مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تهيه کننده:

« محمد علي اجلّي »

 

 

آموزش و پرورش ناحيه 3 قم

 

 

 

تابستان 1385

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فهرست مطالب............................................................................................................................... 1

مقدمه. 3

مشخصات جغرافيايي زمين.. 4

شكل زمين.. 4

طرز تعيين شعاع زمين.. 5

تسطيح قطبين زمين.. 6

قطبين، استوا، مدارات، نصف النهارات... 6

مختصات جغرافيايي زمين.. 6

حركت وضعي زمين.. 7

حركت انتقالي زمين.. 7

خشكي ها و درياها8

تقسيم بندي زمين براساس آب و هوا10

قسمت هاي اصلي زمين.. 10

هوا كره. 12

تركيب هوا12

ضخامت هوا13

تقسيم بندي لايه هاي هوا13

دماي هوا15

فشار هوا16

رطوبت هوا18

ابر و مه. 19

باران، برف و تگرگ.... 22

باد. 23

رعد و برق و صاعقه. 24

تودة هوا و جبهه هوا26

آب و هواي مختلف... 27

آب كره. 29

آب كره. 30

رودخانه ها و جويبارها30

مشخصات رودخانه ها31

اقيانوس ها و درياها33

درياچه ها و مردابها39

آبهاي زيرزميني.. 42

يخچالهاي طبيعي.. 48

انواع يخچالها49

قسمت سنگي زمين يا سنگ كره 51

نحوه مطالعه ساختمان داخلي زمين.. 51

پوسته زمين.. 53

گوشته زمين.. 54

هسته زمين.. 57

تركيب شيميايي كلي زمين.. 58

خواص كانيها و نحوه تشكيل آنها59

تبلور. 59

خواص عمومي كانيها61

طرز تشكيل كانيها63

انواع كانيها72

سنگها73

توزيع سنگها در پوسته زمين.. 74

سنگهاي آذرين.. 74

سنگهاي رسوبي.. 76

سنگهاي دگرگوني.. 77

منابع. 79

 

مقدمه

کره زمين يکي از سياره هاي جامد منظومه شمسي مي باشد که از سنگ و کاني ها تشکيل يافته و يک سطح جامد دارد که بخش بزرگي از اين سطح جامد را آب فرا گرفته اما بخش ديگر از روي سطح (فضاي بالاي زمين) را هوا فرا گرفته که متشکل از چندين نوع گاز و مواد ديگر است که در اين مقاله سعي شده ابتدا در مورد وضعيت جغرافيايي زمين مطالبي گفته شود و سپس در مورد قسمت هاي اصلي زمين يعني آب ها و سنگ ها و کاني ها بحث شود و پس از آن در مورد خواص کاني ها و سنگ ها و چگونگي تشکيل آنها بحث مي شود و در آخر در مورد تقسيم بندگي سنگ هاي (آذرين، رسوبي و دگرگوني) بحث به ميان خواهيم آورد.

 

 

 

 

مشخصات جغرافيايي زمين

شكل زمين

انسان ها از زمان هاي قديم به دنبال پي بردن به وضعيت و شكل كره زمين بوده اند. آنها آرزو داشتند تا شكل زمين را از يك فاصله دور به طور كلي مشاهده كرده و بررسي نمايند.

هرچند كرويت زمين از زمان هاي خيلي پيش و با تكيه به بعضي دلايل فيزيكي مشخص شده بود (530 قبل از ميلاد توسط فيثاغورث) ولي امروزه با استفاده از پروازهاي فضايي مي توان كرويت آن را به چشم ديد و از آن عكسبرداري كرد.

گرچه در مرحله اول مي توان زمين را به شكل يك كره به شعاع متوسط 6371 كيلومتر در نظر گرفت، ولي مي دانيم كه كرويت زمين كامل نيست بلكه در قطبين كمي فرورفتگي دارد به طوري كه شعاع استوايي آن 6378 و شعاع قطبي آن 6356 كيلومتر است. در اينجا بايستي تذكر دهيم كه شكل زمين با بيضوي دوار و اصولاً با هيچيك از اشكال هندسي منطبق نيست.

بهترين تعريفي كه براي شكل زمين مي توان در نظر گرفت آن است كه زمين را به شكل زمين در نظر گيريم. اين شكل كه در نقشه برداري مورد استفاده قرار مي گيرد به نام «زمين ديس» خوانده مي شود و مي توان آن را به عنوان سطح متوسط آب اقيانوس ها تعريف كرد. با اين تعريف براي مشخص كردن سطح زمين در خشكي ها، بايستي ادامه فرضي سطح آب اقيانوسها را در آن نقطه محاسبه كرد و آن را به عنوان زمين ديس در نظر گرفت.

 

 

 

 

شكل (زمين ديس)

جدول. مشخصات عمومي زمين

رديف	شرح	واحد	مقدار
1	شعاع استوايي	كيلومتر	6378260
2	شعاع قطبي	كيلومتر	6356911
3	شعاع متوسط	كيلومتر	6371221
4	محيط استواي زمين	كيلومتر	40077
5	محيط قطبي	كيلومتر	40009
6	سطح زمين	كيلومتر مربع	510000000
7	حجم زمين	كيلومتر مكعب	1012× 108315
8	مساحت آبهاي زمين	كيلومتر مربع	365982450
9	مساحت خشكي هاي زمين	كيلومتر مربع	144118025

 

طرز تعيين شعاع زمين

در سال 240 قبل از ميلاد، اراتوستنس رييس كتابخانه اسكندريه براي اولين بار شعاع زمين را اندازه گرفت. وي شنيده بود كه در شهر سين كه امروزه به نام اسوان خوانده مي شود، آفتاب در ظهر روز اواسط تابستان، به طور قائم مي تابد و امتداد شاغولي بدون سايه است در صورتي كه در همان ساعت در شهر اسكندريه كه به فاصله تقريبي 772 كيلومتر از آن قرار داشت، امتداد شاغولي داراي سايه بود. وي بعد از اندازه گيري متوجه شد كه در اين نقطه آفتاب با امتداد شاغولي زاويه 7 درجه و 12 دقيقه تشكيل مي دهد.

شكل. طرز تعيين شعاع زمين

با استفاده از روابط ساده هندسي وي توانست شعاع زمين را به شرح زير محاسبه كند:

كيلومتر = محيط زمين

چنانكه مي دانيم اين عدد خيلي نزديك به اندازه واقعي محيط زمين است (40000 كيلومتر). امروزه نيز از همين روش براي محاسبه شعاع زمين استفاده مي شود، اما براي جلوگيري از خطاي پارالاكس، به جاي قراول روي به خورشيد، به يكي از ستاره ها قراول مي روند و نيز فاصله دو نقطه را زيادتر انتخاب مي كنند تا محاسبات دقيقتر باشد.

تسطيح قطبين زمين

هرگاه قطر استوايي زمين را به D_e و قطر قطبي آن را به D_p نشان دهيم، تسطيح قطبين زمين F طبق رابطه زير تعريف مي شود:

= تسطيح قطبين

مقدار تسطيح از طريق ارقام جدول، است، ولي محاسباتي كه با استفاده از ماهواره ها شده اين مقدار را بدست داده كه مسلماً مقدار اخير صحيح تر است.

قطبين، استوا، مدارات، نصف النهارات

هرگاه زمين را به شكل يك كره در نظر گيريم، مي توانيم براي آن نيز نظير كره عالم، قطبين، استوا، مدارات و نصف النهارات را تعريف كنيم. قطبين زمين در دو انتهاي محور آن قرار دارند و استواي آن دايره عظيمه ايست كه فاصله اش از دو قطب يكسان است. مدارات دواير كوچكتري هستند كه با استوا موازيند. نصف النهارات در حقيقت دواير عظيمه اي هستند كه از قطبين زمين مي گذرند. دو مداري را كه در عرض 23 درجه و 27 دقيقه شمالي و جنوبي قرار دارند به ترتيب به نام مدارات رأس السرطان و رأس الجدي مي خوانند.

مختصات جغرافيايي زمين

براي مشخص كردن موقعيت نقاط در روي كره زمين، از دو مختصات طول و عرض جغرافيايي استفاده مي كنند.

طول جغرافيايي: طول جغرافيايي هر نقطه زاويه بين نصف النهار آن نقطه و نصف النهاري است كه به عنوان مبدأ انتخاب شده است (نصف النهار گرينويچ). طول جغرافياي به 180 درجه شرقي و 180 درجه غربي تقسيم مي شود.

عرض جغرافيايي: عرض جغرافيايي هر نقطه، زاويه بين خط قائم آن نقطه و سطح استوا است. بسته به اينكه نقطه در بالا يا پايين سطح استوا باشد، عرض نقطه شمالي يا جنوبي خواهد بود.

حركت وضعي زمين

مي دانيم كه زمين در هر 24 ساعت يك بار به دور محوري كه نسبت به سطح مدار آن زاويه 23 درجه و 27 دقيقه تشكيل مي دهد مي چرخد. به علت صلب بودن زمين، سرعت خطي نقاط مختلف آن متفاوت است به طوري كه سرعت خطي زمين در استوا 7/465 متر در ثانيه و سرعت خطي آن در قطبين صفر است.

حركت انتقالي زمين

زمين در هر 365 روز و 6 ساعت يك بار روي مدار بيضي شكلي كه قطر بزرگ آن 930 ميليون كيلومتر طول دارد و خروج از مركز آن 167 0/0 است به دور خورشيد مي چرخد. سرعت حركت انتقالي زمين تقريباً 108000 كيلومتر در ساعت است. تمايل محور زمين نسبت به مدار آن، در طول حركت انتقالي فصول را به وجود مي آورد.

 

 

 

 

 

 

شكل. حركت انتقالي زمين

خشكي ها و درياها

آشنايي: از نظر جغرافيايي زمين را مي توان به دو قسمت خشكي ها و درياها تقسيم بندي كرد. براساس آخرين اندازه گيري ها، تقريباً 71 درصد زمين از آب پوشيده شده است و بقيه يعني 29 درصد آن را خشكي ها تشكيل مي دهد. بايستي توجه داشت كه توزيع خشكي ها و آبها در نيمكره شمالي و جنوبي زمين يكنواخت نيست بلكه اغلب خشكي ها در نيمكره شمالي و بيشتر آبها در نيمكره جنوبي قرار گرفته است، به طوري كه مي توان نيمكره شمالي را نيمكره خشكي و نيمكره جنوبي را نيمكره دريايي نيز نامگذاري كرد.

مساحت خشكي هاي نيمكره شمالي 116 و مساحت خشكي هاي نيمكره جنوبي فقط 29 ميليون كيلومتر مربع و شامل آمريكاي جنوبي، استراليا، جنوب آفريقا و زمينهاي قطب جنوب است.

خشكي ها: از نظر پستي و بلندي خشكي ها را به سه دسته كوهها، فلاتها، دشتها تقسيم مي كنند:

الف) كوهها؛ كوهها مناطقي مرتفع از سطح زمين اند كه وسعت سطح بالايي آنها خيلي كم است. مرتفع ترين قله زمين اورست و ارتفاع آن از سطح دريا 8848 متر است.

ب) فلاتها؛ اين نام به قسمت هاي مرتفع زمين كه سطح بالايي آنها وسعت زيادي داشته باشد اطلاق مي شود.

ج) دشتها؛ قسمتهاي مسطح و كم ارتفاع زمين دشت ناميده مي شود.

به طور كلي مي توان گفت كه مناطق مرتفع در سطح زمين وسعت بسيار كمي را داراست و ارتفاعات بيش از 4000 متر توسعه زيادي ندارند به طوري كه ارتفاع متوسط بيش از نيمي از خشكي هاي زمين كمتر از 500 متر است.

بر مبناي جدا بودن خشكي ها از يكديگر، آنها را به 5 قاره تقسيم مي كنند.

 

 

 

جدول. تقسيم بندي قاره ها

رديف	قاره	وسعت به ميليون كيلومتر مربع	درصد به نسبت خشكي ها	درصد به نسبت سطح زمين
1	آسيا	3/44	6/30	7/8
2	امريكا	39	9/26	6/7
3	افريقا	1/30	8/20	9/5
4	اروپا	1/10	7	2
5	اقيانوسيه	9	2/6	8/1

 

بقيه وسعت خشكي ها را كه بالغ بر 5/12 ميليون كيلومتر مربع است (5/8 درصد خشكي ها و 4/2 درصد سطح زمين) سرزمينهاي قطبي تشكيل مي دهند.

در مورد تفكيك بودن قاره ها استثناهايي هم وجود دارد. مثلاً با اينكه قاره هاي آسيا و اروپا كاملاً به هم متصل اند با اين وجود به نام دو قاره جداگانه نامگذاري شده اند و نيز امريكاي شمالي و جنوبي با وجودي كه كاملاً از هم جدا هستند به نام يك قاره خوانده مي شوند.

درياها: چنانكه گفتيم بيش از 71 درصد سطح زمين را آب پوشانيده است. عميق ترين نقطه اقيانوسها در محلي به نام ميندانائو در اقيانوس كبير قرار دارد كه عمق آن به 10793 متر مي رسد، ولي عمق اقيانوسها زياد نيست و فقط ⅓ اقيانوس ها بيش از 4000 تا 5000 متر عمق دارند.

تقسيم بندي آبهاي زمين به مراتب مشكل تر از خشكي هاست، زيرا تمام آبها به هم متصل اند، ولي آبهاي زمين را نيز براساس وضعيتشان نسبت به قاره ها تقسيم كرده اند.

جدول. تقسيم بندي اقيانوس ها

رديف	قاره	وسعت به ميليون كيلومتر مربع	درصد به نسبت خشكي ها	درصد به نسبت سطح زمين
1	آسيا	3/44	6/30	7/8
2	امريكا	39	9/26	6/7
3	افريقا	1/30	8/20	9/5
4	اروپا	1/10	7	2
5	اقيانوسيه	9	2/6	8/1

تقسيم بندي زمين براساس آب و هوا

زمين را از نظر آب و هوا به منطقه به شرح زير تقسيم مي كنند:

الف) منطقه استوايي؛ كه بين عرض هاي 27 و ^ْ 23 شمالي و جنوبي (بين مدارات رأس السرطان و رأس الجدي) واقع است.

ب) منطقه معتدله شمالي؛ اين منطقه بين مدار رأس السرطان و مدار با عرض جغرافيايي 33/66 درجه شمالي واقع است.

ج) منطقه معتدله جنوبي؛ اين منطقه بين مدار رأس الجدي و مدار با عرض جغرافيايي 33/66 درجه جنوبي قرار دارد.

د) منطقه منجمد شمالي؛ كه بين مدار با عرض جغرافيايي 33/66 درجه شمالي و قطب شمال واقع است.

ه‍ ( منطقه منجمد جنوبي؛ كه بين مدار با عرض جغرافيايي 33/66 درجه جنوبي و قطب جنوب قرار دارد.

قسمت هاي اصلي زمين

تعريف: به طور كلي مي توان گفت كه زمين از سه قسمت اصلي زير تشكيل شده است:

الف) پوشش گازي يا هوا كره كه به صورت قشري سرتاسر زمين را احاطه كرده است.

ب) قسمت آبي يا آب كره كه از اقيانوسها، درياچه ها، رودخانه ها، آبهاي زيرزميني و يخچالهاي طبيعي تشكيل شده است.

ج) قسمت سنگي كه مهمترين واحد زمين و خود از قسمت هاي زير تشكيل شده است.

- پوسته

- گوشته

- هسته

در جدول زير مشخصات اين واحدها نشان داده شده است.

جدول. مشخصات واحدهاي تشكيل دهنده زمين

رديف	قسمت	مواد تشكيل دهنده	حالت فيزيكي	ضخامت متوسط كيلومتر	حجم ميليون كيلومتر مكعب	جرم مخصوص گرم بر سانتيمتر مكعب	جرم كلي گرم	درصد جرم
1	هوا كره	ازت، اكسيژن، آب، دي اكسيد كربن و گازهاي ديگر	گازي	-	-	-	1024 × 5 00/0	9 0000/0
2	آب كره	آب، نمك، برف، يخ	مايع و جامد	8/3	1370	3 0/1	1024× 41/1	24 0/0
3	پوسته	سليكاتهاي معمولي	جامد	33	8870	8/2	1024× 10/25	4/0
4	گوشته	سليكاتهاي بازي، احتمالاً سنگهاي حاوي اليوين و پيركسن	جامد	2883	899000	5/4	1024× 4016	2/67
5	هسته	آهن و نيكل	قسمت خارجي مايع قسمت داخلي جامد	3471	175000	11	1024×1936	4/32
6	زمين			6371	1083220	52/5	1024×5976	100

 

بايستي در نظر داشت كه اين سه قسمت كاملاً از هم تفكيك نيستند بلكه در هر قسمت ناخالصي هايي از دو قسمت ديگر وجود دارد. مثلاً در پوشش گازي زمين، هميشه مقداري بخار آب و ذرات ريز گرد و غبار موجود است و يا آبهاي زمين، محتوي ذرات ريز جامد و نيز مقدار زيادي هواست و بالاخره در خلل و فرج قسمتهاي سخت زمين، هميشه مقداري آب و هوا وجود دارد.

با وجودي كه قسمت سنگي قسمت اصلي وزن و حجم زمين را تشكيل مي دهد معذلك اهميت دو قسمت ديگر را با وجود حجم و وزن نسبي كم، نبايستي از نظر دور داشت. مثلاً آب يكي از مواد اصلي حيات است و بدون آن مسلماً زندگي نمي توانسته در زمين وجود داشته باشد. به علاوه، آب به صورت باران، برف، يخ، رودخانه، درياچه و دريا از نظر زمين شناسي نيز عمل مهمي را در فرسايش و رسوب گذاري انجام مي دهد. اهميت هوا نيز بر كسي پوشيده نيست. در اينجا بايستي علاوه بر اهميت آن از نظر حيات، تأثير آن را به عنوان يكي از عوامل مهم زمين شناسي يادآوري كنيم. به عنوان مثال تركيب اكسيژن و دي اكسيدكربن موجود در هوا با سنگهاي زمين، باعث تجزيه و در نتيجه خرد شدن آنها شده و در نتيجه موجب سهولت حمل و نقل آنها مي شود. باد نيز چنانكه خواهيم ديد يكي از عوامل مهم حمل مواد است.

هوا كره

تركيب هوا

تركيب هواي معمولي يعني هواي مجاور زمين را مي توان به دو دسته گازها و گرد و غبار موجود در آن تقسيم كرد.

گازهاي موجود در هوا: گازهاي هوا خود به سه دسته زير تقسيم مي شوند:

الف) گازهايي كه تقريباً نسبت آنها ثابت است و تركيب آنها در جدول نشان داده شده است (اين تركيب مربوط به طبقات هواي مجاور زمين است). ازن موجود در هوا اگر چه مقدارش خيلي كم است ولي از نظر جذب اشعه ماوراء بنفش اهميت فوق العاده اي دارد.

گازهاي ثابت هوا

گاز	ازت	اكسيژن	آرگن	نئون	هليوم	هيدروژن	كريپتن	گزنن
درصد حجمي	084/78	946/20	94/0	0012/0	0004/0	5-10 ×5	5-10 ×5/0	6-10 ×5/0

 

ب) گازهايي كه هميشه در هوا موجودند ولي نسبت آنها تغيير مي كند مثل بخار آب و دي اكسيدكربن. مقدار آب موجود در هوا از يك هزارم تا چندصدم تغيير مي كند و وجود آن عامل مهمي در تعديل درجه حرارت هواست.

ج) گازهايي كه فقط در بعضي قسمت ها در هوا وجود دارند مثل اكسيدهاي گوگرد و تركيبات آمونياك.

گرد و غبار موجود در هوا: هوا همواره حاوي ذرات بسيار ريز گرد و غبار است كه مقدار آن بسته به موقعيت محل و ارتفاع آن تفاوت مي كند.

ضخامت هوا

هر چقدر از سطح زمين بالا رويم هوا رقيق تر مي شود، ولي دقيقاً نمي توان گفت كه تا چه ارتفاعي هوا موجود است و از آن به بعد ديگر هوا وجود ندارد اما به طور قطع مي توان گفت كه هوا تا ارتفاع چند صد كيلومتري وجود دارد و بديهي است كه در اين ارتفاع، هوا فوق العاده رقيق است به طوري كه در ارتفاع 50 كيلومتري، فشار هوا فقط كسري از ميليمتر است. با اين وجود، به طور متوسط مي توان ارتفاع مؤثر هوا را حدود 80 تا 100 كيلومتر در نظر گرفت.

تقسيم بندي لايه هاي هوا

ضخامت مؤثر هوا را براساس عوامل مختلف مثل تغييرات تركيب شيميايي، دما، ويژگيهاي الكترومغناطيسي و تركيب، به لايه هاي مختلف تقسيم مي كنند كه در زير به شرح آن مي پردازيم.

تقسيم بندي براساس تركيب شيميايي: براساس تركيب شيمايي، مي توان هوا را به دو قسمت هوموسفر و هتروسفر تقسيم كرد:

الف) هوموسفر: تركيب اين بخش از هوا همان است كه قبلاً بررسي كرديم و ضخامت آن 80 تا 100 (به طور متوسط 90) كيلومتر است.

ب) هتروسفر: از ارتفاع متوسط 90 كيلومتري به بعد، تركيب هوا تغيير مي كند و برحسب جرم اتمي گازها؛ لايه هاي مختلفي به وجود مي آيد.

در بالاي هوموسفر به ترتيب چهار لايه مركب از ازت مولكولي (ارتفاع 90 تا 200 كيلومتري)، اكسيژن اتمي (ارتفاع 200 تا 1000 كيلومتري)، هليوم اتمي (ارتفاع 1000 تا 2400 كيلومتري) و هيدروژن اتمي (ارتفاع 2400 تا 10000 كيلومتري) وجود دارد.

تقسيم بندي براساس تغييرات دما: دماي هوا از سطح زمين تا ارتفاعات تغيير مي كند. منحني تغييرات دما نسبت به ارتفاع، سه ماكزيمم و مينيمم دارد كه براساس آن هوا به چهار لايه تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر و ترموسفر تقسيم شده است كه اين چهار لايه به وسيله سه سطح موسوم به تروپوپوز، استراتوپوز و مزوپوز از هم جدا شده اند.

الف) تروپوسفر: اين لايه از سطح زمين تا ارتفاع متوسط 10 كيلومتر گسترش دارد و سنگين ترين قشر هوا است. در اين قشر، به عللي كه بعداً خواهيم ديد، با افزايش ارتفاع دماي هوا كاهش مي يابد. لايه تروپوسفر به سطح تروپوپوز محدود است و ابرها عموماً در اين لايه متمركزاند.

ب) استراتوسفر: اين لايه از 10 كيلومتري تا ارتفاع متوسط 52 كيلومتر گسترش دارد و به سطح استراتوپوز محدود است كه اين سطح در عين حال حد بالايي تشكيل ابر نيز به شمار مي آيد. در وسط اين لايه، قشري موسوم به اوزونوسفر وجود دارد كه حاوي ازون است و به علت جذب تابشهاي ماوراي بنفش به وسيله اين قشر، دماي استراتوسفر با افزايش ارتفاع افزايش مي يابد.

ج) مزوسفر: اين لايه از ارتفاع 52 تا 80 كيلومتري گسترش دارد و چون در آن فرآيند حرارت زايي انجام نمي گيرد لذا دماي آن با افزايش ارتفاع، كاهش مي يابد و در قسمت هاي بالايي اين لايه يعني سطح مزوپوز به حدود 100- درجه سانتيگراد مي رسد.

د) ترموسفر: اين لايه قسمت فوقاني جو را تشكيل مي دهد و به علت جذب اشعه ماوراي بنفش با طول موج كوتاه (كمتر از 1000 آنگسترم)، دماي آن با ارتفاع افزايش مي يابد و در قشرهاي فوقاني به 1000 درجه سانتيگراد مي رسد.

تقسيم بندي براساس ويژگيهاي الكترومغناطيسي: براساس اين ويژگيها، مي توان دو لايه زير را در هوا تشخيص داد:

الف) يونسفر: بخشي از هوا را كه در ارتفاع 50 تا 320 كيلومتري قرار دارد و حاوي ذرات با بار الكتريكي است بدين نام مي خوانند. يونسفر خود از قشرهاي مختلف تشكيل شده است كه خواص راديويي آنها با هم متفاوت است و قادرند امواج با طول موجهاي مختلف را منعكس سازند. معمولاً از نظر قابليت انعكاس امواج يونسفر را به قشرهاي F₁, E, D و F₂ تقسيم مي كنند. مثلاً امواج با طول موج بلند به وسيله قشر D، امواج متوسط به وسيله قشر E و امواج كوتاه در روز و شب به وسيله قشرهاي F₁ و F₂ منعكس مي شوند.

ب) ماگنتوسفر: خارجي ترين لايه هوا كه حاوي ذرات پروتون است و عمدتاً تحت تأثير ميدان مغناطيسي زمين قرار دارد، ماگنتوسفر ناميده مي شود.

دماي هوا

منبع اصلي گرماي هوا خورشيد است. نور خورشيد پس از طي مسير خود به جو زمين مي رسد ولي جو نمي تواند انرژي حرارتي را به خوبي جذب كند و بنابراين بخش عمده اي از انرژي حرارتي خورشيد به زمين مي رسد و آن را گرم مي كند. زمين نيز به نوبه خود هواي اطراف را گرم مي كند و اين گرما به طريق جابه جايي به قسمتهاي بالاتر جو مي رسد.

دماي هوا ثابت نيست بلكه تغييراتي دارد كه مي توان آن را به تغييرات مكاني، تغييرات بر حسب ارتفاع، تغييرات شبانه روزي و تغييرات ساليانه تقسيم كرد.

تغييرات مكاني: دماي هوا در نقاط مختلف زمين ثابت نيست و از نقطه اي به نقطه ديگر فرق مي كند. عوامل اصلي تفاوت دما در نقاط مختلف زمين، عرض جغرافيايي و ارتفاع محل است. هر چقدر عرض جغرافيايي محل بيشتر باشد، به علت آنكه زاويه تابش خورشيد تمايل بيشتري پيدا مي كند و انرژي آن در سطح وسيعتري پخش مي شود، دماي هواي محل كمتر است. از سوي ديگر، هر چقدر ارتفاع محل زيادتر باشد، به علت كاهش دماي هوا با ارتفاع، دماي هواي محل كمتر است.

تغييرات برحسب ارتفاع: در قسمتي از هوا كه با آن سرو كار داريم يعني لايه تروپوسفر، با افزايش ارتفاع از سطح زمين، دماي هوا كاهش مي يابد. اين امر چند علت دارد. يكي آنكه هوا خود قسمت كمي از انرژي خورشيد را مستقيماً جذب مي كند و بنابراين بخش عمده اين انرژي به سطح زمين مي رسد و زمين را گرم مي كند كه زمين به نوبه خود هواي مجاور را گرم مي كند و بدين ترتيب هر چقدر از سطح زمين كه عامل مهم گرماي هوا است دور شويم، دماي هوا كاهش مي يابد. از سوي ديگر هر چقدر از سطح زمين بالاتر رويم، غلظت گازهاي موجود در هوا- به ويژه بخار آب- كمتر مي شود و اين امر قابليت جذب مستقيم انرژي حرارتي خورشيد به وسيله هوا را كاهش مي دهد. يكي ديگر از عوامل مؤثر در كاهش دماي هوا با ارتفاع، انبساط هوا است. بدين معني كه وقتي هوا به طرف بالا حركت مي كند، به علت كاهش فشار، منبسط مي شود و اين امر دماي آن را كاهش مي دهد.

دماي هوا در ارتفاعات مختلف را مي توان از فرمول تجربي زير به دست آورد:

T_z= 288- 0.0063 Z

كه در آن T_z دماي مطلق در ارتفاع Z و Z ارتفاع محل برحسب متر است.

تغييرات شبانه روزي: بلافاصله پس از طلوع آفتاب زمين شروع به گرم شدن و تشعشع مي كند و اين پديده در تمام صبح ادامه دارد. دماي روزانه در يك روز معمولي در ساعت 14 به حداكثر خود مي رسد و در بقيه مدت روز شدت تابش كم مي شود و اين وضع در تمام مدت شب ادامه دارد و كمي بعد از طلوع آفتاب دما به حداقل خود مي رسد. البته وجود ابر، ساعات ماكزيمم و مينيمم دماي شبانه روز را ممكن است تغيير دهد.

تغييرات ساليانه: واضح است كه در طول سال و فصول مختلف نيز دماي هوا تغيير مي كند ولي بايستي در نظر داشت كه تغييرات ساليانه نيز در نقاط مختلف زمين متفاوت است. عواملي كه در نحوه تغييرات ساليانه مؤثرند عرض جغرافيايي، ارتفاع، قابليت هدايت حرارت زمين محل، ميزان رطوبت هوا و نظاير آن است.

حداكثر دمايي كه تا به حال در هواي مجاور زمين ديده شده 57 درجه سانتيگراد است كه در دره مرگ واقع در ايالت كاليفرنياي ايالات متحده ثبت شد و كمترين درجه حرارت هواي اندازه گيري شده متعلق به سيبري و برابر 69- درجه سانتيگراد بوده است.

فشار هوا

آشنايي: طبق تعيف فشار هوا در هر نقطه عبارت از نيرويي است كه هوا به واحد سطح در آن نقطه اعمال مي كند. مي دانيم كه ارتفاع نظير فشار هوا در سطح دريا 76 سانتيمتر جيوه و تقريباً معادل يك كيلوگرم بر سانتيمتر مربع است كه اين مقدار را يك آتمسفر يا يك جو نيز مي خوانند. در هواشناسي واحد ديگري به نام بار تعريف مي كنند كه معادل ⁶ 10 باري ( دين بر سانتيمتر مربع) است. بايستي توجه داشت كه مقصود از فشار هوا، فشار هواي ساكن است و هواي در حال حركت، علاوه بر اين فشار، فشار ديگري نيز اعمال مي كند كه فشار ديناميكي نام دارد.

فشار هوا ثابت نيست و تغييراتي دارد كه در زير آن را به اجمال بررسي مي كنيم:

تغييرات شبانه روزي: اگر تغييرات فشار هوا را در طول يك شبانه روز در نواحي مجاور خط استوا بررسي كنيم، خواهيم ديد كه منحني تغييرات در يك شبانه روز داراي دو ماكزيمم و دو مينيمم است. فشار از ساعت 4 تا 10 صبح اضافه شده و از 10 تا 16 به تدريج كم مي شود سپس از 16 تا 22 افزايش و از 22 تا 4 كاهش مي يابد. دامنه تغييرات شبانه روزي فشار جو هرچه از استوا به طرف قطب نزديكتر شويم كمتر مي شود.

تغييرات ساليانه: به طور كلي مي توان گفت كه فشار متوسط هوا در زمستان بيشتر از تابستان است. در اين جا بايستي توجه كرد كه شرايط محلي ممكن است اين وضع را تغيير دهد. تنها قاعده كلي كه در اين مورد مي توان ذكر كرد اين است كه در قاره ها فشار در زمستان بالا است و در تابستان پايين مي آيد و در اقيانوسها عكس اين حالت اتفاق مي افتد.

تغيير فشار با ارتفاع: يكي ديگر از عوامل مهم تغيير فشار، ارتفاع است. فشار جو نتيجه ضربات مولكولهاي هوا است و چون هر چه بالاتر رويم هوا رقيق تر و در نتيجه مقدار مولكولهاي موجود در واحد حجم آن كمتر مي شود، بدين ترتيب با افزايش ارتفاع فشار هوا كاهش مي يابد.

در عمل از اين خاصيت براي ساختن ارتفاع سنج استفاده مي كنند بدين معني كه در هر نقطه، با اندازه گيري فشار هواي موجود مي توان با توجه به تصحيحات مختلف، ارتفاع مطلق نقطه را از سطح دريا محاسبه كرد.

شكل. تغييرات فشار هوا نسبت به ارتفاع

رطوبت هوا

آشنايي: آب به طور كلي به سه حالت گاز، مايع و جامد وجود دارد. در اين مبحث، حالت اول آب يعني رطوب هوا را بررسي مي كنيم و راجع به باران و برف بعداً بحث خواهيم كرد.

بخار آب موجود در هوا از نظر آب و هوا اهميت زيادي دارد زيرا وجود آن باعث جذب اشعه مادون قرمز خورشيد و در نتيجه گرم شدن محيط اطراف مي شود. همچنين بخار آب موجود در هوا، در سرعت تبخير آبهاي زمين تأثير دارد و تشكيل مه و ابر و باران و برف نيز به علت وجود رطوبت در هوا است.

مقدار بخار آب در هواي قسمتهاي مختلف زمين متفاوت است و قسمت عمده آن در اثر تبخير آب اقيانوس ها و درياها و كمي هم به علت تنفس نباتات تأمين مي شود. براي تعيين ميزان رطوبت هوا از دو تعريف رطوبت مطلق و رطوبت نسبي استفاده مي كنند كه در زير آنها را شرح مي دهيم.

رطوبت مطلق: جرم بخار آب موجود در واحد حجم يا جرم هوا را رطوبت مطلق هوا مي گويند. چنانكه خواهيم ديد رطوبت مطلق بيان كننده كيفيت رطوبت هوا نيست بلكه براي تعيين كيفيت بايستي از رطوبت نسبي كمك گرفت.

رطوبت نسبي: در دماي معين، حجم مشخصي از هوا قادر است مقدار معيني بخار آب جذب كند تا به حد اشباع برسد. هر چقدر هوا گرمتر باشد، مقدار بخار آب لازم جهت اشباع آن زيادتر است. فشار بخار آب را در حالت اشباع به نام فشار ماكزيمم يا فشار اشباع مي خوانند.

اگر m جرم بخار آب موجود در حجم معيني از هوا در دماي t و M جرم بخار آب لازم جهت اشباع همان حجم هوا در دماي موردنظر باشد، در اين صورت رطوبت نسبي هوا از رابطه زير به دست مي آيد:

معمولاً در هواشناسي اين عدد را كه بين صفر و يك تغيير مي كند به صورت درصد بيان مي كنند:

اگر z فشار جزيي بخار آب هوا و p فشار بخار اشباع در همان دما باشد، رطوبت نسبي را از رابطة زير نيز مي توان بدست آورد.

ابر و مه

آشنايي: اگر بخار آب موجود در هوا (كه در حالت عمومي نامرئي است) به مايع تبديل شود، قطرات فوق العاده ريز آب در هوا معلق مي ماند و ابر يا مه را تشكيل مي دهد بنابراين ابر و مه را مي توان به عنوان قطرات ريز آب يا يخ معلق در هوا تعريف كرد.

تبديل بخار آب به مايع ممكن است در اثر مخلوط شدن هواي مرطوب با هواي سردتر و يا رفتن هوا به منطقه سردتر، سرد شدن هوا به علت باريدن قطرات باران سرد بر روي آن و بالاخره ممكن است به علت انبساط فوري هوا باشد.

از نظر كلي ابر و مه با هم تفاوتي ندارند فقط مه در قسمتهاي پايين و ابر در نواحي بالاتر تشكيل مي شود. قطر ذرات مايع تشكيل دهنده ابر و مه از 2 0/0 ميليمتر تجاوز نمي كند و علت معلق ماندنشان، كمي وزن و نيز اثر جريان هوا است (در حقيقت اين قطرات ريز با سرعت كمي به سوي زمين حركت مي كنند ولي جريان هواي بسيار خفيف ممكن است آنها را مجدداً به طرف بالا ببرد). قطرات ريز آب در حركت آهسته خود به طرف زمين ممكن است به توده اي از هوا برسند كه داراي دماي زياد و رطوبت كم باشد و بدين ترتيب مجدداً به بخار تبديل شوند.

ابرها در آسمان به شكلهاي گوناگون ديده مي شوند و از نظر ارتفاع با يكديگر اختلاف دارند و از نظر توليد برف و باران نيز متفاوت اند. با توجه به عوامل مختلف، ابرها را دسته بندي و نامگذاري مي كنند. اصولاً ابرها از نقطه شكل به سه گروه لايه اي (استراتوس)، توده اي (كومولوس) و پر مانند (سيروس) تقسيم مي شوند. ابري كه مشخصات دو گروه را داشته باشد، به نام هر دو گروه خوانده مي شود. مثل ابرهاي سيرواستراتوس و سيروكومولوس. از سوي ديگر اگر ابري در ارتفاعي بيش از ارتفاع معمولي ديده شود در جلو نام آن پيشوند آلتو قرار مي دهند و اگر قدرت بارندگي داشته باشد، در جلو نام آن پيشوند نيمبوس را به كار مي برند. در زير انواع ابرها را به اختصار شرح مي دهيم:

ابرهاي طبقه اول يا ابرهاي مرتفع: ابرهاي با ارتفاع زياد كه حداقل ارتفاع تشكيل آنها 6000 متر است به گروههاي كوچكتر زير تقسيم مي شوند:

الف) سيروس: اين ابرها سفيد رنگ اند و به صورت الياف مانند ديده مي شوند. ذرات آنها از بلورهاي يخ تشكيل شده است و از اين رو شفاف اند و هنگامي كه در مقابل نور خورشيد قرار گيرند خيلي كم از روشنايي آن مي كاهند. قبل از طلوع آفتاب رنگ اين ابرها گلي و قرمز سير است و سپس زرد نارنجي، زرد كمرنگ و بالاخره سفيد مي شود. پس از غروب ابتدا گلي بعد قرمز سير و سپس خاكستري مي شوند.

ب) سيروكومولوس: اين دسته ابرها سفيد رنگ و بدون سايه اند و گاهي به شكل رشته اي ديده مي شوند.

ج) سيرو استراتوس: اين ابرها به شكل چادرهاي نازك و سفيد رنگ اند و هنگامي كه در مقابل نور خورشيد يا ماه قرار گيرند هاله اي اطراف آن تشكيل مي دهند.

ابرهاي طبقه دوم يا ابرهاي متوسط: حد تشكيل اين ابرها ارتفاع 6000 تا 2000 متري است كه به نوبه خود از گروه هاي زير تشكيل شده اند:

الف) آلتوكومولوس: اين دسته ابرها معمولاً شكل معيني ندارند. بعضي وقتها بدون سايه اند و گاهي هم سايه دارند و اگر در مقابل خورشيد قرار بگيرند در اطراف قرص آن تاج توليد مي كنند.

ب) آلتواستراتوس: رنگ اين ابرها خاكستري و گاهي مايل به آبي است و هنگامي كه در برابر خورشيد قرار گيرند مثل اين است كه با يك شيشه مات به خورشيد نگاه كنيم. اين ابرها برف و باران توليد مي كنند و گاهي از چند طبقه تشكيل شده اند.

ابرهاي پايين: حد بالايي اين ابرها 2000 متر و حد تحتاني شان سطح زمين است. گروه ابرهاي اين طبقه عبارتند از:

الف) استراتوكومولوس: اين ابرها به رنگ خاكستري تا خاكستري تيره اند و معمولاً در يك يا دو امتداد معين قرار مي گيرند. در پاييز و زمستان اين ابرها به حالت موجي ديده مي شوند.

ب) استراتوس: اين ابرها شبيه به مه و خيلي نزديك سطح زمين اند و ممكن است به وسيله باد يا قله كوهها از هم گسيخته شوند. استراتوس ها خود مولد باران نيستند و اگر در حالت بارندگي ديده شوند مسلماً در بالاي آنها ابر ديگري كه توليد باران مي كند وجود دارد.

ج) نيمبواستراتوس: اين ابرها باران و برف متوالي توليد مي كنند. رنگشان خاكستري تيره است و در حقيقت همان ابرهاي آلتواستراتوس اند كه به زمين نزديك شده اند.

ابرهايي كه حركت آنها عمودي است: اين ابرها بين ابرهاي سيروس و ارتفاع 500 متر محدوداند و به گروههاي زير تقسيم مي شوند:

الف) كومولوس: اين ابرها ضخيم و به شكل گنبداند و اگر مقابل خورشيد قرار گيرند وسطشان تاريك مي شود و گرداگردشان روشنايي زننده اي دارد. كومولوسها در صبح زود ظاهر شده و معمولاً به هنگام عصر ناپديد مي شوند. بارندگي اين ابرها كم است.

ب) كومولونيمبوس: اين ابرها از توده هاي انبوهي كه رويهم قرار گرفته تشكيل شده اند و به شكل كوه ديده مي شوند. كومولونيمبوسها اغلب باعث رعد و برق مي شوند و نيز مولد رگبار، برف و تگرگ اند.

باران، برف و تگرگ

باران: بخار آب موجود در هوا به جز در موارد استثنايي مستقيماً به باران و برف تبديل نمي شود بلكه ابتدا بخار آب به مه يا ابر تبديل و از تجمع ذرات ريز آب موجود در ابر، قطرات باران تشكيل مي شود كه در اثر وزن به زمين سقوط مي كنند.

نحوه تجمع قطرات ريز آب به طور دقيق معلوم نيست ولي مي توان تصور كرد كه ذرات ريز در ابتدا الكتريسيته همنام دارند و در مرحله بعد، به علت تخليه الكتريكي و يا عبور ابر الكتريسيته دار حاوي الكتريسيته مخالف، الكتريسيته آنها از بين مي رود و در نتيجه با هم جمع مي شوند و به زمين مي رسند.

وزن قطرات اوليه باران به هنگام سقوط ممكن است در اثر جمع شدن با ساير ذرات اضافه شده و قطره باران درشت تر شود و گاهي نيز ممكن است برعكس، در ضمن سقوط، قطره اوليه گرم شده و مجدداً بخار شود.

قطر دانه هاي باران متغير و معمولاً در تابستان بيش از زمستان است و مي توان حدود آن را 1/0 تا 5 ميليمتر در نظر گرفت ولي قطر دانه هاي باران معمولي در حدود 3 ميليمتر است.

آب باران معمولاً خالص نيست و قطرات اوليه باران حاوي مقدار زيادي گرد و غبار و دود موجود در هواست. غير از گرد و غبار و دود، بعضي از گازهاي هوا نيز نظير آمونياك همراه باران به زمين مي رسد. ميزان بارندگي در نقاط مختلف زمين متفاوت است و حتي در يك نقطه نيز در سالهاي مختلف تغيير مي كند. حداكثر ميزان بارندگي ساليانه، محلي واقع در حوالي خليج بنگال است كه بارندگي متوسط آن (در طي 25 سال) به 12 متر مي رسد و در عوض در كوپياپو واقع در شيلي، بارندگي متوسط ساليانه فقط 8 ميليمتر است.

رگبار معمولاً به باراني گفته مي شود كه شدت ريزش آن در حدود 20 ميليمتر در ساعت و مدت آن بيش از چند دقيقه نباشد و اگر شدت باران از اين مقدار بيشتر شود و به حد 50 ميليمتر در ساعت برسد، به نام «باران سيل آسا» خوانده مي شود.

برف: اگر بخار آب موجود در هوا در دماي زير صفر درجه به مايع تبديل شود، يخ مي زند و بلور كوچك برف را تشكيل مي دهد. اگر تبديل بخار آب به يخ به كندي انجام گيرد بلورهاي يخ شكل منظمي پيدا مي كنند ولي اگر اين عمل به سرعت انجام شود بلورهاي برف بي شكل خواهند بود. به علت كم بودن وزن مخصوص برف، سرعت سقوط آن نيز كم و در حدود يك متر در ثانيه است. ضمن سقوط، ذرات مختلفه برف ممكن است با هم جمع شوند و ابر پنبه اي تشكيل دهند. برف نيز به هنگام سقوط، گرد و غبار و مقداري از گازهاي موجود در هوا را با خود به زمين حمل مي كند.

تگرگ: تگرگ عبارت از ذرات آب متبلوري است كه گاهي داراي شكل منظم و گاهي نيز بدون شكل خاص است. معمولاً هر دانه تگرگ از يك هسته مركزي سفيد رنگ شبيه گلوله برفي تشكيل شده كه در اطراف آن تعداد زيادي الياف سفيد قرار گرفته و اطراف اين الياف را يك پوسته نازك يخ پوشانده است.

تگرگ معمولاً از ابرهاي كومولونيمبوس مي بارد. به طوري كه گفتيم، ضخامت اين ابرها زياد و در قسمت پايين داراي قطرات ريز آب و در قسمت بالا حاوي يخ است. اگر يكي از تكه هاي ريز يخ سقوط كند وارد قسمت هاي مايع شده و دور آن يخهاي ديگر اضافه مي شود و اين تكه ممكن است از توده ابر خارج شود و به طرف زمين سقوط كند.

باد

هر وقت در هوا تعادل حرارتي موجود نباشد به علت اختلاف فشار، هوا شروع به حركت مي كند و اين حركت را به نام باد مي خوانند. از جمله مشخصات باد، جهت و سرعت آن است. از آنجا كه مؤلفه عمودي حركت باد اغلب ناچيز است لذا معمولاً آن را افقي در نظر مي گيرند.

در طول شبانه روز معمولاً تغييرات سرعت باد منظم است به طوري كه سرعت آن به هنگام شب كم است و در موقع طلوع آفتاب زياد مي شود و هنگامي كه دما به حد ماكزيمم خود مي رسد، سرعت باد نيز حداكثر مي شود و آنگاه تنزل مي كند.

دامنه تغييرات سرعت باد در شبانه روز در تابستان بيشتر از زمستان و در روزهاي صاف بيش از روزهاي ابري است. در طول شبانه روز نيز ممكن است جهت باد عوض شود. عامل اصلي توليد باد اختلاف فشار به علت اختلاف دما بين نقاط مختلف زمين و سرعت آن مرهون اختلاف فشار محل است.

جدول. سرعت بادهاي مختلف

رديف	وضع هوا	سرعت به كيلومتر در ساعت	فشار روي سطح عمود بر جهت باد كيلوگرم بر سانتيمتر مربع	اثر باد
1	هواي آرام	1-0	15/0- 05/0	دود به طور قائم بالا مي رود
2	تقريباً آرام	7-4	5/0-16/0	به وسيله حركت دود مي توان جهت باد را تعيين كرد.
3	نسيم ملايم	14-7	2-5/0	برخورد هوا به صورت محسوس است.
4	نسيم نسبتاً ملايم	22-14	5-2	حركت هوا محسوس است و برگهاي درختان حركت مي كند.
5	نسيم نسبتاً شديد	29-22	8-6	خرده هاي كاغذ و نيز شاخه هاي كوچك حركت مي كنند
6	نسيم شديد	36-29	12-9	شاخه هاي متوسط حركت مي كند و گرد و غبار توليد مي شود
7	باد ملايم	43-36	20-13	شاخه هاي بزرگ و سيم هاي تلفن حركت مي كنند.
8	باد نسبتاً سخت	54-43	45-21	درختان حركت مي كنند و به زحمت در جهت مخالف باد مي توان حركت كرد.
9	باد سخت	65-54	60-45	شاخه هاي كوچك درختان مي شكند.
10	باد نسبتاً شديد	76-65	85-61	به ساختمانهاي كوچك آسيب مي رسد.
11	باد شديد	90-76	120-86	به ساختمانهاي بزرگ آسيب مي رسد.
12	باد بسيار شديد	108-90	120 <	خسارات فراواني توليد مي كند.
13	طوفان	108 <

 

رعد و برق و صاعقه

در فضاي اطراف زمين حوزه الكتريكي وجود دارد و نقاط مختلف هوا نسبت به هم اختلاف پتانسيل دارند.

تجربه نشان داده است كه به هنگام تشكيل ذرات ريز آب كه با هوا تماس دارن