آشنایی با اتمسفر زمین

جو یا اتمسفر در واقع لایه‌ای پر از گازهای گوناگون است كه سیاره ما را در بر گرفته است. ما كه در سطح زمین زندگی می‌كنیم، كمتر به این فكر می‌افتیم كه در ته اقیانوس بزرگی از هوا به سر می‌بریم. هرچند جو فقط 00009/0 درصد جرم زمین را تشكیل می‌دهد اما حیات روی زمین به وجود آن بستگی دارد: هوایی كه تنفس می‌كنیم، بارانی كه به كشتزارها و جنگل‌ها می‌بارد و فرایند فتوسنتز گیاهان مرهون وجود جو است؛ همچنین جو ما را در برابر شهابواره‌ها و تابش‌های مهلك فضایی محافظت می‌كند. پدیده‌های جوی و آسمان همواره عناصری الهامگر در فرهنگ و ادب و عرفان بشری بوده‌اند. در این مقاله، به بررسی جو و هوای پیرامون زمین می‌پردازیم.

هواشناسی

مطاله‌ی هوا، پدیده‌های آسمان و جنبه‌های فیزیكی و شیمیایی جو زمین در قلمرو دانش هواشناسی استكه یكی از شاخه‌های علوم زمین به حساب می‌آید. ظاهراً واژه‌ی هواشناسی نخستین باربه صورت عنوان كتاب معروف ارسطو، به زبان یونانی به كار رفته است. در آن كتاب ارسطو درباره‌ی "چیزهایی در هوا"، و به بیان خودش درباره‌ی حوادثی كه در "ناحیه نزدیك به حركت ستارگان" رخ می‌دهد صحبت كرده است. تكامل هواشناسی پس از رنسانس علمی اروپا به سبب تلاش‌های دانشمندانی چون داوینچی، گالیله، رابرت بویل، پاسكال، نیوتن، ادموند هالی، و همپای پیشرفت‌های شیمی و فیزیك بود. گالیله در 1593 نخستین دماسنج را برای تعیین دمای هوا اختراع كرد كه در سده‌های بعد تكمیل‌تر شد و درجه بندی‌های فارنهایت و سلسیوس و كلوین به وجود آمد. گالیله ایتالیایی درباره‌ی خلاء هوا و كاركرد پمپ آبی نیز اندیشید، اما شاگرد و هموطنش توریچلی بود كه نه فقط نشان دادكه هوای نامرئی وزن دارد بلكه برای تعیین فشار هوا، فشارسنج را در 1643 اختراع كرد. پاسكال فرانسوی به سال 1648 فشار هوا در سطح زمین و در بالای كوه را اندازه گرفت و دریافت كه هرچه از سطح زمین به بالا می‌رویم از فشار هوا كاسته می‌شود. رابرت بویل انگلیسی در 1662 كشف كرد كه تحت دمای یكسان، حجم هوا رابطه كمیتی معكوسی با فشار آن دارد و این به "قانون بویل" درباره گازها معروف است. از سده هجدهم به بعد با بهره‌گیری از روش‌های تجزیه شیمیایی عناصر، گام‌هایی برای شناخت تركیب هوا برداشته شد. با آغاز عصر بالون در اواخر قرن هجدهم و بكارگیری وسیع بالون در سده بعدی بشر توانست به ارتفاعات بالاتر از كوه‌ها دسترسی پیدا كند. اما در قرن بیستم و با سر رسیدن "عصر موشك" و به دنبال آن "عصر فضا" بود كه انسان جو زمین را پشت سر نهاد و به فضا راه یافت. شناخت جامع و تعیین ساختار جو زمین از ثمرات قرن كنونی است.

ساختار جو

جو از سطح خشكی-دریا شروع می‌شود و به بالا امتداد دارد. در بالا ابرها و آسمان آبی رنگ را می‌بینیم كه البته انتهای جو نیست. اساساً تعیین ارتفاع دقیق جو، یعنی كجا جو پایان می‌پذیرد و فضا آغاز می‌شود، بسیار مشكل است. حتی گاه گفته می‌شود كه وقتی جو زمین به حد نهایی خود می‌رسد جو خورشید آغاز می‌شود! گاه ارتفاع جو را 1000 یا 10000 كیلومتر ذكر می‌كنند، اما این رقم‌ها نسبی است و حد بالایی برخی از لایه‌های جو را نشان می‌دهد. هرچه از سطح زمین بالاتر می‌رویم هوا رقیق‌تر می‌شود؛ 50 درصد جرم هوا در ارتفاع پایینتر از 5/5 كیلومتر و 99 درصد آن پایینتر از 30 كیلومتر قرار دارد. فشار میانگین هوا در سطح زمین حدود 1013 میلی بار و چگالی آن 23/1 گرم در سانتیمتر مكعب است ولی با افزایش ارتفاع ،فشار و چگالی جو كاهش می‌كند. جو زمین بر اساس الگوی توزیع قائم دما به چند منطقه یا لایه تقسیم می‌گردد؛ هر لایه تا حدی امتداد دارد و در ارتفاع معینی به حد بالای خود می‌رسد. این حد بالا را با افزودن پسوند "پوز" (ایستا) به جزء مشخص كننده ویژگی لایه معلوم می‌كنند.
پایینترین لایه جو كه با سطح زمین و محیط زیست در تماس است تروپوسفر نام دارد كه قلمرو تغییرات و جریان‌های جوی، ابرها، باران و برف، و آب و هوا است. ما به تجربه (مثلاً وقتی از كوهی صعود می‌كنیم) می‌دانیم كه هرچه از سطح زمین بالاتر برویم هوا پیوسته سردتر می‌شود. مقدار میانگین كاهش دما در حدود 5/6 درجه سانتی گراددر هر كیلومتر ارتفاع است. این كاهش دما تا حد نهایی تروپوسفر، موسوم به تروپوپوز (دگرگون ایستا) ادامه دارد. ارتفاع تروپوپوز از سطح زمین بسته به عرض جغرافیایی و فصل تفاوت پیدا می‌كند: معمولاً در نواحی استوایی كمی بیش از 16 كیلومتر و در نواحی قطبی در حدود 8 كیلومتر است، در فصل تابستان بالاتر و در زمستان پاینتر است.
لایه‌ی بعدی جو استرات وسفر (چینه كره) است كه از تروپوپوز (به ارتفاع میانگین 12 كیلومتر) تا 50 كیلومتر بالای سطح زمین موسوم به استراتوپوز امتداد دارد. در این منطقه با افزایش ارتفاع بر دمای هوا نیز افزوده می‌شود و در بلندی 50 كیلومتر به حدود صفر درجه سانتی گراد می‌رسد. با توجه به اینكه در استراتوسفر هیچ هوای سردی بر بالای هوای گرم وجود ندارد، هوا در آن به صورت چینه‌هایی بدون اختلاط با همدیگر است. علت افزایش دما در استراتوسفر وجود لایه گاز اوزن است. گاز اوزون تابش فرابنفش آفتاب در طول موج‌های 2000تا 3000 آنگستروم را جذب می‌كند – كه در پایدار ماندن حیات روی زمین اهمیت دارد – و در این فرایند گرما حاصل می‌شود. بیشترین غلظت اوزون در ارتفاع بین 20 تا 30 كیلومتری وجود دارد.
تروپوسفر و استراتوسفر كه مجموعاً "جو پایینی" نامیده می‌شود، نخستین بار در دهه‌ی 1910 توسط لئون فیلیپ تسرانس دوبور، هواشناس فرانسوی، بر اساس نتایج پروازهای بالون، كشف و نام گذلری گردید.
مزوسفر (میانكره) در ارتفاع بین 50 و 80 كیلومتری قرار دارد. در این لایه هرچه بالاتر می‌رویم از مقدار دمای هوا كاسته می‌شود تا اینكه در ارتفاع 80 كیلومتری، یعنی در مزوپوز به دمای 90- درجه سانتیگراد می‌رسیم.
آخرین لایه جو بر طبق روند دمای هوا، ترموسفر (گرما كره) است كه اساساً از ارتفاع 80 كیلومتری تا بالاترین حد جو زمین امتداد دارد. چنانچه از نامش پیداست، دمای هوا در ترموسفر با افزایش ارتفاع فزونی می‌یابد، مثلاً در ارتفاع 200 كیلومتری به دمای 700 درجه سانتی گراد بر می‌خوریم. این دماها را نباید با دماهایی كه ما در سطح زمین تجربه می‌كنیم مقایسه كرد. دما در ترموسفر بر حسب سرعت حركت مولكول‌ها و ذرات گاز توصیف می‌شود. چون این ذرات و مولكول‌ها با سرعت زیادی حركت می‌كنند دمای این مطقه نیز باید زیاد باشد ولی گاز در ترموسفر چنان پراكنده است كه به ندرت با اجسام خارجی تصادم می‌كند؛ از این رو، فرضاً اگر فضانوردی دستش را بیرون كند احساس گرمی نخواهد كرد! افزایش دما تا ارتفاع 400 كیلومتر، موسوم به ترموپوز ادامه دارد و در این ارتفاع دما از 1000 درجه سانتی گراد می‌گذرد.
بخش بالایی ترموسفر را اگزوسفر (برونكره) می‌نامند كه از ارتفاع 500 تا 1000 كیلومتر امتداد دارد. در این لایه، برخورد میان ذرات هوا بسیار كم روی می‌دهد و حركت ذرات به گرانی (ثقل) بستگی دارد، چنانكه ذراتی كه به سمت بالا حركت می‌كنند ممكن است از جو زمین خارج شوند. آشكار است كه در این منطقه دما مفهوم عادی خود را از دست می‌دهد.
از ارتفاع 50 كیلومتر تا بالاترین حد جو زمین اتم‌ها و مولكول‌های هوا تابش‌های پر انرزی خورشید را كه طول موج كوتاه دارند جذب می‌كنند و اغلب با از دست دادن الكترون به یون تبدیل می‌شوند. این پدیده یونش (یونیزاسیون) در مورد اتم‌ها و مولكول‌های نیتروژن و اكسیژن به وسیله پرتوهای فرابنفش، ایكس و گاما تا ارتفاع 10000 كیلومتر رخ می‌دهد و این منطقه از جو را یونوسفر (یونكره) می‌نامند. یون‌های دارای بار مثبت و الكترون‌های منفی بار در ارتفاع بین 80 و 400 كیلومتر تراكم بیشتری دارند. این لایه جو خاصیت رسانایی الكریكی دارد و امواج رادیویی را انتقال می‌دهد.
كارل فریدریش گاوس، ریاضیدان و فیزیكدان آلمانی، و بالفور استیوارت، فیزیكدان اسكاتلندی، در قرن نوزدهم به وجود منطقه‌ای حاوی یون در جو زمین اشاره كرده بودند. اما در سال 1902 آرتور ادوین كنلی كه امریكایی و مهندس برق بود، همزمان با فیزیكدان انگلیسی به نام اولیورهیوی ساید لایه یونی را به منزله انتقال دهنده علایم رادیویی (كه سال پیش از آن به وسیله ماركونی از انگلستان به شمال قاره امریكا فرستاده شده بود) دانستند. ادوارد ویكتور اپلتون، فیزیكدان انگلیسی، در این باره به مطالعه مستقیم پرداخت و وجود یونوسفر را ثابت كرد. در 1647 جایزه نوبل در رشته فیزیك به اپلتون اعطا شد.
ساختار یونكره با مطالعات راداری و بر اساس توزیع الكترون‌ها در این لایه به شرح زیر تعیین شده است:
*لایه D (60 تا 90 كیلومتر) امواج رادیویی با بسامدهای كمتر از 50 كیلوهرتز را به زمین منعكس می‌كند. این لایه ضعیف فقط در روز پدیدار می‌شود.
*لایه E یا "لایه كنلی- هیوی ساید" (90- 140 كیلومتر) كه از یون‌های (یونش بر اثر پرتوهای ایكس) تشكیل یافته است.
*لایه F (از 140 كیلومتر به بالا) كه در آن اكسیزن به وسیله تابش‌های فرابنفش خورشید با طول موج‌های 200 تا 900 آنگستروم یونده می‌شود. این لایه امواج رادیویی با بسامدهای بالاتر از 50 مگاهرتز را به زمین منعكس می‌كند. (140 تا 240 كیلومتر) در شب ناپدید می‌شود. (240 تا 400 كیلومتر) یا "لایه اپلتون" بیشترین تراكم الكترون آزاد را دارد.
لایه F حد پایینی مگنتوسفر زمین است. در این منطقه رفتار ذرات باردار بر اثر میدان مغناطیسی زمین تعیین می‌شود. مغناطوكره از پلاسماهای گوناگون ساخته شده است. پلاسمای گاز یونیده‌ای است كه به تعداد برابر از یون‌های مثبت بار و الكترون‌های منفی بار تشكیل یافته است و از آن به عنوان حالت چهارم ماده یاد می‌شود. مغناطوكره منطقه‌ای عظیم و بیشتر مربوط به فضای میان- سیاره‌ای است. حد بالایی این منطقه مگنوتوپوز نام دارد كه هنگام روز (یعنی در نیمكره رو به خورشید) در فاصله 10 برابر شعاع زمین و هنگام شب در فاصله صدها هزار كیلومتر از زمین قرار دارد. در واقع مغناطوكره در طرف پشت به خورشید به صورت دمی دراز تا آن سوی مدار ماه كشیده شده است.
اندرون مغناطوكره، كمربندهای تابشی والن آلن قرار گرفته است. این دو حلقه چنبره‌ای شكل (مانند تیوپ باد شده چرخ اتومبیل) از ذرات پروتون و الكترون حاصل از تابش‌های خورشیدی و پرتوهای كیهانی كه به وسیله میدان مغناطیسی زمین حبس شده‌اند، تشكیل یافته است. كمربندهای تابشی والن آلن از چند صد كیلومتر بالای سطح زمین تا ارتفاع 64000 كیلومتر (10 برابر شعلع زمین) امتداد دارند كه شامل كمربند درونی و كمربند بیرونی است. این كمربندهای تابشی در سال 1958 توسط جیمز وان آلن، فیزیكدان آمریكایی، كشف شد.
شفق شمالی در آسمان نیمكره شمالی و شفق جنوبی در آسمان نیمكره جنوبی، درخششی است كه در شب دیده می‌شود و پدیده‌ای مربوط به یونكره است كه ظاهراً بر اثر تحریك اتم‌های گاز به وسیله تابش‌های خورشیدی ایجاد می‌گردد.

تركیب هوا

امپدوكس، فیلسوف یونانی در قرن پنجم پیش از میلاد، اظهار داشت كه جهان از جهار عنصر اساسی تشكیل یافته است: خاك (زمین)، آب، هوا (باد) و آتش. این نظریه "عناصر اربعه" بیش از دو هزار سال باور قدما بود؛ بدین ترتیب، فلاسفه و كیمیاگران هوا را یك عنصر تلقی می‌كردند. تا اینكه در اوایل سده هفدهم میلادی، شیمیدان بلژیكی به نام وان هلمونت ماده‌ای را كه بعدها دی اكسید كربن (گاز كربنیك)نامیده شد كشف كرد و نام "گاز" را بر آن نهاد. در سال 1756 جوزف بلك، شیمیدان اسكاتلندی نشان داد كه دی اكسید كربن ماده‌ای مستقل از هواست و با آهك تركیب می‌شود. او قطعیت وجود دی اكسید كربن وحتی حضور آن در هوا را اثبات كرد. در 1766 هنری كاوندیش انگلیسی ئیدروژن را كشف كرد (گویا پیش از او لومونوسف دانشمند معروف روسی هم به وجود آن پی برده بود). سپس شیله فرانسوی در 1772 و جوزف پریستلی انگلیسی در 1774 اكسیژن را كشف كردند و همچنین نیتروژن توسط دانیل راذرفورد اسكاتلندی در 1772 كشف گردید. این كشف‌ها آشكار كردند كه گازهای گوناگونی در طبیعت وجود دارند. با این همه، انتوان لاوازیه، شیمیدان فرانسوی بود كه در دهه 1770 طی آزمایش مشهوری تركیب هوا را شناساند: لاوازیه، مقداری جیوه را در ظرف سر بسته‌ای حرارت داد و دریافت كه یك پنجم هوا با جیوه مخلوط می‌شود و به صورت گردی سرخ رنگ (اكسید جیوه) در می‌آید، اما هر قدر هم كه بیشتر حرارت دهیم، چهار پنجم هوا با جیوه تركیب نمی‌شود و در این بخش هوا شمع نمی‌سوزد و موش نمی‌تواند به دریافت خود ادامه دهد. لاوازیه نتیجه گرفت كه هوا از دو گاز ساخته شده است: یك پنجم آن – كه در آزمایش با جیوه تركیب شده بوده- برای حیات ضروری است و آن را اكسیژن نامید و این عنصر قبلاً هم به صورت منفرد شناخته شده بود. چهار پنجم هوا گاز ازت است. این گاز نیز پیش از آزمایش لاوازیه منفرداً شناخته شده بود و نام جدید نیتروژن بعدها برآن نهاده شد.
در اواسط سده نوزدهم یك شیمیدان فرانسوی به نام هانری ویكتورراگنولت نمونه‌های هوای نقاط گوناگون زمین را بررسی كرد و دریافت كه تركیب هوا یكسان است: 9/29 درصد اكسیژن و بقیه نیتروژن (و دی اكسید كربن به مقدار بسیار كم). در اواخر سده‌ی نوزدهم لرد ری لی و سر ویلیام رمزی، دانشمندان بریتانیایی، پی بردند كه نیتروژن هوا كمی سنگین‌تر از نیتروژن خالص حاصل از مواد شیمیایی است. آنان با بهره گیری از روش‌های طیف نمایی گازی نافعال از نظر شیمیایی در هوا كشف كردند و آن را آرگون (در یونانی به معنای بی‌اثر) نامیدند. ویلیام رمزی در دهه 1890 چهار عنصر بی اثر دیگر- نئون، كریپتون، زنون و هلیوم- را نیز در هوا كشف كرد (هلیوم قبلاً هم در خورشید شناخته شده بود). در قرن بیستم، با استفاده از روش طیف نمایی گازهای ناچیز دیگر جو- ئیدروژن، اكسیدهای كربن، اكسیدهای نیتروژن و متان- كشف شدند. اكنون دقیقاً می‌دانیم كه هوای زمین 08/78 درصد نیتروژن، 95/20 درصد اكسیژن، 03/0 درصد دی اكسید كربن، 93/0 درصد آرگون و بقیه از گازهای بسیار ناچیز تشكیل یافته است.
البته این تركیب هوا در جو پایینی و مشخصاً تركیب هوای خشك (بدون بخار آب) در سطح دریاست. این نسبت‌های مولكولی گازهای سازنده هوا تا ارتفاع حدود 100 كیلومتری ثابت است و این منطقه از جو را كه تركیب شیمیایی یكسانی دارد هوموسفر می‌نامند و در بالاتر از آن تا ارتفاع 10000 كیلومتر منطقه هتروسفر قرار درد. هتروسفر به ترتیب از پایین به بالا از لایه‌های نیتروژن (از بالای هوموسفر تا 200 كیلومتر)، اكسیژن (200 تا 1100 كیلومتر، هلیوم (1100 تا 3500 كیلومتر) یا هلیوسفر و ئیذروژن از 3500 تا 10000 كیلومتر) یا پروتونوسفر ساخته شده است. بالاتر از ارتفاع 10000 كیلومتر، به غلظت ئیدروژنی موجود در فضای میان- سیاره‌ای بر می‌خوریم كه شاید بتوان آنجا را فضا نامید. در این مقاله، در باره فضای بیرون از جو زمین صحبتی به میان نمی‌آید، از این رو عمدتاً به آن لایه از جو پایینی كه با سطح زمین در تماس است و بخشی از محیط زیست ماست می‌پردازیم.

چرخش عمومی جو

باد جریان هوا به موازات سطح زمین است. جهت باد را می‌توان با بادنما تعیین كرد. توجه بكنیم كه وقتی مثلاً میگوییم "باد غربی" منظور بادی است كه از جانب غرب می‌وزد، نه به جانب غرب. بادسنج وسیله‌ای است برای اندازه‌گیری سرعت باد. باد مظهر آشكاری از جریان جو است.
جریان‌های جوی را می توان برحسب مقیاس‌های زمانی و مكانی به مراتبی طبقه بندی كرد. ولی باید توجه داشت كه جریان جو پدیده‌ای بسیار پیچیده است و مراتب آن به یكدیگر مربوطند. در اینجا به بزرگ‌ترین مقیاس جریان جو و الگوی بادهای سیاره ای (جهانی) یعنی به چرخش عمومی جو می‌پردازیم. آگاهی‌های ما از نحوه چرخش جو و حركت هوا بر روی زمین از دو راه به دست آمده است: مشاهده تجربی الگوی بادها و مطالعات نظری
در سال 1735، جرج هادلی انگلیسی سیمای علمی از چرخش عمومی جو ارائه كرد. هادلی از پدیده جریان همرفتی گرما آگاهی داشت: بخش گرم و سبك یك سیال به سوی بالا حركت می كند. و نیز می‌دانست كه زمین نور و گرما را از خورشید می‌گیرد و چون زمین شكل كروی دارد، انرژی خورشید به ناحیه استوایی بیشتر از نواحی قطبی می‌رسد. اختلاف دما در استوا و قطبین باعث پیدایش بادهاست و گونه‌ای از این پدیده را می‌توان در كنار دریا بود از یك محفظه همرفتی در هر نیمكره زمین، كه در آن هوای گرم از استوا برمی‌خیزد، به سوی قطب می‌رود در آنجا سرد می‌شود، فرود می‌آید و به استوا بر می‌گردد و دوباره گرم می‌شود.
اما مشاهدات و مطالعات نشان دادند كه الگوی تك محفظه‌ای هادلی پذیرفتنی نیست عمدتاً به خاطر اینكه هادلی یك عامل مهم را در الگویش از چرخش عمومی جو نگنجانیده بود: چرخش زمین و "اثر كوریولیس" ناشی از آن. جو به وسیله نیروی گرانی به زمین پیوسته است و با چرخش زمین به دور خود، جو نیز می‌چرخد. جهت (از غرب به شرق) و سرعت (در استوا زیاد و در قطبین كم) چرخش زمین باعث می‌شود كه اثر كوریولیس بر هوای متحرك به سوی شمال یا جنوب بر فراز سطح زمین اعمال گردد؛ بدین معنی كه جسم متحرك به سوی قطب بر رو یا بالای سطح زمین در نیمكره‌ی شمالی به طرف راست رانده می‌شود و در نیمكره جنوبی به جانب چپ.
هواشناسان در دهه 1920 الگوی سه محفظه‌ای چرخش عمومی جو را پیشنهاد كردند. این الگو هم، بیشتر بر اثر مطالعات رفتار هوا در ارتفاعات بالا، دستخوش انتقادات و تجدید نظرهایی شده است؛ با این حال، برای شناخت چرخش عمومی جو الگویی ساده، مفید و علمی است و در زیر به شرح آن می‌پردازیم.
چرخش عمومی جو در هر نیمكره زمین را می‌توان در سه محفظه در نظر گرفت. محفظه اول میان استوا و عرض جغرافیایی 30 درجه (شمال یا جنوب) قرار دارد و جریان هوا در این قسمت با الگوی هادلی مطابقت می‌كند و آن را محفظه هادلی می‌نامند. هوا از منطقه گرم و كم فشار استوا برمی‌خیزد و به سوی قطب حركت می‌كند، اما در عرض جغرافیایی حدود 30 درجه (به نام منطقه فشار زیر حاره‌ای) سرد و خشك و سنگین می‌شود و پایین می‌آید. در اینجا صحراهای بزرگ جهان قرار گرفته است. سپس هوا به صورت بادهای مداوم بر سطح زمین به استوا باز می‌گردد. ظاهراً نخست بار كریستف كلمب در 1492 در سفر دریایی‌اش بر اقیانوس اطلس كه به كشف قاره امریكا منجر شد، به وجود بادهای مداوم پی برد. این بادها در نیمكره شمالی از جانب شمال شرق و در نمكره جنوبی از سوی جنئب شرق می‌وزند. بادهای مداوم از دو نیمكره در ناحیه استوا به هم می‌رسند و اینجا را منطقه تقارب میان حاره‌ای و یا منطقه آرامگان استوایی می‌گویند.در آنجا هوا دوباره گرم و مرطوب می‌شود و به بالا می‌رود.
محفظه دوم میان عرض جغرافیایی 30 درجه (منطقه پرفشار زیر حاره‌ای) و عرض جغرافیایی 60 درجه (منطقه كم فشا قطبی)جای دارد. چرخش جو در این محفظه بر عكس آن چیزی است كه در محفظه هادلی رخ می‌دهد؛ یعنی حركت اصلی هوا بر سطح زمین به سوی قطب است. اما به علت اثر كوریولیس، باد از جانب غرب می‌وزد. این بادهای غربی را بنجامین فرانكلین امریكایی شناخته بود و همچنین او دریافت كه بادهای غربی بر خلاف بادهای مداوم، یكنواخت نمی‌وزند و برای دریانوردی قابل اطمینان نیستند.
محفظه سوم در عرض‌های جغرافیایی بالا (از 60 درجه تا قطب) قرار دارد. اطلاعات ما از چرخش جو در این محفظه نسبتاً اندك است. تصور می‌شود كه در منطقه پر فشار قطبی هوا به پایین می‌رد و بر سطح زمین به سوی استوا حركت میكند. اما در عرض جغرافیایی حدود 60 درجه (منطقه كم فشار زیر قطبی) با بادهای غربی گرم تصادم می‌كند، به بالا می‌رود و به قطب باز می‌گردد. بادهای این محفظه بسیار سرد هستند و با توجه به اثر كوریولیس بر حركت هوا در این قسمت، بادها از جانب شرق می‌وزند و آن‌ها را بادهای شرقی قطبی می‌گویند.
انسان همواره با چشمانی آكنده از پرسش و نیاز به آسمان پر از راز نگریسته است. هواشناسی، خصوصاً در قرن كنونی، تا حد زیادی ما را با پدیده‌های جوی آشنا ساخته است و برای درك ناشناخته‌ها باز هم تلاش می‌كند. جو نه فقط زیبایی‌ها و شگفتی‌ها دارد بلكه برای بقای حیات ضروری است. میلیون‌ها سال طول كشیده است تا جو زمین تركیب و فرایندی مناسب حیات انسان یابد. در سال‌های اخیر، هواشناسان و بوم شناسان هشدار می‌دهند كه آثار فعالیت‌های خود خواهانه و بی‌رویه بشری (مثلاً گازهای شیمیایی حاصل از سوخت‌های فسیلی) برای جو زیانبار و آلوده كننده است. اگر تركیب هوا بر هم بخورد، همه انسان‌ها زیان می‌بینند چرا كه جو و هوا و آسمان فراتر از مرزهای ساخت بشری است. معمولاً چیزهای مفت و آسان را به هوا و تنفس تشبیه می‌كنند. با این جنگ شیمیایی انسان علیه طبیعت، آیا روزگاری فرا می‌رسدكه این حرف‌ها معنای خود را از دست بدهند؟ اساساً هوا و جو مقوله‌ایست كه در قیمت گئاری نمی‌گنجد. وظیفه همه انسان‌هاست كه از این پاره بی بهای زمین نگهداری كنند: دولت‌ها در برنامه توسعه، صاحبان صنایع در تاسیسات و محصولات، و مردم در محیط خانه و كار باید اصول زیست محیطی را رعایت كنند. شناخت جو ما را ملزم می‌سازد كه ار آن جهت محافظت منیم تا فرزندانمان در هوایی سالم زیست كنند؛ زیبایی‌های آسمان را تماشا كنند و اسرار جو را دریابند.