Earth's Atmosphere: Evolution, Composition, and Structure

مقدمة عن الغلاف الجوي وخاصياته العامة

• تعريف الغلاف الجوي: غلاف غير مرئي من الهواء يحيط بالكرة الأرضية من جميع الجهات ويُعرف باسم الغلاف الجوي ($Atmosphere$).
• القيمة الحيوية والاقتصادية للهواء: يعد الهواء أرخص ما في الوجود بالمعايير المالية، ولكنه أغلى ما في الوجود بمعايير الحياة؛ حيث لا يستطيع الإنسان أو الكائنات الحية العيش بدونه.
• الكتلة والوزن الكلي: قدر العلماء وزن أو كتلة الهواء بـ $5 \times 10^{15}$ طن (حوالي $5$     مليون بليون طن).
• معدل الاستنشاق اليومي: يستنشق الإنسان يومياً حوالي $9\,kg$ من الهواء، ما يعادل حجمياً حوالي $13\,l$ يومياً.
• المسمى الوظيفي للغلاف: يوصف بـ «الدرع الحامي» الذي يضمن استمرار الحياة على كوكب الأرض.
• وظائف التصفية والحماية الأساسية:
  • يسمح بوصول أشعة الشمس المفيدة إلى سطح الأرض.
  • يمنع وصول الأشعة الضارة والإشعاعات الكونية والنيازك.
  • يلعب دوراً مؤثراً في حدوث عمليات التكاثف وسقوط الأمطار.
• تقسيم سطح الأرض: ينقسم سطح الأرض إلى يابس وماء؛ حيث تبلغ نسبة اليابس حوالي $30\%$، بينما تبلغ مساحة الماء حوالي $70\%$.
• توزيع محطات الأرصاد الجوية: توجد محطات الأرصاد بالقرب من الأماكن المأهولة بالسكان، والتي تقع على مساحة لا تتعدى $15\%$ من المساحة الكلية لسطح الأرض.

نشأة الغلاف الجوي وتطوره التاريخي عبر العصور

• بداية التكون والتحول: بدأ الغلاف الجوي البدائي للأرض في التكون منذ $4$     مليارات عام، وخضع لتغيرات مستمرة منذ نشأته.
• آلية انصهاره وتمايز مكوناته: اندمجت المواد المكونة لكوكب الأرض وانصهرت، ثم أعيد ترتيب مكوناتها بحسب الكثافة؛ فتركزت المواد الأكثر كثافة في المركز (النواة)، بينما اتجهت المواد الأقل كثافة نحو سطح الأرض.
• الغلاف الجوي الأول (مرحلة الغازات الأولية):
  • التركيب الغازي: تمثل بالغازات الخفيفة الأولية مثل الهيدروجين ($H_2$) والهيليوم ($He$)، وهما أكثر الغازات ندرة على الأرض مقارنة بوجودهما في أماكن أخرى في الكون.
  • آلية فقدان الغازات الخفيفة: كان متوسط سرعة جزيئات الهيدروجين والهيليوم أكبر من سرعة الهروب من جاذبية الأرض، مما أدى لتبددها وفقدانها في الفضاء الخارجي.
  • عوامل تبدد الغلاف الأول: الانحراف بعيداً بفعل البخر الضوئي للرياح الشمسية الشديدة في زمن مبكر، ضعف جاذبية الأرض، ووقوع حادث ارتطام عنيف بكويكب، إضافة إلى عدم امتالك الأرض لمجال مغناطيسي نتيجة عدم وجود نواة متمايزة في بداية تشكل الكوكب.
  • الغازات البدائية المصاحبة: انتهى الحال بغلاف الأرض ليضم الأمونيا ($NH_3$)، الميثان ($CH_4$)، بخار الماء ($H_2O$)، ونسباً قليلة من النيتروجين ($N_2$) وثاني أكسيد الكربون ($CO_2$).
  • تأثير النيازك: أبقت قذائف النيازك القوية جزءاً كبيراً من سطح الأرض في حالة منصهرة، وأدخلت كميات إضافية من المياه والميثان والأمونيا وكبريتيد الهيدروجين ($H_2S$) وغيرها من الغازات المكملة.
• مرحلة الغلاف الجوي الثاني (مرحلة غاز الفحم):
  • التوقيت والنشأة: تكون الغلاف الجوي الثاني منذ $2.5$         مليار عام عندما بدأت قشرة الأرض في التبريد وانخفضت كمية بخار الماء.
  • تكثف المياه وانخفاض الضغط: بدأت المياه تتكثف في صورتها السائلة، ونتيجة لذلك قل ضغط الغلاف الجوي، وبدأت المياه السائلة في إذابة الغازات – مثل الأمونيا ($NH_3$) – وإزالتها من الغلاف الجوي لتكون مركبات الأمونيوم والأمينات والمواد الحاوية للنيتروجين المؤهلة لنشأة الحياة.
  • الأمطار الحمضية والصخور: تكونت أمطار حمضية نتيجة تكثف المياه مع غازات مثل ثاني أكسيد الكبريت ($SO_2$)، مما أدى لتشكل معادن جديدة على السطح. وتم العثور على حفائر دقيقة لخلايا مؤيضة للكبريت في صخور يعود عمرها إلى $3.4$         مليارات عام.
  • ظهور الكائنات الحية الضوئية: ظهرت أول الكائنات المائية الضوئية منذ نحو $3.5$         مليارات عام، واستغرقت مليارات السنين لتغيير مكونات الغلاف الجوي.
  • الأيام الأولى الخالية من السحب: بردت الأرض بدرجة كافية لتتكثف غالبية بخار الماء في حالة سائلة، فحظيت الأرض بأول أيامها التي لا تشوبها السحب.
  • التركيب الغازي للمرحلة الثانية: تواجدت الأمونيا والميثان بكميات قليلة، وبلغت نسبة ثاني أكسيد الكربون ($CO_2$) نحو $15\%$، ونسبة النيتروجين ($N_2$) نحو $75\%$، في حين هربت المكونات الأولية أو تحولت إلى سوائل أو تفاعلت كيميائياً لإنتاج مركبات صلبة.
  • محرّكات التغير: كان النشاط البركاني والبكتيريا الضوئية هما العاملين الأساسيين؛ حيث أسهمت الاندفاعات البركانية النشطة في تزويد الجو بكميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون ($CO_2$)، أول أكسيد الكربون ($CO$)، بخار الماء ($H_2O$)، الهيدروجين ($H_2$)، النيتروجين ($N_2$)، الكبريت ($S_2$)، الكلور ($Cl_2$)، ثاني أكسيد الكبريت ($SO_2$)، الأمونيا ($NH_3$)، والميثان ($CH_4$)، ومركبات يعود تاريخها إلى فترة ما قبل الكمبري.
• المرحلة الثالثة (مرحلة الأوكسجين):
  • التوقيت والنشأة: بدأت منذ نصف مليار عام ($0.5$         مليار عام) مترافقة مع ظهور الحياة والتمثيل الضوئي.
  • التفاعلات البكتيرية: مزجت البكتيريا المولدة للميثان الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون لإصدار الميثان والماء. وقامت البكتيريا المقلصة للكبريتات بمزج الميثان وجذور الكبريتات الكيميائية.
  • عملية التمثيل الضوئي (البكتيريا الخضراء المزرقة): استخدمت الكائنات الضوئية أشعة الشمس لتحويل $CO_2$ المتوافر بكثرة إلى نشويات وفق الصيغة الكيميائية ($C_6H_{12}O_6$) وأكسجين ($O_2$).
  • استهلاك الأكسجين الأولي: تفاعل الأكسجين مع الحديد منتجاً مخزوناً من الحديد المؤكسد، واستمر استهلاكه بفعل تأكسد المعادن في القشرة الأرضية، إضافة إلى دور التجوية الكيميائية في أكسدة سطوح الصخور وتحرير غاز الأكسجين للجو.
  • تشكل طبقة الأوزون: هاجرت جزيئات الأكسجين إلى الطبقات العليا من الغلاف الجوي لتقوم الأشعة فوق البنفسجية بتحويل جزيئات الأكسجين ($O_2$) إلى أوزون ($O_3$) على ارتفاع بين $15-35\,km$ فوق سطح الأرض. وتعمل العملية العكسية (تحول الأوزون إلى أكسجين) على إطلاق حرارة، حيث يمتص الأوزون الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة ويحولها إلى حرارة.
  • التفكك الضوئي للمركبات: أسهمت الأشعة فوق البنفسجية في تفكيك المركبات وتحويلها إلى عناصر غازية أساسية: تفكك بخار الماء إلى أوكسجين وهيدروجين، وتفكك النشادر إلى هيدروجين ونتروجين (آزوت)، وتفكك الميثان إلى ذرة كربون و$4$         ذرات هيدروجين.
  • ارتفاع الأكسجين والحشرات العملاقة: بانتشار الكائنات متعددة الخلايا والنباتات البرية، بلغت نسبة الأكسجين في الغلاف الجوي $30\%$، ما سمح بنشوء حشرات عملاقة وتسبب في حرائق متكررة للغابات بفعل البرق.
  • الانقراض الجماعي الأعظم: منذ نحو $251$         مليون عام، انخفضت معدلات الأكسجين من $30\%$ إلى $12\%$، وبلغت مستويات ثاني أكسيد الكربون نحو $2000$         جزء في المليون. قَضى هذا الانقراض البيئي (الأسوأ في تاريخ الأرض) على $90\%$ من الكائنات البحرية و$70\%$ من النباتات والحيوانات البرية. وكان السبب سلسلة أحداث بركانية في سيبيريا استمرت نحو $1$         مليون عام أنتجت كميات ضخمة من $CO_2$ وغازات تحتوي على الكبريت والكلور والفلور.
  • تعافي الأكسجين والاستقرار: ارتفعت مستويات الأكسجين إلى $15\%$ منذ نحو $228$         مليون عام (ظهور الديناصورات)، وواصلت الارتفاع لتصل إلى $23\%$ قبل $100$         مليون عام (أوج الديناصورات وتطور الثدييات والطيور). وطوال المائة مليون عام الأخيرة ترنحت النسبة بين $18\%$ و$23\%$ لتستقر على نسبتها الحالية وهي $21\%$.

أهمية الغلاف الجوي ووظائفه الحيوية

• الحماية من الحطام الفضائي والأجرام السماوية: تعمل قوة الاحتكاك مع الهواء على تدمير وتفتيت الأجسام الكونية والأجرام النيزكية الموجهة لنحوه قبل وصولها لسطح الأرض.
• تقديرات وكالة ناسا ($NASA$): يصل إلى الأرض يومياً حوالي $100$     طن من حطام الفضاء (الناتج عن الاصطدامات في حزام الكويكبات)، ولكن معظمها يصدها الغلاف الجوي وتصل على شكل غبار أو جزيئات متناهية الصغر.
• المقارنة بسطح القمر: لولا الغلاف الجوي لكان سطح الأرض شبيهاً بأسطح القمر ومملوءاً بالفجوات والتجافيف العميقة نتيجة تساقط النيازك بحرية وشبه كاملة.
• السيطرة على النشاط البشرية: يسيطر على كافة أوجه النشاط البشري، ولولاه لما وجدت حياة، ولا سحب ولا رياح ولا عواصف ولا أمطار.
• تحديد المهام والوظائف الأساسية:
  1. تنظيم وتوزيع درجات الحرارة: ينظم وصول أشعة الشمس، ويمنع نفاذ كامل الإشعاع الأرضي للفضاء الخارجي. ولولاه لتجاوز المدى الحراري اليومي 200^\n        \circ C.
  2. الحفاظ على دورة المياه: تقوم الرياح بتوزيع بخار الماء على مناطق العالم المختلفة عبر حركة السحاب.
  3. الحفاظ على الكائنات الحية: يزود جميع الكائنات الحية بالهواء اللازم للتنفس.
  4. نفاذية الأشعة النافعة: يسمح بنفاذ الأشعة المرئية والأشعة تحت الحمراء والأشعة الحرارية والضوئية القادمة من الشمس لتوفر الدفء والأمان.
  5. الحماية من الإشعاعات الضارة: يحمي من الأشعة فوق البنفسجية المسببة لسرطان الجلد والأمراض الجلدية والبصرية، ومن الإشعاعات الكونية الضارة.
  6. درع واقٍ ضد الشهب والنيازك: يتفتت معظمها ويحترق بالاحتكاك بالهواء قبل وصوله للسطح.
  7. وسط للاتصالات والنقل: يعد وسيلة اتصال تستخدمها الطائرات، وينتقل فيه الصوت (ولولا الهواء لساد سكون وهدوء مخيف على الأرض).
  8. تنظيم انتشار الضوء: ينظم توزيع وانتشار الضوء بشكل مناسب وسلس.

مكونات الغلاف الجوي والغازات الرئيسية

• التركيب الغازي العام: يتكون الغلاف الجوي من خليط متداخل من الغازات:
  • غاز النيتروجين ($N_2$): يشكل نسبة $78\%$ من حجم الهواء الجاف (الخالي من بخار الماء).
  • غاز الأكسجين ($O_2$): يشكل نسبة $21\%$ من حجم الهواء الجاف.
  • النسبة المتبقية ($1\%$): خليط غازات بكميات أقل تضم: ثاني أكسيد الكربون ($CO_2$)، الأرجون ($Ar$)، الهيليوم ($He$)، النيون ($Ne$)، الكريبتون ($Kr$)، الزينون ($Xe$)، الأوزون ($O_3$)، والهيدروجين ($H_2$)، بالإضافة إلى بخار الماء والغبار.
• تمركُز الكتلة: تتركز $98\%$ من كتلة الغلاف الجوي في الطبقة الأولى القريبة من السطح وحتى ارتفاع $30\,km$، وتعمل الجاذبية الأرضية على تثبيت هذا الغلاف حول الكوكب.
• الهباء الجوي ($Aerosols$): مجموعة من الجسيمات الصلبة والسائلة الصغيرة العائمة في الجو، تشتمل على حبوب اللقاح، الرماد البركاني، الغبار، والأملاح المتكونة من رذاذ البحر المتطاير.
• الظواهر البصرية وتشتت الضوء:
  • يمر ضوء الشمس (المكون من خليط كلي للألوان) عبر الجو، فتعمل جزيئات الهواء على تشتيت اللونين الأزرق والبنفسجي.
  • تبدو الشمس باللون الأصفر بينما تبدو السماء زرقاء لأن الضوء الأزرق أكثر تشتتاً من غيره.
  • لا يستطيع الإنسان رؤية الضوء فوق البنفسجي لعدم احتواء عينيه على مستقبلات للضوء فوق البنفسجي.
• الخصائص الفيزيائية للهواء: ليس له لون ولا طعم ولا رائحة، ويستدل على حركته بحركة الأشياء أو تكون العواصف والأعاصير.
• دراسة تفصيلية للغازات الرئيسية:
  • 1. ثاني أكسيد الكربون ($CO_2$):
    • يبلغ حجمه في الجو حوالي $335$             جزء في المليون في العروض العليا بنصف الكرة الشمالي.
    • عند دائرة عرض 50^\n            \circ شمالاً يتراوح التركيز ما بين $330$             جزء في المليون في أواخر الصيف إلى $338$             جزء في المليون في فصل الربيع (ويرجع انخفاضه صيفاً إلى امتصاصه بواسطة البحار القطبي الباردة).
    • يدخل الجو عن طريق تنفس الكائنات الحية، التحلل الطبيعي، واحتراق الوقود الحفري.
    • يساعد في احتفاظ الأرض بحرارتها ومنع هروبها للفضاء الخارجي فيما يعرف بالصوبة الحرارية ($Greenhouse\,Effect$) أو الاحتباس الحراري.
  • 2. بخار الماء ($H_2O$):
    • يشكل نسبة تصل إلى حوالي $4\%$ من حجم الغلاف الجوي، ولكنه غالباً ينعدم بعد ارتفاع $10\,km$ عن السطح.
    • يُضاف للجو عن طريق التبخر من المسطحات المائية (البحار والمحيطات والأنهار والتربة الرطبة) وعملية النتح من النباتات.
    • يتواجد على شكل غاز غير مرئي، وبزيادته ترتفع الرطوبة النسبية.
    • يمتص بخار الماء مع الأوزون جزءاً من الإشعاع الشمسي والأرضي، مما يؤثر على الميزانية الحرارية والتوزيع الراسي للحرارة.
    • الهواء الدافئ قادر على حمل كمية من بخار الماء أكثر من الهواء البارد.
    • يكون الهواء أقل رطوبة في الأيام الصافية مقارنة بالأيام الغائمة.
    • التكاثف ($Condensation$): عملية تحول بخار الماء إلى قطرات ماء أو بلورات ثلجية عندما تصل درجة حرارة الهواء إلى نقطة الندى أو دونها.
  • 3. غاز الأوزون ($O_3$):
    • يتركز وجوده بصورة رئيسية بين ارتفاع $15-35\,km$، وتوجد أعلى كثافة له بين $20-25\,km$             في طبقة الإستراتوسفير.
    • يتغير حجمه حسب دوائر العرض؛ حيث ينخفض فوق خط الاستواء ويزيد فوق دوائر العرض شمال دائرة 50^\n            \circ شمالاً خاصة في فصل الربيع.
    • يتكون الأوزون من اتحاد $3$             ذرات أكسجين ($O_3$).
    • الأوزون الاستراتوسفيري (الأوزون الجيد): يمتص أشعة الشمس فوق البنفسجية الضارة بيولوجياً.
    • الأوزون السطحي (الأوزون السيئ): ينشأ من الملوثات على سطح الأرض ويكون ضاراً للبشر والنبات والحيوان، بينما يساعد الأوزون الطبيعي القريب من السطح على إزالة الملوثات.
    • ثقب الأوزون ($Ozone\,Hole$): كشفت دراسة للبحرية القطبية البريطانية في مايو $1985$             عن ترقق طبقة الأوزون فوق القارة القطبية الجنوبية. وأطلق المصطلح العالم «شيروود رولاند» الحائز على جائزة نوبل. وتسببت الصور الفضائية للثقب في حشد الدعم الشعبي لتبني بروتوكول مونتريال ($Montreal\,Protocol$).

بنية طبقات الغلاف الجوي

يتشكل الغلاف الجوي من $5$ طبقات متعاقبة مقسمة اعتماداً على التباين الحراري بين مستوياته المناخية:

• 1. طبقة التروبوسفير ($Troposphere$):
  • الترتيب والامتداد: الطبقة الأولى والأقرب لسطح الأرض، تحتوي على غاز الأكسجين، وتمتد من السطح حتى $10\,km$ فوق مستوى سطح البحر.
  • الكتلة والمكونات: تضم ثلاثة أرباع ($75\%$) كتلة الغلاف الجوي، وحوالي $99\%$ من بخار الماء.
  • السمك الجغرافي: يتراوح عمقها بين $17\,km$ عند خط الاستواء و$7\,km$ عند القطبين.
  • النشاط المناخي: تحدث فيها التبادلات الحرارية والاضطرابات والظواهر الجوية، وتقلبات الطقس، وتتكون داخلها السحب المؤدية للأمطار.
  • التدرج الحراري والضغط: ينخفض الضغط الجوي ودرجات الحرارة بالارتفاع؛ حيث تتناقص الحرارة بمعدل $6^\circ C$ لكل $1000\,m$ (أو درجة واحدة لكل $150\,m$). وتزداد سرعة الرياح مع الارتفاع مع وجود حركات هوائية صاعدة.
  • الطبقة الحدية ($Boundary\,Layer$): الجزء الأقرب للسطح حتى ارتفاع $1\,km$، وتستمد خصائصها المناخية من التفاعل المباشر مع الأرض.
  • التيار النفاث ($Jet\,Stream$): يهب في الجزء العلوي من طبقة التروبوسفير.
  • ظاهرة الانقلاب الحراري ($Thermal\,Inversion$): حالة شاذة تحدث خاصة ليلاً في فصل الشتاء، عندما يكون الهواء المالمس للسطح أبرد من الهواء الذي يعلوه، فتزداد الحرارة بالارتفاع داخل طبقة رقيقة. وتحتجز هذه الطبقة الملوثات وتمنعها من الانتشار حتى تقضي الرياح أو الأمطار على الطبقة الدافئة.
  • حد التروبوبوز ($Tropopause$): الفاصل السفلي والأعلى لطبقة التروبوسفير، يقع على ارتفاع $10\,km$ فوق القطبين و$$