحرك فيها. وتشمل المكونات الرئيسية للغلاف الجوي للأرض:
- النيتروجين: يشكل النيتروجين ما يقرب من 78% من الغلاف الجوي للأرض، وهو غاز غير قابل للاشتعال وغير سام.
- الأكسجين: يشكل الأكسجين ما يقرب من 21% من الغلاف الجوي للأرض، وهو غاز ضروري للحياة البشرية وللاحتراق.
- الأرجون: يشكل الأرجون حوالي 0.9% من الغلاف الجوي للأرض، وهو غاز خامل ولا يتفاعل مع معظم المواد الأخرى.
- ثاني أكسيد الكربون: يشكل حوالي 0.04% من الغلاف الجوي للأرض، وهو غاز ضروري للحياة النباتية ويساعد في الحفاظ على درجة حرارة الأرض.
- الهيليوم والميثان والكريبتون والنيون وغيرها من الغازات النبيلة: تشكل هذه الغازات نسباً صغيرة من الغلاف الجوي للأرض.
بالإضافة إلى الغازات، يحوي الغلاف الجوي للأرض على جسيمات صلبة وسائلة مثل الغبار والدخان وحبوب اللقاح والأملاح المعلقة والجليد العائم في الهواء. كما توجد رطوبة في الهواء على شكل بخار الماء.
طبقات الغلاف الجوي للأرض
يتكون غلاف الأرض الجوي من عدة طبقات تتميز كل منها بمميزاتها الخاصة. وتتراوح سماكة كل طبقة وارتفاعها عن سطح الأرض حسب درجة الحرارة والضغط فيها والتي تتأثر بعوامل خارجية مثل الشمس والتغيرات في المجال المغناطيسي للأرض. وتشمل الطبقات الرئيسية لغلاف الأرض الجوي:
- الطبقة الأرضية (التروبوسفير): تمتد هذه الطبقة من سطح الأرض وحتى ارتفاع يتراوح بين 8-18 كيلومتر. وتتميز هذه الطبقة بحركة الهواء النشطة والاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة والرطوبة والضغط الجوي.
- الطبقة الستراتوسفيرية: تمتد هذه الطبقة من ارتفاع يتراوح بين 18-50 كيلومتر. وتتميز بوجود طبقة الأوزون فيها التي تمتص الأشعة فوق البنفسجية الضارة من الشمس.
- الطبقة الميزوسفيرية: تمتد هذه الطبقة من ارتفاع يتراوح بين 50-85 كيلومتر. وتتميز هذه الطبقة بانخفاض كثافة الهواء ودرجة الحرارة فيها.
- الطبقة الحدودية (الإشعاعية): تمتد هذه الطبقة من ارتفاع يتراوح بين 85-600 كيلومتر. وتتميز بانخفاض كثافة الهواء وارتفاع درجات الحرارة فيها.
- الطبقة الخارجية (الأيونوسفير): تمتد هذه الطبقة من ارتفاع يتراوح بين 600-1000 كيلومتر. وتتميز هذه الطبقة بتواجد الجزيئات المشحونة كالإلكترونات والأيونات، وتلعب دوراً هاماً في انعكاس الموجات الراديوية.
- الطبقة الخارجية (المغنطوسفير): تمتد هذه الطبقة من ارتفاع يتراوح بين 1000-60,000 كيلومتر. وتتميز هذه الطبقة بتواجد المجال المغناطيسي للأرض الذي يحمي الأرض من الجسيمات المشحونة القادمة من الفضاء.
وتعتبر الطبقة الأرضية والستراتوسفيرية هما الطبقتان اللتان تؤثران بشكل أساسي على الحياة البشرية والمناخ الذي يتمتع به الكوكب.
مراحل تكون الغلاف الجوي للأرض
- يعتقد العلماء أن الغلاف الجوي للأرض قد تكون بطرق مختلفة على مر الزمن. وقد تكون هذه العملية تطورت على مراحل مختلفة، وتشمل المراحل الرئيسية التالية:
- الفترة الأولى: تشير الدراسات الجيولوجية إلى أن الغلاف الجوي الأول المعروف باسم الغلاف الجوي الأولي (Primary Atmosphere) قد تكون نتيجة للانفجارات البركانية العنيفة التي كانت تحدث على سطح الأرض قبل حوالي 4.6 مليار سنة. وكان هذا الغلاف الجوي الأولي يتألف بشكل رئيسي من الغازات البركانية مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان وأمونيا والماء.
- الفترة الثانية: بعد حوالي 500 مليون سنة، بدأت البكتيريا الزرقاء الخضراء في إنتاج الأكسجين خلال عملية التمثيل الضوئي للطاقة. وبدأ الأكسجين يتراكم في الغلاف الجوي، مما أدى إلى تشكيل الغلاف الجوي الثانوي (Secondary Atmosphere) الذي يتألف بشكل رئيسي من النيتروجين والأكسجين والأرجون.
- الفترة الثالثة: بعد حوالي 2 مليار سنة، بدأ الغلاف الجوي في التطور بشكل أسرع، حيث تكونت الطبقة الأوزونية في الستراتوسفير، والتي تساعد في حماية كوكب الأرض من الأشعة فوق البنفسجية الضارة.
- الفترة الرابعة: تتضمن هذه المرحلة التاريخية، التي بدأت منذ حوالي 600 مليون سنة، ظهور الحياة النباتية على الأرض والتي بدأت في استهلاك ثاني أكسيد الكربون وإطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي.
- الفترة الخامسة: تشمل هذه المرحلة الزمنية الحالية والتي تتميز بوجود طبقات الغلاف الجوي المعروفة حالياً والتي تتأثر بشكل كبير بالنشاط البشري مثل زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي والتي تؤثر على المناخ العالمي والبيئة بشكل عام.
يمكن القول بأن تكوين الغلاف الجوي للأرض تطور على مر الزمن ومر بعدة مراحل مختلفة، وكل مرحلة شكلت طبقات مختلفة في الغلاف الجوي وأدت إلى ظهور خصائص ومميزات جديدة في الغلاف الجوي.
ومع ذلك، فإن تأثير النشاط البشري على الغلاف الجوي والبيئة يعتبر أكثر تحديات العصر الحديث، حيث يتسبب في تغير المناخ والتأثير على الحياة البرية والبحرية والإنسانية. لذلك، فإن العمل على الحد من تأثير النشاط البشري على الغلاف الجوي يعد من أهم التحديات العالمية في الوقت الحالي.
أهمية الغلاف الجوي للأرض
الغلاف الجوي للأرض يلعب دوراً حيوياً في الحفاظ على الحياة على سطح الكوكب. وتتمثل أهمية الغلاف الجوي في النقاط التالية:
- حماية الأرض من الأشعة الشمسية الضارة: يحمي الغلاف الجوي سطح الأرض من الأشعة الشمسية الضارة، وخاصةً الأشعة فوق البنفسجية الضارة التي يمكن أن تُسبب أمراض الجلد وتلف النباتات والحيوانات.
- توفير الأوكسجين: يحتوي الغلاف الجوي على الأوكسجين الذي يساعد في الحفاظ على الحياة البشرية والحيوانية والنباتية على سطح الأرض.
- تنظيم درجة الحرارة: يعمل الغلاف الجوي على تنظيم درجة الحرارة على سطح الأرض، حيث يحد من تأثير الأشعة الشمسية الضارة ويحفظ الحرارة اللازمة للحياة.
- توفير المياه: يحتوي الغلاف الجوي على الرطوبة والماء الذي يتحول إلى سحب ويعود للأرض على شكل أمطار وثلوج وبرد، ويساعد على الحفاظ على حياة النباتات والحيوانات والبشر.
- تقليل تأثير الأجسام الفضائية: يحمي الغلاف الجوي الأرض من الأجسام الفضائية التي يمكن أن تسبب تدميراً كبيراً، ويتحمل الغلاف الجوي معظم تأثير هذه الأجسام قبل وصولها إلى سطح الأرض.
- دعم الحياة البحرية: يؤثر الغلاف الجوي على درجة حرارة المحيطات وتياراتها الحرارية والبحرية، ويوفر الأكسجين للكائنات الحية في الماء ويدعم بذلك الحياة البحرية.
- يساعد الغلاف الجوي على حفظ التوازن البيئي ويؤثر على النظام الإيكولوجي والمناخي على سطح الأرض.
لذلك، فإن الغلاف الجوي يعتبر عنصراً أساسياً للحياة على سطح الأرض ويجب الحفاظ عليه وحمايته من التلوث والتغيرات المناخية الضارة.
ماذا يحدث لو كان الهواء أسمك مما هو عليه الآن؟
يُجيب العلماء على هذا التساؤل مؤكدين أنه ستكون هناك أخطار رهيبة على الحياة إذ كان سيمنع مرور الأشعة ذات التأثير الكيماوي الذي تحتاج إليه الزراعة والتي تنتج الفيتامينات والتي أيضاً تقتل الجراثيم ولا تسبب أضراراًللإنسان.
إنها حقاً معادلة عجيبة ... فالهواء موجود بالدرجة التي تحقق أهداف الحياة.
والهواء أيضاً باق رغم الغازات السامة الصادرة من الأرض دون أن يتلوث، ودون أن تتغير نسبته الضرورية لوجود الإنسان. وما يحفظ للهواء نظافته وما يحفظ له نسبته هو المحيط أو الماء الذي يحيط بالأرض, فيقول تعالي : ﴿ أَوَلَمْ يَرَ الَّذِينَ كَفَرُوا أَنَّ السَّمَوَاتِ وَالْأَرْضَ كَانَتَا رَتْقًا فَفَتَقْنَهُمَا وَجَعَلْنَا مِنَ الْمَاءِ كُلَّ شَيْءٍ حَيْ ﴾ [الأنبياء : ٣٠).
إن الغلاف الهوائي (الجوي) ضروري للحياة فوق الأرض، واستمراره بنفس النسبة التي أوجده الله عليها ضروري لاستمرار الحياة، ولا يؤدي الهواء وظيفته ورسالته إلا إذا كان نقياً نظيفاً. وقد تحقق هذا جميعه تحقيقا لمشيئة الخالق في أن تكون الأرض موطناً للإنسان ومسرحاً لحياته. وتحقق هذا رحمة من الله بخلقه.
.
