वायुमंडल की संरचना और संघटन (Composition and structure of the atmosphere)

इस लेख में, आप भूगोल यूपीएससी के लिए – वायुमंडल की संरचना और संघटन के बारे में पढ़ेंगे ।

वायुमंडल क्या है? (What is the Atmosphere?)

• पृथ्वी के चारों ओर फैले गैसों के आवरण को वायुमंडल कहते हैं। यह बाह्य अंतरिक्ष और जीवमंडल के बीच एक सुरक्षात्मक सीमा बनाता है ।
• वायुमंडल गैसों का एक गतिशील संग्रह है जो निरंतर गतिमान और परिवर्तित होता रहता है । ये गैसें पृथ्वी के चारों ओर कई परतें बनाती हैं जिन्हें संरचना और तापमान द्वारा शिथिल रूप से परिभाषित किया जाता है।
• वर्तमान वायुमंडल की गैसें पृथ्वी के निर्माण के प्रारंभिक चरण का प्रत्यक्ष अवशेष नहीं हैं । वे ज्वालामुखी विस्फोटों, गर्म झरनों, ठोस पदार्थ के रासायनिक टूटने और जीवमंडल से पुनर्वितरण के माध्यम से प्रगति का एक उत्पाद हैं ।
• वायुमंडल जैवमंडलीय पारिस्थितिकी तंत्र का एक महत्वपूर्ण घटक है क्योंकि पृथ्वी की सतह पर जीवन इसी वायुमंडल के कारण है अन्यथा पृथ्वी चंद्रमा की तरह बंजर हो जाती।
• यह पृथ्वी को सूर्य से आने वाले हानिकारक विकिरण से बचाता है । यह लघु-तरंग विकिरण (सूर्य से) की अनुमति देकर और लंबी-तरंग स्थलीय विकिरण (पृथ्वी की सतह से) को रोककर ग्रीनहाउस के रूप में कार्य करता है।
• सभी जीवन रूपों को अपनी जैव-भौतिकीय प्रक्रियाओं को पूरा करने के लिए तापमान की एक विशेष सीमा और सौर विकिरण की आवृत्तियों की एक विशिष्ट श्रृंखला की आवश्यकता होती है। वायुमंडल कुछ आवृत्तियों को अवशोषित करता है और सौर विकिरण की कुछ अन्य आवृत्तियों को पारित करता है। दूसरे शब्दों में, वायुमंडल सौर विकिरण के प्रवेश को नियंत्रित करता है।
• वायुमंडल पृथ्वी की सतह पर तापमान को भी निश्चित सीमा के भीतर रखता है। वायुमंडल की अनुपस्थिति में पृथ्वी की सतह पर दिन और रात के बीच अत्यधिक तापमान मौजूद रहेगा।
• वायुमंडल उल्कापिंड जैसी अलौकिक वस्तुओं की भी देखभाल करता है जो घर्षण के कारण वायुमंडल (सटीक रूप से मेसोस्फीयर) से गुजरते समय जल जाते हैं।

वायुमंडल की संरचना (Composition of the atmosphere)

• वायुमंडल में गैसें तटस्थ, अनावेशित कणों से बनी होती हैं।
• उत्कृष्ट गैसों को छोड़कर, गैस चरण में परमाणु रासायनिक बंधों में अन्य परमाणुओं के साथ इलेक्ट्रॉनों को साझा करते हैं ताकि उनकी इलेक्ट्रॉन संख्या अधिक स्थिर भरे-शेल विन्यास तक पहुंच सके।
• पृथ्वी के वायुमंडल में उत्कृष्ट गैस परमाणुओं और कई प्रकार के अणुओं का मिश्रण होता है।
• वातावरण का निर्माण होता है –
  • गैस (Gases)
  • भाप (Vapour)
  • कण (Particulates)
• इसके अलावा, इसमें बड़ी संख्या में ठोस और तरल कण होते हैं, जिन्हें सामूहिक रूप से एरोसोल कहा जाता है।

गैसें (Gases)

• नाइट्रोजन और ऑक्सीजन स्वच्छ, शुष्क हवा का लगभग 99% हिस्सा बनाते हैं। शेष गैसें अधिकतर निष्क्रिय हैं और वायुमंडल का लगभग 1% हिस्सा हैं।
• ऑक्सीजन , हालांकि वायुमंडल की कुल मात्रा का केवल 21% है, गैसों में सबसे महत्वपूर्ण घटक है। सभी जीवित जीव ऑक्सीजन ग्रहण करते हैं। इसके अलावा, ऑक्सीजन अन्य तत्वों के साथ मिलकर ऑक्साइड जैसे महत्वपूर्ण यौगिक बना सकता है। साथ ही, ऑक्सीजन के बिना दहन संभव नहीं है।
• नाइट्रोजन कुल वायुमंडलीय आयतन का 78% है। यह एक अपेक्षाकृत अक्रिय गैस है और सभी कार्बनिक यौगिकों का एक महत्वपूर्ण घटक है। नाइट्रोजन का मुख्य कार्य ऑक्सीजन को पतला करके दहन को नियंत्रित करना है। यह अप्रत्यक्ष रूप से विभिन्न प्रकार के ऑक्सीकरण में भी मदद करता है।
• कार्बन डाइऑक्साइड जो शुष्क हवा का केवल 0.038% है और दहन का एक उत्पाद है। हरे पौधे, प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से , वायुमंडल से कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करते हैं और इसका उपयोग भोजन बनाने और अन्य जैव-भौतिकीय प्रक्रियाओं को चालू रखने के लिए करते हैं।
  • ऊष्मा का एक कुशल अवशोषक होने के कारण, कार्बन डाइऑक्साइड को जलवायु संबंधी अत्यधिक महत्व माना जाता है। ऊष्मा ऊर्जा बजट में कार्बन डाइऑक्साइड को एक बहुत महत्वपूर्ण कारक माना जाता है।
  • जीवाश्म ईंधन – तेल, कोयला और प्राकृतिक गैस – के जलने में वृद्धि के साथ वातावरण में कार्बन डाइऑक्साइड का प्रतिशत चिंताजनक दर से बढ़ रहा है।
  • वायुमंडल में अधिक कार्बन डाइऑक्साइड का अर्थ है अधिक ऊष्मा अवशोषण। इससे वायुमंडल के निचले स्तर पर तापमान में उल्लेखनीय वृद्धि हो सकती है जिससे जलवायु में भारी बदलाव आ सकता है।
  • कार्बन डाइऑक्साइड और जलवाष्प  पृथ्वी की सतह से 90 किमी तक ही पाए जाते हैं।
• तीसरी महत्वपूर्ण गैस आर्गन है जो केवल 0.93% है।
• ओजोन (03) वायुमंडल में एक और महत्वपूर्ण गैस है, जो वास्तव में एक प्रकार का ऑक्सीजन अणु है जिसमें दो के बजाय तीन परमाणु होते हैं। यह वायुमंडल के आयतन के हिसाब से 0.00006% से कम बनता है और असमान रूप से वितरित होता है। यह 20 किमी से 25 किमी की ऊंचाई के बीच है जहां ओजोन की सबसे अधिक सांद्रता पाई जाती है। यह अधिक ऊंचाई पर बनता है और नीचे की ओर ले जाया जाता है।
  • ओजोन सूर्य से आने वाली हानिकारक पराबैंगनी विकिरण को रोकने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
  • वायुमंडल में लगभग नगण्य मात्रा में पाई जाने वाली अन्य गैसें नियॉन, हीलियम, हाइड्रोजन, क्सीनन, क्रिप्टन, मीथेन आदि हैं।

जल वाष्प (Water Vapour)

• वायुमंडल में वाष्प की मात्रा मात्रा के अनुसार 0 से 5% तक होती है ।
• वायुमंडलीय वाष्प जल निकायों (जैसे समुद्र और महासागरों, झीलों, टैंकों और तालाबों, नदियों, आदि), वनस्पति और मिट्टी के आवरण से नमी और पानी के वाष्पीकरण के माध्यम से प्राप्त होता है।
• वाष्प तापमान पर निर्भर करता है और इसलिए ध्रुवों की ओर तापमान घटने की प्रतिक्रिया में यह भूमध्य रेखा से ध्रुव की ओर घटता जाता है।
• 50-डिग्री और 70-डिग्री अक्षांशों पर नम उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में सतही हवा में वाष्प की सामग्री क्रमशः 2.6%, 0.9% और 0.2% (मात्रा के अनुसार) है।
• वाष्प की मात्रा ऊपर की ओर घटती जाती है।
• कुल वायुमंडलीय वाष्प का 90% से अधिक भाग 5 किमी की ऊँचाई तक पाया जाता है।
• वायुमंडल में नमी की मात्रा कई प्रकार के संघनन और वर्षा का निर्माण करती है जैसे बादल, कोहरा, ओस, वर्षा, पाला, ओलावृष्टि, बर्फ, बर्फबारी आदि।
• आने वाले शॉर्टवेव सौर विकिरण के लिए वाष्प लगभग पारदर्शी है ताकि विद्युत चुम्बकीय विकिरण तरंगें कई बाधाओं के बिना पृथ्वी की सतह तक पहुंच सकें, लेकिन बाहर जाने वाले लॉन्गवेव स्थलीय विकिरण के लिए वाष्प कम पारदर्शी है और इसलिए यह पृथ्वी की सतह और वायुमंडल के निचले हिस्से को गर्म करने में मदद करता है क्योंकि यह अवशोषित करता है स्थलीय विकिरण.

कणिका तत्व (Particulate Matter)

• वायुमंडल में मौजूद ठोस कणों में रेत के कण (अपक्षयित चट्टानों से और ज्वालामुखीय राख से भी प्राप्त), पराग कण, छोटे जीव, कालिख, समुद्री नमक शामिल हैं ; वायुमंडल की ऊपरी परतों में उल्काओं के टुकड़े भी हो सकते हैं जो वायुमंडल में जल गए।
• ये कण सौर विकिरण को अवशोषित करने, प्रतिबिंबित करने और बिखरने में मदद करते हैं जो सूर्योदय और सूर्यास्त के समय लाल और नारंगी रंग के विविध आकर्षक रंग जोड़ते हैं।
• धूल के कणों द्वारा सौर विकिरण के चयनात्मक प्रकीर्णन के कारण आकाश का रंग नीला दिखाई देता है।
• नमक के कण हीड्रोस्कोपिक नाभिक बन जाते हैं और इस प्रकार पानी की बूंदों, बादलों और विभिन्न प्रकार के संघनन और वर्षा के निर्माण में मदद करते हैं।
  • हाइग्रोस्कोपिक न्यूक्लियस  – मुक्त हवा में एक सूक्ष्म कण (जैसे सल्फर डाइऑक्साइड, नमक, धूल या धुआं) , जिस पर जल वाष्प संघनित होकर बूंदें बना सकता है।

वायुमंडल की संरचना (Structure of the Atmosphere)

वायुमंडल को संरचना, घनत्व, दबाव और तापमान भिन्नता के अनुसार विभिन्न परतों में विभाजित किया जा सकता है।

रचना के आधार पर: (Based on Composition)

इसकी संरचना के अनुसार मोटे तौर पर इसे दो परतों में विभाजित किया गया है-

1. सममंडल
2. विषममंडल

सममंडल (Homosphere)

• सममंडलर  वायुमंडल के दो-भागीय विभाजन का निचला खंड है  और इसमें क्षोभमंडल, समतापमंडल और मध्यमंडल नामक तीन क्षेत्र शामिल हैं।
  • क्षोभमंडल पृथ्वी की मौसम परत है। इसमें लगभग सभी मौसम की स्थितियाँ शामिल हैं। जैसे-जैसे आप ऊंचाई पर ऊपर जाते हैं तापमान कम होता जाता है। यह सबसे निचली परत है
  • समताप मंडल सममंडल का मध्य क्षेत्र है।
  • मध्यमंडल सममंडल की सबसे ऊपरी परत है।
• तीनों क्षेत्रों में वायु की संरचना समान है। हालाँकि, जैसे-जैसे ऊंचाई बढ़ती है हवा की सांद्रता काफी कम होती जाती है।
• यह पृथ्वी की सतह से 80 किमी की ऊंचाई तक फैला हुआ है ।

विषममंडल (Heterosphere)

• विषममंडल   एक वायुमंडल की परत है जहां बढ़ती ऊंचाई के साथ आणविक प्रसार द्वारा गैसों को अलग किया जाता है ताकि हल्की प्रजातियां भारी प्रजातियों के सापेक्ष अधिक प्रचुर मात्रा में हो जाएं ।
• विषममंडल में , दो क्षेत्र होते हैं: बाह्य वायुमंडल और बहिर्मंडल । इन दोनों क्षेत्रों को बाह्य अंतरिक्ष माना जाता है ।
  • बाह्य वायुमंडल विषममंडल का निचला क्षेत्र है ।
  • बाह्यमंडल विषममंडल का शीर्ष क्षेत्र है ।
• यह 80 किमी से शुरू होकर 10,000 किमी तक फैला हुआ है।

तापमान में परिवर्तन के आधार पर (Based on Change in temperature)

तापमान और घनत्व की विविधता के अनुसार वायुमंडल को पाँच परतों में विभाजित किया जा सकता है । वे हैं:

1. क्षोभ मंडल
2. समताप मंडल
3. मध्यमंडल
4. बाह्य वायुमंडल (आयन मण्डल)
5. बहिर्मंडल

क्षोभ मंडल: (Troposphere)

• क्षोभमंडल  पृथ्वी के वायुमंडल की सबसे निचली परत है । यह भूमध्य रेखा पर 18 किमी, मध्य अक्षांश पर 13 किमी और ध्रुवों पर लगभग 8 किमी तक फैला हुआ है।
• वायुमंडल का अधिकांश द्रव्यमान (लगभग 75-80%) क्षोभमंडल में है।
• भूमध्य रेखा पर मोटाई अधिक होती है, क्योंकि  गर्म हवा अधिक ऊंचाई तक उठती है ।
• क्षोभमंडल  ट्रोपोपॉज़ के साथ समाप्त होता है ।
• इस परत में तापमान, जैसे-जैसे ऊपर की ओर जाता है,  5°C प्रति किलोमीटर की दर से गिरता है, और ध्रुवों पर -45°C और ट्रोपोपॉज़ पर भूमध्य रेखा पर -80°C तक पहुँच जाता है (भूमध्य रेखा के ऊपर तापमान में अधिक गिरावट का कारण है) क्षोभमंडल की अधिक मोटाई – 18 किमी)।
• तापमान में गिरावट को  ‘लैप्स रेट’ कहा जाता है।  (भविष्य की पोस्ट में इसके बारे में अधिक जानकारी)
• क्षोभमंडल को  तापमान व्युत्क्रमण , अशांति और भंवरों द्वारा चिह्नित किया जाता है।
• यह पूरे वायुमंडल में मौसम विज्ञान की दृष्टि से भी सबसे महत्वपूर्ण क्षेत्र है (लगभग सभी मौसमी घटनाएं जैसे वर्षा, कोहरा और ओलावृष्टि आदि इसी परत तक सीमित हैं)।
• इसे  संवहन क्षेत्र भी कहा जाता है , क्योंकि  सभी संवहन ट्रोपोपॉज़ पर रुक जाते हैं ।
• क्षोभमंडल मौसम का रंगमंच है क्योंकि सभी चक्रवात, प्रतिचक्रवात, तूफान और वर्षा यहीं होती है, क्योंकि सभी जल वाष्प और ठोस कण इसी में स्थित होते हैं।
• क्षोभमंडल ऋतुओं और जेट धाराओं से प्रभावित होता है।

क्षोभसीमा (Tropopause)

• क्षोभसीमा वायुमंडलीय सीमा है जो समतापमंडल से क्षोभमंडल का सीमांकन करती है।
• यह परत  निरंतर तापमान द्वारा चिह्नित होती है ।

समतापमंडल:

• यह क्षोभमंडल के ऊपर स्थित है और दुनिया भर में 50 किमी तक समान रूप से फैला हुआ है।
• इस परत में तापमान कुछ दूरी तक स्थिर रहता है लेकिन फिर 50 किमी की ऊंचाई पर 0°C के स्तर तक बढ़ जाता है।
• यह वृद्धि ओजोन की उपस्थिति के कारण है   (हानिकारक पराबैंगनी विकिरण ओजोन द्वारा अवशोषित होता है)।
• यह परत  बादलों  और संबंधित मौसम की घटनाओं से लगभग मुक्त है, जो  हवाई जहाज उड़ाने के लिए सबसे आदर्श स्थिति बनाती है । इसलिए हवाई जहाज निचले समताप मंडल में उड़ते हैं, कभी-कभी ऊपरी क्षोभमंडल में जहां मौसम शांत होता है।
• कभी-कभी,  सिरस बादल  इस परत में निचले स्तर पर मौजूद होते हैं।

मध्यमंडल:

• मध्यमंडल 50 – 80 किमी तक फैला हुआ है।
• इस परत में तापमान फिर से कम हो जाता है और अपने न्यूनतम औसत -90 C तक पहुँच जाता है। हालाँकि यह तापमान भिन्न-भिन्न हो सकता है।
• समरूप परत मध्यमंडल तक फैली हुई है।
• मेसोस्फीयर की ऊपरी सीमा पर, दूसरी परत में फैले आयनों की एक परत मौजूद है।
• आयनों या आवेशित कणों की यह परत रेडियो तरंगों को परावर्तित करने में सहायक होती है और दूरसंचार में मदद करती है।

बाह्य वायुमंडल:

• थर्मोस्फीयर में   ऊंचाई बढ़ने के साथ तापमान बहुत तेजी से बढ़ता है ।
• आयनमंडल  इसी परत का एक भाग है। यह  80-400 किमी के बीच फैला हुआ है।
• यह परत  रेडियो प्रसारण में सहायता करती है । दरअसल, पृथ्वी से प्रसारित रेडियो तरंगें इसी परत द्वारा वापस पृथ्वी पर परावर्तित होती हैं।
• थर्मोस्फीयर के अत्यधिक कम दबाव के कारण व्यक्ति को गर्मी महसूस नहीं होगी ।
• अंतर्राष्ट्रीय  अंतरिक्ष स्टेशन और उपग्रह  इसी परत में परिक्रमा करते हैं ।  (हालांकि तापमान अधिक है, वातावरण अत्यंत दुर्लभ है – गैस के अणु सैकड़ों किलोमीटर दूर हैं। इसलिए इस परत में किसी व्यक्ति या वस्तु को गर्मी महसूस नहीं होती है)
•  इस परत के निचले भागों में अरोरा देखे जाते हैं।

आयनमंडल:

• यह परत 80 किमी से 400 किमी के बीच स्थित है और एक  विद्युत आवेशित परत है ।
• यह ऊपरी मेसोस्फीयर से थर्मोस्फीयर तक स्थित है।
• आवेशित कण कॉस्मिक किरणों, गामा किरणों, एक्स-रे और पराबैंगनी किरणों की छोटी तरंग दैर्ध्य के अवशोषण द्वारा आयनित होते हैं।
• इसी परत में आने वाले अंतरिक्ष यान और उल्कापिंड घर्षण के कारण गर्म होने लगते हैं।
• सूर्य के विकिरण के कारण तापमान फिर से ऊंचाई के साथ बढ़ने लगता है।

बहिर्मंडल

• यह  वायुमंडल की सबसे ऊपरी परत है  जो आयनमंडल से परे लगभग 400 किमी की ऊंचाई तक फैली हुई है।
• हवा अत्यंत दुर्लभ है और परत के माध्यम से तापमान धीरे-धीरे बढ़ता है।
• हीलियम और हाइड्रोजन जैसी हल्की गैसें   यहीं से अंतरिक्ष में तैरती हैं।
• परत के माध्यम से तापमान धीरे-धीरे बढ़ता है। (चूंकि यह सीधे सूर्य के प्रकाश के संपर्क में है)
• यह परत अंतरिक्ष से मेल खाती है।

Quiz:

1. जेट विमान समतापमंडल में उड़ते हैं, क्षोभमंडल में नहीं।
2. समतापमंडल अरोरा वाली परत है, क्षोभमंडल नहीं।
3. अधिकांश मौसम पैटर्न क्षोभमंडल में घटित होते हैं, समतापमंडल में नहीं।
   सही उत्तर कोड चुनें:
   a) 1, 2
   b) 2, 3
   c) 1, 3
   d) 1, 2, 3

समाधान: (c)

कई जेट विमान समताप मंडल में उड़ते हैं क्योंकि यह बहुत स्थिर होता है।
औरोरस सौर हवा के कारण मैग्नेटोस्फीयर में गड़बड़ी का परिणाम हैं। 
ये कण, मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन ऊपरी वायुमंडल (थर्मोस्फीयर/एक्सोस्फीयर) में अवक्षेपित हो जाते हैं।
क्षोभमंडल पृथ्वी के वायुमंडल की सबसे निचली परत है और यहीं पर लगभग सभी मौसम की स्थितियाँ घटित होती हैं।

1. समताप मंडल में ऊंचाई के साथ तापमान बढ़ता है।
2. मध्यमंडल में ऊंचाई के साथ तापमान घटता जाता है।
3. वायुमंडल का सबसे कम तापमान मध्यमंडल के ऊपरी भाग में दर्ज किया जाता है।
4. ट्रोपोपॉज़ एक समतापीय क्षेत्र है।
   सही उत्तर कोड चुनें:
   a) 1, 2
   b) 1, 2, 3
   c) 3, 4
   d) 1, 2, 3, 4

समाधान: (d)

मेसोस्फीयर का शीर्ष, जिसे मेसोपॉज़ कहा जाता है, पृथ्वी के वायुमंडल का सबसे ठंडा हिस्सा है। ऊपरी मध्यमंडल में तापमान -101 डिग्री सेल्सियस (172 के; -150 डिग्री फारेनहाइट) तक गिर जाता है, जो अक्षांश और मौसम के अनुसार बदलता रहता है।
इज़ोटेर्माल परत को हवा के एक ऊर्ध्वाधर स्तंभ के रूप में परिभाषित किया गया है जिसमें ऊंचाई के साथ एक स्थिर तापमान होता है।

1. पृथ्वी का 99% वायुमंडल पृथ्वी की सतह से 320 किमी की ऊंचाई तक ही सीमित है।
2. प्रारंभिक वायुमंडल के प्रमुख घटक हाइड्रोजन और ऑक्सीजन थे।

उपरोक्त में से कौन सा कथन गलत है/हैं?

• ए) केवल 1
•  बी) केवल 2
•  ग) 1 और 2 दोनों
•  घ) न तो 1 और न ही 2

समाधान: (c)

वायु पृथ्वी के द्रव्यमान का एक अभिन्न अंग है और  वायुमंडल के कुल द्रव्यमान का 99 प्रतिशत भाग पृथ्वी की सतह से 32 किमी की ऊँचाई तक ही सीमित है। आरंभिक वातावरण में ऑक्सीजन अनुपस्थित थी। ऑक्सीजन का वायुमंडलीय स्तर तब तक नहीं बढ़ा जब तक कि ऑक्सीजनयुक्त प्रकाश संश्लेषण अच्छी तरह से स्थापित नहीं हो गया।