पृथ्वीचे वातावरण
पृथ्वीचे वातावरण हा पृथ्वीच्या पृष्ठभागालगत तिच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे लपेटून असलेला वायूंचा थर आहे. यावातावरणात नायट्रोजन (७८.00 %), ऑक्सिजन (२१ %), आरगॉन (०.९ टक्के%), कार्बन डायऑक्साईड (०.०3%), आर्द्रता इतर वायु व घटक ०.०७ इत्यादी घटकांचा समावेश आहे. पृथ्वीच्या वातावरणातील वायूंच्या या मिश्रणास हवा असे म्हणतात.
पृथ्वी आणि इतर ग्रह व मोठे उपग्रह यांच्या भोवतालचे अनेक वायूंच्या मिश्रणाचे (हवेचे) आवरण म्हणजे वातावरण होय. पुरेशा सामर्थ्यवान गुरुत्वाकर्षणामुळे वातावरण या स्वस्थ गोलांच्या पृष्ठभागाला चिकटून राहते. स्वस्थ गोल स्वतःभोवती आणि इतर तारे किंवा ग्रह यांच्याभोवती आपल्या आवरणासह निरनिराळ्या अंतरांवरून फिरत असतात. सूर्यकुलातील बुध या उपग्रहाखेरीज बहुतेक सर्व ग्रहांभोवती कमीअधिक प्रमाणात वातावरण आहे. सूर्यापासून दूर असलेल्या ग्रहांभोवती फिरणारे मोठे उपग्रहसुद्धा याला अपवाद नाहीत. हवेशिवाय माणूस जगू शकत नाही. हवा ही सर्व प्राणीमात्रांना जगण्यासाठी आवश्यक आहे.
पृथ्वीचा जन्म ज्या वायूच्या व धुळीच्या ढगापासून झाल्याचे मानतात. त्याच्याशी सध्याच्या वातावरणाचा फारसा संबंध राहिलेला नाही, असे आढळले आहे. पृथ्वीवर ज्वालामुखीतून उत्सर्जित झालेली बाष्पनशील (बाष्परूपात वर आलेली ) द्रव्ये, भूकवचातील खडक, पाणी व पृथ्वीवरील जीवसृष्टी यांनी एकमेकांवर वेळोवेळी केलेल्या रासायनिक व इतर प्रकारच्या प्रक्रियांचा परिणाम होऊन सध्याचे वातावरण निर्माण झालेले आहे. वातावरणात बदल घडवणाऱ्या अशा प्रक्रिया सौर प्रारणाच्या (तरंगरूपी ऊर्जेच्या) तीव्रतेवर आणि गुरुत्वांकर्षणाच्या प्रभावावर अवलंबून असतात.
पृथ्वीच्या वातावरणाचे एकूण वजन ५.६×१०१५ टन (५६ लक्ष अब्ज टन, १ टन = १,०१६ किग्रॅ.) असून ते पृथ्वीच्या वजनाच्या एक दशलक्षांश आहे. वातावरण पृष्ठभागापासून वर शेकडो किमी. उंचीपर्यंत पसरलेले आहे. वातावरणाची घनता व दाब वाढत्या उंचीनुसार कमी कमी होत जातात. पण तापमानात मात्र चढ उतार होत असलेले दिसतात. पृष्ठभागालगत वातावरणाची घनता १.२९ किग्रॅ./मी.3 असून ४० किमी. उंचीवर घनता फक्त ४ ग्रॅ./मी.३ इतकी कमी होते. वातावरणाचा सुमारे ९९% भाग पृष्ठालगतच्या फक्त ३० किमी. जाडीच्या थरांत सामावलेला आहे. मानवावर प्रत्यक्ष परिणाम करणाऱ्या हवामानाच्या बहुतेक घटना यात थरांत घडतात. वातावरणाच्या अति-उच्च निर्वात सम विभागांत सौर प्रारण व चुंबकीय क्षेत्र यांच्या प्रभावाखाली वायुरेणूंच्या एकमेकांशी रासायनिक विक्रिया चालू असतात; पण त्याचे परिणाम भूपृष्ठाजवळ सहजपणे प्रत्यक्ष अनुभवण्यास मिळत नाहीत. समुद्रसपाटीला सरासरी वातावरणीय दाब १,०१३ मिलिबार असतो (१ मिलिबार = १,००० डाइन/सेंमी.२ = वातावरणीय दाबाचा हजारावा भाग). पृथ्वीसभोवार पाण्याचे १० मी. जाडीचे वेष्टन आहे, असे मानल्यास ते वातावरणाइतका दाब निर्माण करील. हवेचे तापमान, आर्द्रता, वारे व ऋतू यांसारख्या घटकांच्या परिणामामुळे भिन्न ठिकाणच्या दाबांत फरक असतो. वाढत्या उंचीनुसार कोणत्याही ठिकाणावरील वातावरणाच्या स्तंभाची उंची कमी होत असल्यामुळे वातावरणीय दाब उंचीनुसार घातीय प्रमाणात कमी कमी होतो.
पृथ्वीला सूर्यापासून ऊर्जा प्राप्त होते. या ऊर्जेचा जवळजवळ ४२% भाग वातावरणातील धुळीचे कण, वायुरेणू, ढग हिम तसेच वाळवंटी प्रदेश यांच्याकडून अवकाशात परावर्तित केला जातो. तसाच ऊर्जेचा काही थोडा भाग परावर्तनाने व प्रकीर्णनाने (विखुरला जाऊन) वातावरणात शोषिला जातो. मात्र प्रत्यक्ष सौर किरणामुळे वातावरण फारसे तापू शकत नाही म्हणजे वातावरण सौर ऊर्जेला बहुतांशी पारदर्शक असते. वातावरण पार करून भूपृष्ठावर आलेल्या सौर किरणांनी समुद्र, खडक व वन्यसृष्टी ही प्रथम तापतात आणि नंतर त्यांना चिटकून असलेली हवा संवहन व अभिसरण क्रियांनी तापते. तापलेली हवा हलकी होऊन वर उचलली जाते व तिच्या जागी थंड हवा येऊन तशीच क्रिया सुरू होते. विषुववृत्ताचा परिसर अधिक तापत असल्यामुळे विषुववृत्तापासून ध्रुवांकडे व भूपृष्ठापासून ऊर्ध्व (वरच्या) दिशेत तापमान कमी होत जाते. त्यामुळे वारे निर्माण होऊन त्यांच्याद्वारे उष्णतेचे वितरण होते. अशा तऱ्हेने सुमारे ५८% ऊर्जेचा विनिमय होतो. तापलेले भूपृष्ठ व उष्ण हवा दीर्घ तरंगलांबीचे अवरक्त (दृश्य वर्णपटातील तांबड्या रंगाच्या अलीकडील अदृश्य) प्रारण उत्सर्जित करू लागतात. यातील काही भाग ढगांवरून परत पृथ्वीकडे परावर्तित होतो. यामुळे ढग असतील त्या ठिकाणी भूपृष्ठ थंड होत नाही. सौर प्रारण शोषणाने पाण्याची वाफ होते व ती वातावरणांत मिसळून वातावरणाला ऊर्जा प्राप्त होते. वाफेचे संद्रवन (पाण्यात रूपांतर) झाल्यावर उष्णता बाहेर पडून परिसराचे तापमान वाढते. पाण्याची वाफ व कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू यांच्यातून लघू तरंगलांबीचे प्रकाश किरण आरपार जातात; पण पृथ्वीकडून उत्सर्जित होणारे दीर्घ तरंगलांबीचे अवरक्त प्रारण त्याच्यात शोषले जातात. अशा तऱ्हेने वातावरण मुख्यतः तळाकडून वर तापत जाते. वातावरणातील हवेची स्थलांतरे (किंवा वारे) प्रक्षोभी (खळबळजनक) असण्याचे हे एक कारण आहे. समुद्रपृष्ठवरून तापत असल्यामुळे सागरातील पाण्याची स्थलांतरे (किंवा प्रवाह) तितकी प्रभावी असत नाहीत. दिवसभरात शोषलेल्या ऊर्जेचे वितरण गतिमान वाऱ्याकडून सर्वत्र होत राहते.
वातावरणात तरंगणारे जलबिंदू, धूलिकण व वायुरेणू यांमुळे आकाशातील ग्रह, ताऱ्यांचे वेध घेण्यास अडथळा होत असला, तरी त्यांच्यामुळे इंद्रधनुष्य, चंद्राला व सूर्याला पडणारी खळी, सूर्योदयापूर्वी व सूर्यास्तानंतर क्षितिजावर दिसणारे मनोवेधक रंग इ. सौंदर्यंपूर्ण आविष्कार पृथ्वीवरून पहावयास मिळतात.
वातावरणाने पृथ्वीवरील जीवांना संरक्षण मिळते. उच्च वातावरणातील ओझोन वायूचा थर सौर प्रारणातील जंबुपार (दृश्य वर्णपटातील जांभळ्या रंगापलीकडील अदृश्य) किरण शोषून घेतो. यामुळे या विनाशकारी प्रारणाचा पृथ्वीवरील सजीवांना उपद्रव होत नाही व पृथ्वीचे तापमान प्रमाणाबाहेर वाढत नाही. वातावरण नसते, तर दिवसा पृथ्वी ९४० से. पर्यंत तापून रात्री -१८५ ०से. इतकी थंड झाली असती व तापमानांतील इतका मोठा दैनंदिन फरक जीवसृष्टीस अपायकारक झाला असता. माणूस व इतर प्राण्यांनी निःश्वासित केलेल्या कार्बन डाय-ऑक्साइड वायूमुळे वनस्पतींचे संवर्धन होते. उलट मानव व अन्य प्राण्यांना वनस्पती ऑक्सिजन वायू उपलब्ध करून देतात. हवेतील पाण्याच्या वाफेमुळे पृथ्वीच्या पृष्ठभागाच्या तापमानाचे नियंत्रण होते. एखाद्या क्षेत्रातील भूपृष्ठ खूप तापल्यास त्यालगतची हवा उष्ण व हलकी होते आणि वर जाऊ लागते व चोहोअंगानी विविध गुणधर्मांच्या वायुराशी त्या क्षेत्रांत प्रवेश करतात आणि मेघनिर्मिती व पर्जन्यासारख्या अनेकविध वातावरणीय आविष्कारांची शृंखला निर्माण होते व शेवटी वातावरणाला त्याची पूर्वस्थिती प्राप्त होते. चंद्रावर वातावरण नसल्यामुळे तेथे अशा प्रकारचे वातावरणातील आविष्कार घडू शकत नाहीत. पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे प्रतिदिनी काही कोटी अशनी (पृथ्वीबाहेरून येणारे खडकाचे तुकडे) सेकंदाला १६ किमी. वेगाने पृथ्वीकडे खेचले जातात. त्यांच्या माऱ्यापासून पृष्ठभागाचे व सजीवांचे संरक्षण केवळ वातावरणामुळे होत असते. वातावरण प्रक्षोभी होते त्या वेळी पृष्ठभागावर अनेक बदल घडून येतात.[१]
पृथ्वीभोवतालच्या वातावरणाचे संघटन
अनेक रासायनिक आणि प्रकाशरासायनिक प्रक्रियांमुळे आणि पृथ्वीपृष्ठापासून खूप दूर असलेले व द्रव्यमानाने हलके असलेले द्रुतगतिमान वायुरेणू पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणाचे बंधन तोडून अवकाशात निघून गेल्यामुळे पृथ्वीभोवतालच्या वातावरणाला गेल्या ५० कोटी वर्षापासून सध्याचे स्थायी स्वरूप प्राप्त झाले आहे. पृथ्वीच्या वातावरणात हायड्रोजन व हेलियम वायू अतिबाह्य थरांत अल्पांशाने आढळतात. पृथ्वीभोवतालचे वातावरण अत्यंत ऑक्सिडीकृत अवस्थेत आहे. वन्यसृष्टीमुळे प्रकाशसंश्लेषण (सूर्यप्रकाशाच्या ऊर्जेचा वापर करून हरितद्रव्याच्या मदतीने हवेतील कार्बन डाय-ऑक्साइड व पाण्याची वाफ यांपासून कार्बोहायड्रेट-अन्नघटक-निर्माण करण्याची क्रिया) होऊन ऑक्सिजन वायु विपुल प्रमाणात निर्माण होतो.
पृथ्वीच्या वातावरणात नायट्रोजन (७८.१ टक्के), ऑक्सिजन (२०.९ टक्के), आर्‌गॉन (१ टक्क्याहून कमी) ह्या मुख्य घटकांबरोबर कार्बन डाय-ऑक्साइड, जलबाष्प आणि ओझोन यांसारखे प्रारणशील (प्रारणाचे शोषण वा उत्सर्जन करणारे) घटकही अल्प प्रमाणात आहेत. नायट्रोजन उदासीन व पाण्यात न विरघळणारा वायू आहे. ज्वालामुखीपासून अगदी अल्प प्रमाणात मिसळलेला ऑर्‌गॉन उदासीन वायू आहे. ह्यामुळे वातावरणातील नायट्रोजन व आर्‌गॉन यांचे प्रमाण फारसे बदलत नाही. कार्बन डाय-ऑक्साइडचे माध्य (सरासरी) प्रमाण दशलक्षभाग कोरड्या हवेत ३४० भाग असे असते. जलबाष्पात खूप मोठे बदल होतात. जलबाष्पाचा मुख्य साठा समुद्र असून जलबाष्पाचे हवेतील प्रमाण हे हवेचे सागरावरील वास्तव्य व तापमान यांवर बहुतांशी अवलंबून रहाते. यांशिवाय पृथ्वीच्या वातावरणात निऑन, हेलियम, क्रिप्टॉन, झेनॉन, मिथेन, हायड्रोजन व नायट्रीक ऑक्साइड (NO) हे वायूही अल्प प्रमाणात असतात. अत्यल्प प्रमाणात कार्बन मोनॉक्साइड (CO), नायट्रस ऑक्साइड (N2O) व नायट्रोजन डाय-ऑक्साइड (NO2) यांसारखे वायूही असतात. अत्यल्प प्रमाणातील ओझोन हा वातावरणाचा एक अत्यंत महत्त्वाचा घटक आहे. तो सौर प्रारणातील अतितापदायक जंबुपार किरणांपासून पृथ्वीवरील जीवसृष्टीचे संरक्षण करतो. वातावरणाच्या खालच्या थरांत कोरड्या हवेच्या मिश्रणातील घटकांच्या प्रमाणात फारसे बदल घडत नाहीत. उच्च वातावरणात सौर प्रारणाच्या परिणामामुळे घटकांत बदल होतात. रेणवीय ऑक्सिजनाचे आणवीय ऑक्सिजनामध्ये रूपांतर होते.
जलबाष्प, ओझोन व कार्बन डाय-ऑक्साइड हे प्रमाण बदलणारे वायू सोडल्यास भूपृष्ठालगतच्या १०० किमी. जाडीच्या थरात उंचीप्रमाणे वातावरणाची घनता कमी होत गेली, तरी इतर वायूंचे प्रमाण प्रत्येक पातळीवर स्थिर असते. यामुळे ह्या थरास समांगावरण हे नाव देण्यात आले आहे . हा वातावरणातील व्यवस्थितपणे ढवळला जात असलेला संमिश्र थर आहे.
१०० किमी.पेक्षा अधिक उंचीवरच्या वातावरणात संमिश्रणक्रिया घडून येत नाही. ६० किमी.च्या उंचीनंतर संपूर्ण वातावरणात सूर्यकिरणातील जंबुपार भाग आणि क्ष-किरण यांची तीव्रता प्रकर्षाने प्रतीत होऊ लागते. त्यामुळे विविध प्रकारांच्या वायुरेणूंचे विच्छेदन होऊन आयन (विद्युत् भारित अणू) निर्माण होतात. १०० किमी. नंतर प्रसरणक्रियेमुळे विविध वातावरणीय घटकांचे विभक्तीकरण होते. हलके वायूरेणू वर उंच फेकले जातात. वाढत्या उंचीप्रमाणे त्यांची संख्या, प्रभाव व वर्चस्व वाढते. अधिक जड वायुरेणू खाली ओढले जातात. तीव्र सौर प्रारणामुळे जलबाष्प व कार्बन डाय-ऑक्साइड या घटकांचे विच्छेदन होते. ३०० किमी.च्या उंचीवर व त्यानंतर आणवीय ऑक्सिजन वायूचे वर्चस्वी परिणाम प्रत्ययास येतात. ८०० किमी.च्या उंचीनंतर प्रथम हेलियम व त्यानंतर हायड्रोजन वायूंचे प्रमाणधिक्य व प्रभाव वाढतो. १०० ते ८०० किमी. उंचीपर्यंतच्या या थराला सातत्याने बदलत्या संघटनामुळे विषमांगावरण ही संज्ञा मिळाली आहे. बहुतेक सर्वच घटक आयनीकृत अवस्थेत असतात. पृथ्वीवरील एका ठिकाणाहून ऊर्ध्व दिशेत गेलेले रेडिओ तरंग या आयनांच्या थरावरून परावर्तित होऊन भूपृष्ठाकडे परत येतात व रेडिओ संदेशवहन सुलभ होते.