تألیف: حمید وثیق زاده انصاری
منبع:راسخون
منبع:راسخون
زمین دارای اتمسفری است که از پنج لایه تشکیل شده که عبارت‌اند از، تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، تروموسفر و یونوسفر. متن زیر را مطالعه کنید تا اهمیت هر کدام از این لایه‌ها را درک کنید.
واژهی اتمسفر از ترکیب دو واژهی یونانی Atoms به معنی بخار و spharia به معنی کره، مشتق شده و به لایهی نازک هوایی که کرهی زمین را در بر گرفته است ، اطلاق میشود. اتمسفر به واسطه‌ی نیروی جاذبه به دور جرم فضایی نگه داشته میشود. اتمسفر مخلوطی از گازهایی از جمله نیتروژن با ۰۸ر۷۸ در صد، اکسیژن با ۹۵ر۲۹ در صد، دی اکسید کربن ۳۸ر۰ درصد و آرگون با ۹۳ر۰ در صد، می‌باشد. اتمسفر هم چنین شامل مقدار بسیار کمی از گازهای دیگر و در حدود یک در صد بخارات آب می‌باشد. اتمسفر زمین در شعاع‌های درونی‌تر، ضخیم‌تر است و هرچه از زمین فاصله می‌گیریم و به فضای بیرونی نزدیک‌تر می‌شویم، شروع به نازک‌تر شدن می‌کند. اتمسفر از پنج لایه تشکیل شده، که هر لایه نقش مهمی در حفظ حیات در زمین دارد. خارجی‌ترین لایه، مرز بین زمین و فضای خارجی را مشخص می‌کند. نسبت گازها و درجه‌ی حرارت آن‌ها در هر یک از لایه‌ها با دیگر لایه‌ها متفاوت است، بنا بر این ساختار ترکیبات هر یک از لایه‌ها با دیگری متفاوت است. ترکیب هر یک از لایه‌ها تحت تأثیر خواص آن است که منجر به پدیده‌های مختلف جوی میشود.
لایه‌های اتمسفر به ترتیب شروع از پایین‌ترین لایه به سمت بالاترین آن عبارت‌اند از تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، تروموسفر و یونوسفر. تروپوسفر اولین لایه بالای سطح زمین است که حدود نیمی از اتمسفر را شامل میشود. بعد از تروپوسفر، لایهی استراتوسفر قرار گرفته، که لایهی پایداری است و در پی آن لایهی مزوسفر، که محل شهاب‌ها و سنگ‌های آسمانی است، می‌آید. ترموسفر، لایهی چهارم است و بالای آن آخرین لایهی اتمسفر یعنی یونوسفر قرار گرفته است. یونوسفر لایهی نازکی است که با فضای خارجی از طریق اگزوسفر تماس دارد.
تروپوسفر از کلمه یونانی tropos یا تروپوس به معنی ترکیب کردن گرفته شده‌است.
تروپوسفر از سطح زمین شروع میشود و در نواحی قطبی تا ارتفاع هفت کیلومتری و در استوا تا ارتفاع هفده کیلومتری را در بر می‌گیرد. این لایه در مناطق استوا گسترده‌تر و در مناطق قطبی رقیق‌تر و نازک‌تر می‌باشد. این لایه دارای یک ترکیب شیمیایی نسبتاً یک نواخت است، به جز در مورد در صد بخارات آب که با افزایش ارتفاع کاهش مییابد. غلظت بخارات آب در مناطق قطبی نسبت به مناطق استوایی چهار در صد کم‌تر است. نود و نه درصد بخارات آب جو زمین در لایهی تروپوسفر قرار دارد. بخارات آب با جذب انرژی خورشیدی و تابش‌های حرارتی، نقش مهمی در تنظیم آب و هوای کرهی زمین دارد. حرارت انرژی خورشیدی، غلظت هوا را کاهش می‌دهد و دما را بالا می‌برد. در روندی که مخالف با هوای اطراف است، هوا با صرف انرژی، باعث کاهش دما میشود. کاهش دما باعث میشود که محتوای بخارات هوا متراکم‌تر شده و توده‌های هوایی شکل بگیرد. تروپوسفر ۸۰ درصد از جرم کل اتمسفر را شامل میشود.
علاوه بر بخارات آب، نیتروژن با ۷۸ درصد، اکسیژن با ۲۱ درصد، مقدار کمی آرگون و ازن هیدروژنی نیز در این لایه حضور دارند. هوایی که ما تنفس می‌کنیم از تروپوسفر است. مه دود نیز جزوی از تروپوسفر شده است. دود و آلاینده‌ها به همراه مه، تشکیل مه دود را در این لایه داده‌اند. اخیراً در صد دی اکسید کربن در این لایه رو به افزایش است، که خطر گرم شدن زمین و اثر گل خانه‌ای را افزایش می‌دهد.
تروپوسفر، میزبان چرخه‌ی آب می‌باشد. اصطکاک بین هوا و سطح زمین باعث سوق گرد و غبار به سمت هوا میشود. این گرد و غبار در تماس با رطوبت منجر به تشکیل ابر میشود که در نهایت به شکل باران و برف در می‌آید.
دمای تروپوسفر با افزایش ارتفاع، کاهش مییابد. درجه‌ی حرارت تروپوسفر در سطوح پایین‌تر در حدود ۵۹ درجه‌ی فارنهایت است. این درجه‌ی حرارت به نسبت افزایش هر هزار فوت، به میزان ۶ر۳ درجه‌ی فارنهایت کاهش مییابد. این نرخ تغییرات درجه‌ی حرارت با عنوان نرخ تغییرات نیواری شناخته شده است. میزان کاهش نیواری در علم هوا شناسی، به میزان کاهش هر عامل متغیر جوی در اثر زیاد شدن ارتفاع، اطلاق میشود. دما در سطوح بالاتر تروپوسفر به ۱۱۰ درجه‌ی فارنهایت نیز می‌تواند برسد. درجه‌ی حرارت ممکن است در مناطقی که وارونگی دما رخ می‌دهد، بیشتر باشد. (وارونگی هوا یا وارونگی گرمایی به پدیده‌ای گفته میشود که در آن بر خلاف حالت طبیعی با افزایش ارتفاع، دما نیز زیاد میشود و در این شرایط درجه حرارت پایین جو کم‌تر از طبقه فوقانی می‌باشد.)
با توجه به مطالعات اخیر، در لایه‌های میانی و فوقانی تروپوسفر، باکتری‌های زنده یافت شده است. زمان لازم است تا معلوم شود که چگونه این باکتری‌ها در این مکان ظاهر شده‌اند و چگونه رشد و نمو می‌کنند و چه تأثیری در شکل گیری ابرها و بارش دارند. مرز بین تروپوسفر و استراتوسفر، با عنوان تروپوپوز نامیده میشود. تروپوپوز را می‌توان به عنوان نقطه‌ای تعریف کرد که نرخ تغییرات نیواری از حالت مثبت به منفی تغییر می‌کند. به عبارت دیگر محلی است که در آن کاهش دمای اتمسفر متوقف شده و از آن نقطه به بالا شاهد افزایش دمای اتمسفر خواهیم بود.
استراتوسفر از کلمه‌ی لاتین استراتوس به معنی گسترش یافته، به دست آمده است
این لایه از بالای تروپوسفر شروع میشود و تا ارتفاع پنجاه کیلومتری گسترش مییابد. استراتوسفر در خط استوا از فاصله‌ی ۱۶ کیلومتری شروع میشود و در نزدیکی مناطق قطبی این عدد به ۸ کیلومتر کاهش مییابد. این لایه از اتمسفر در بر گیرنده‌ی لایهی ازن است. لایهی ازن در فاصله‌ی ۱۵ تا ۳۵ کیلومتری بالای سطح زمین قرار گرفته است. لایهی ازن حاوی گاز ازن است. این لایه اشعه‌های فرا بنفش خورشیدی که می‌توانند برای حیات موجودات زمین مضر باشند را، جذب می‌کند.
رابطه‌ی دما و ارتفاع در استراتوسفر، مخالف آن چیزی است که در تروپوسفر وجود دارد. درجه حرارت در این لایه با افزایش ارتفاع، کاهش مییابد، و این به دلیل کاهش جریان همرفتی و ترکیباتی است که در این لایه وجود دارد و این باعث میشود که استراتوسفر جوی پایدار داشته باشد. وجود غلظت بالای مولکول‌های ازن نیز باعث این موضوع میشود. جریان هوا از اتمسفر به لایه‌های بالایی و پایینی آن به سبب امواج و جزر و مدهای اتمسفری رخ می‌دهد (نوسانات جوی ناشی از عواملی چون گرما، گرانش و چرخه‌ی روز و شب، می‌باشد). بیشتر هوا پیماهای جت در جو استراتوسفر پرواز می‌کنند، و از رو به رو شدن با مشکلات پرواز در تروپوسفر خود داری می‌کنند. با توجه به جریان همرفتی کمی که در این لایه وجود دارد، هر چیزی که در آن وارد میشود، می‌تواند به مدت طولانی در آن گرفتار شود و بماند. این اتفاق برای سی اف سی‌ها از ذرات معلق در هوا، یا گازهایی که به واسطه‌ی شهاب سنگ‌ها، فوران‌های آتش فشانی و موشک‌ها، وارد استراتوسفر می‌شوند، می‌افتد.
ابرهای استراتوسفری قطبی ((PSCs)Polar Stratospheric Clouds )
هوا در استراتوسفر خشک است و بخار آب بسیار کمی دارد. با توجه به این که در این لایه رطوبت کمی وجود دارد، ابرهای کمتری نیز در آن تشکیل میشود. در شرایط دمایی بسیار سرد، در طول زمستان‌های قطبی، در این لایه ابر تشکیل میشود. این ابرها با عنوان ابرهای استراتوسفری قطبی (PSCs) یا ابرهای رنگین تاب شناخته می‌شوند و در دماهای زیر ۷۸- درجه‌ی سانتی گراد تشکیل می‌شوند. ابر رنگین‌تاب یا ابر استراتوسفری قطبی، ابری در زمستان است که در ارتفاع ۱۵۰۰۰ تا ۲۵۰۰۰ متری وجود دارد. این ابر در گرگ و میش شهری وقتی که خورشید میان ۱ تا ۶ درجه زیر افق است، به بهترین صورت دیده میشود. این ابر در ایجاد سوراخ لایه ازن نقش دارد و لایه ازن را تخریب می‌کند. این ابرها نور خورشید را به زمین انعکاس می‌دهند و به نظر رنگی می‌آیند. وقتی لایه‌های ابر نازک باشند و از قطره‌هایی با اندازه یک سان تشکیل شده باشند، پراش نور باعث میشود که این ابرها، رنگی مانند رنگین کمان داشته باشند، اما به دلیل ارتفاع زیاد و پراکندگی رالی بیشتر رنگ قرمز آن‌ها به چشم می‌آید. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که ابر، تازه در حال شکل گرفتن است. در نتیجه قطرات آب تشکیل دهنده ابر، اندازه تقریباً یک سانی دارند. این ابرها از لحاظ ترکیب‌های شیمیایی متفاوت‌اند. آن‌هایی که حاوی آب، نیتریک و اسید سولفوریک هستند مسئول تخریب لایهی ازن در مناطق قطبی می‌باشند. آن‌ها به دلیل موضع خنک کنندگی لایه‌های پایین استراتوسفر که فقط دارای آب یخ زده است، تشکیل می‌شوند و فقط در مناطق قطب شمال دیده شده‌اند.
در سال ۲۰۰۹، وب سایت Science Daily ، گزارش کشف یک گونه‌ی جدید از باکتری‌ها را در لایه‌های بالای استراتوسفر، اعلام کرد. این موضوع توسط دانشمندان هندی در ISRO کشف شد. با تلاش‌های مشترک CCMB ،Hyderabad و NCCS ، و Pune در هند، نمونه‌ها را مورد آنالیز قرار دادند و نتیجه گیری کردند که ۱۲ باکتری و ۶ کلنی قارچ کشف شده و ۹ گونه از لحاظ ژنتیکی به گونه‌های موجود در زمین شباهت دارند. هم چنین گزارش‌ها حاکی از پرواز پرندگان در لایه‌های پایین استراتوسفر است. کرکس Ruppell به عنوان بلند پروازترین پرنده شناخته شده است و تا ارتفاع یازده کیلومتری از سطح دریا پرواز کرده است. اعتقاد بر این است که غازهای نوار سر تا بالای کوه‌های اورست پرواز کرده‌اند. مرز بین استراتوسفر و مزوسفر با عنوان استراتوپوز نامیده میشود. در استراتوسفر دما با افزایش ارتفاع، بیشتر میشود. دما در استراتوپوز به حد اکثر مقدار خود می‌رسد. استراتوپوز در ۵۵ کیلومتری بالای سطح زمین قرار گرفته است.
مزوسفر از کلمه‌ی یونانی مزوز به معنای متوسط مشتق شده است.
این لایه از ۵۰ کیلو متری تا ۸۰ الی ۸۵ کیلو متری امتداد یافته است. دمای هوا در این لایه با افزایش ارتفاع کاهش مییابد. بسیاری از شهاب سنگ‌ها و تکه سنگ‌ها قبل از این که وارد جو زمین شوند، در این لایه می‌سوزند. این موضوع به خاطر ترکیبات این لایه است که شهاب سنگ‌ها را می‌سوزاند و بخار می‌کند.
مزوسفر دارای یک لایهی سدیمی است که پنج کیلومتر عمق دارد و از اتم‌های سدیم یونیزه نشده تشکیل شده است. این لایه، نور ساطع می‌کند و به روشنایی شب کمک می‌کند. (درخشش هوای اتمسفر مربوط به آسمان شب است و نمی‌گذارد که هوا کاملاً تاریک به نظر برسد.)
در این لایه، دمای هوا با افزایش ارتفاع، کاهش مییابد. بالاترین نقطه‌ی مزوسفر که با عنوان مزوپاز شناخته میشود، سردترین نقطه‌ی اتمسفر زمین می‌باشد. دمای این لایه کم‌تر از ۹۰- درجه‌ی سانتی گراد است. کاهش حرارت خورشیدی و انتشار کربن دی اکسید منجر به این چنین نزول دمایی در این لایه شده است. این لایه هم چنین تلاطم‌های جزر و مدی گرانشی، امواج سیاره‌ای و نیز بادهای ناحیه‌ای را از خود بروز می‌دهد. امواج سیاره‌ای و امواج گرانشی تولید شده در لایه‌های پایین‌تر، به سمت مزوسفر انتشار می‌یابند و در آن از بین می‌روند.
هوای بسیار کمی در مزوسفر وجود دارد، چرا که اتم‌ها و مولکول‌های گازی در این لایه بر هم کنش خیلی کمی با هم دارند. هوا در این لایه به قدری کم است که نمی‌تواند پیش رانش مورد نیاز برای پرواز یک هوا پیما را تأمین کند، به همین سبب برای هوا پیماها جای مناسبی نیست. فضا از این لایهی نازک شروع میشود.
ارتفاع زیاد و نیز ترکیبات موجود در مزوسفر سبب شده تا جمع آوری اطلاعات در مورد این لایه، کار دشواری باشد. برای مطالعه روی این لایه از موشک‌های خاصی به نام Sounding rockets استفاده میشود. تا به امروز، دانشمندان به اطلاعات بسیار کمی در مورد این لایه دست یافته‌اند. مرز بین مزوسفر و ترموسفر، به عنوان مزوپاز نامیده میشود. آن را می‌توان به عنوان منطقه‌ای تعریف کرد، که ۸۰ کیلومتر بالاتر از سطح زمین قرار گرفته و بالاترین مرز مزوسفر و یا نقطه‌ای را در بالای مزوسفر تشکیل داده که پایین‌ترین دما را دارا می‌باشد.
ترموسفر از کلمه‌ی یونانی ترمو به معنای گرما مشتق شده است
این لایه از فاصله‌ی حدود ۸۵ کیلومتری سطح زمین شروع شده و تا فاصله‌ی ۶۴۰ کیلومتری ادامه دارد. دمای هوا در مناطق پایینی این لایه با افزایش ارتفاع، افزایش مییابد، و از نقطه‌ای به بعد ثابت باقی می‌ماند. تغییرات کوچک در انرژی، می‌تواند باعث تغییرات بزرگ و شدیدی در این لایه شود. درجه‌ی حرارت در این لایه می‌تواند تا ۱۵۰۰ درجه‌ی سانتی گراد و حتی بیشتر از آن نیز، برسد. این لایه، داغ‌ترین لایهی اتمسفر زمین می‌باشد. اکسیژن موجود در این لایه اشعه‌های خورشیدی را جذب می‌کند و باعث افزایش درجه‌ی حرارت این لایه میشود. ترموسفر در طول روز نسبت به شب داغ‌تر است. این لایه بیشتر حرارت خورشید را جذب می‌کند. بعضی اوقات هوا منبسط شده و باعث افزایش ارتفاع مناطق بالاتر ترموسفر میشود.
شفق قطبی یک پدیده‌ی جالب است که در ترموسفر اتفاق می‌افتد. در ارتفاعات بالاتر، ذرات بار دار با اتم‌ها و مولکول‌ها بر خورد می‌کنند، و آن‌ها را به حالات انرژی بالاتری می‌برند. اتم‌ها و مولکول‌های تحریک شده، این انرژی را به صورت نور ساطع می‌کنند، که به صورت شفق‌های رنگارنگ قابل رؤيت است. شفق قطبی به عنوان چراغ‌های شمالی و جنوبی نیز نامیده میشود.
در ارتفاع حدود ۱۶۰ کیلومتری سطح زمین، منطقه‌ای وجود دارد که در آن صدا منتقل نمی‌شود، و این به دلیل رقیق بودن شدید هوا است که امکان بر هم کنش مولکول‌ها را از آن‌ها گرفته و در نتیجه امکان انتقال صوت در این لایه وجود ندارد.
شاتل فضایی در لایهی ترموسفر قرار دارد. ایستگاه فضایی بین المللی که در فاصله‌ی ۳۲۰ تا ۳۸۰ کیلومتری زمین قرار دارد، در این لایه واقع شده است. با توجه به تغییرات چگالی هوا در این لایه، ماهواره‌ها نیروی کششی مخالف سختی را در آن تجربه می‌کنند. مرز بیرونی ترموسفر، با عنوان ترموپاز نامیده میشود. ترموپاز در ارتفاع ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتری و یا بیشتر واقع شده است.
بخشی از اتمسفر زمین، که توسط اشعه‌های خورشیدی یونیزه شده را یونوسفر می‌نامیم. همان طوری که دانشمندان می‌گویند، یونوسفر به عنوان گستره‌ای از ترموسفر محسوب میشود و نمی‌توان آن را به عنوان جزء جدایی از لایه‌های اتمسفر زمین به حساب آورد. درجه‌ی حرارت هوا در این لایه با افزایش ارتفاع، بیشتر میشود. یونوسفر حدود ۱ر۰ درصد از جرم کل اتمسفر را تشکیل می‌دهد. یونوسفر لایهی داخلی مگنتوسفر، یا به بیان ساده‌تر، حوزه‌ی نفوذ نیروی مغناطیسی / گرانشی زمین را تشکیل می‌دهد. حتی یونوسفر نیز شفق قطبی را تجربه می‌کند.
یونوسفر امکان انتشار سیگنال‌های رادیویی را به نقاط دور دست زمین فراهم می‌کند. این لایه امواج رادیویی را به سمت زمین منعکس می‌کند، در نتیجه ارتباطات رادیویی را تسهیل می‌بخشد. الکترون‌های آزاد در یونوسفر به پخش امواج الکترو مغناطیسی کمک می‌کند. تحقیقاتی نیز در زمینه‌ی استفاده از فناوری جدیدی با عنوان Electromagnetic tethers انجام گرفته که مربوط به سیم‌ها و کابل‌های هادی می‌باشد که با استفاده از یونوسفر انرژی را از میدان مغناطیسی زمین خارج می‌کند.
اگزوسفر از کلمه‌ی یونانی اگزو به معنای بیرونی یا خارجی به دست آمده است
این لایه همان جایی است که اتمسفر زمین با فضای بیرونی تلاقی می‌کند. این لایه محل اجتماع ذرات آزاد متحرکی است که احتمالاً از لایهی مگنتوسفر وارد این لایه شده‌اند. این لایه از ارتفاعات 1000 - 500 کیلومتر الی ۱۰۰۰۰ کیلومتر را در بر می‌گیرد. اگزوسفر بالاترین محدوده و مرز اتمسفر می‌باشد. این لایه جایی است که در آن اتم‌ها و مولکول‌ها به فضا فرار می‌کنند. اتمسفر در این لایه خیلی رقیق میشود. این لایه شامل هیدروژن، کربن دی اکسید و اکسیژن اتمی میشود و هم چنین اثراتی از هلیم نیز در آن به چشم می‌خورد. هوا در این لایه به قدری رقیق است که می‌توان آن را با جو خلأ در فضا مقایسه کرد. ذرات گازی موجود در اگزوسفر در مسیرهای منحنی شکل حرکت می‌کنند. این ذرات یا به دلیل وجود نیروی گرانش زمین به لایه‌های پایین‌تر می‌روند و یا به فضای بیرونی می‌گریزند.
Geocorona یا زمین تاج ( پوشش گازهای یونیزه شده به ویژه هیدروژن که فضای بیرونی کرهی زمین را فرا گرفته است)
پایین‌ترین مرز اگزوسفر به عنوان اگزوباس یا ترموپاز شناخته میشود، و در حدود ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتر امتداد دارد. ارتفاع اگزوباس با تغییر در شدت تابش اشعه‌های خورشید، تغییر می‌کند. در زیر ترموپاز، ذرات گازی برخوردهایی از نوع اتمی دارند. در بالای آن به صورت مکانیکی با هم برخورد می‌کنند.
مرز بالایی به قدری دور است که تأثیر فشار اشعه‌های خورشیدی بر هیدروژن اتمی بیشتر از نیروی جاذبه‌ی زمین است. به عبارت ساده‌تر نیرویی که اشعه‌های خورشیدی روی اتم‌های هیدروژن اعمال می‌کنند خیلی بیشتر از نیرویی است که توسط گرانش زمین به آن‌ها اعمال میشود. این مرز تقریباً در نصف فاصله‌ی بین زمین و ماه قرار گرفته است. ۱۰۰۰۰ کیلومتر فاصله‌ای است که معمولاً به عنوان مرز بین اتمسفر زمین و فضا در نظر گرفته میشود.
در ارتفاع ۱۰۰۰۰ کیلومتری اتم‌های هیدروژن تابش‌های فرا بنفش را پخش می‌کنند و نور ساطع می‌کنند. این پدیده با عنوان Geocorona شناخته شده است.
هر لایه از اتمسفر زمین به واسطه‌ی ترکیبات آن لایه، دارای یک سری اصول مشخص شده می‌باشد. تروپوسفر محل تمام تغییرات آب و هوایی است در حالی که پوشش محافظ ازن در استراتوسفر، به رونق حیات روی کرهی زمین کمک می‌کند. به کمک پدیده‌ی روشنایی شب مزوسفریک (mesospheric airglow) آسمان شب هیچ وقت کاملاً تاریک به نظر نمی‌رسد. تغییر رنگ آسمان بخشی از پدیده‌های نوری است. اپتیک‌های اتمسفری باعث افزایش آن میشود. هوا پیماها در استراتوسفر و شاتل‌های فضایی در ترموسفر تردد می‌کنند در حالی که یونوسفر ارتباطات رادیویی را ممکن می‌سازد. اتمسفر یک سپر محافظ است که سبب میشود، زمین جایی مناسب برای حیات باشد.
لایه‌های اتمسفر به ترتیب شروع از پایین‌ترین لایه به سمت بالاترین آن عبارت‌اند از تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، تروموسفر و یونوسفر. تروپوسفر اولین لایه بالای سطح زمین است که حدود نیمی از اتمسفر را شامل میشود. بعد از تروپوسفر، لایهی استراتوسفر قرار گرفته، که لایهی پایداری است و در پی آن لایهی مزوسفر، که محل شهاب‌ها و سنگ‌های آسمانی است، می‌آید. ترموسفر، لایهی چهارم است و بالای آن آخرین لایهی اتمسفر یعنی یونوسفر قرار گرفته است. یونوسفر لایهی نازکی است که با فضای خارجی از طریق اگزوسفر تماس دارد.
تروپوسفر از کلمه یونانی tropos یا تروپوس به معنی ترکیب کردن گرفته شده‌است.
تروپوسفر از سطح زمین شروع میشود و در نواحی قطبی تا ارتفاع هفت کیلومتری و در استوا تا ارتفاع هفده کیلومتری را در بر می‌گیرد. این لایه در مناطق استوا گسترده‌تر و در مناطق قطبی رقیق‌تر و نازک‌تر می‌باشد. این لایه دارای یک ترکیب شیمیایی نسبتاً یک نواخت است، به جز در مورد در صد بخارات آب که با افزایش ارتفاع کاهش مییابد. غلظت بخارات آب در مناطق قطبی نسبت به مناطق استوایی چهار در صد کم‌تر است. نود و نه درصد بخارات آب جو زمین در لایهی تروپوسفر قرار دارد. بخارات آب با جذب انرژی خورشیدی و تابش‌های حرارتی، نقش مهمی در تنظیم آب و هوای کرهی زمین دارد. حرارت انرژی خورشیدی، غلظت هوا را کاهش می‌دهد و دما را بالا می‌برد. در روندی که مخالف با هوای اطراف است، هوا با صرف انرژی، باعث کاهش دما میشود. کاهش دما باعث میشود که محتوای بخارات هوا متراکم‌تر شده و توده‌های هوایی شکل بگیرد. تروپوسفر ۸۰ درصد از جرم کل اتمسفر را شامل میشود.
علاوه بر بخارات آب، نیتروژن با ۷۸ درصد، اکسیژن با ۲۱ درصد، مقدار کمی آرگون و ازن هیدروژنی نیز در این لایه حضور دارند. هوایی که ما تنفس می‌کنیم از تروپوسفر است. مه دود نیز جزوی از تروپوسفر شده است. دود و آلاینده‌ها به همراه مه، تشکیل مه دود را در این لایه داده‌اند. اخیراً در صد دی اکسید کربن در این لایه رو به افزایش است، که خطر گرم شدن زمین و اثر گل خانه‌ای را افزایش می‌دهد.
ابر صاعقه دار در تروپوسفر
تغییرات آب و هوایی در این لایه از اتمسفر اتفاق می‌افتد. هوا در خط استوا بیشتر از قطب‌ها گرم‌تر میشود، و این به دلیل حرارت نا برابر خورشید است. این امر موجب جریانات انتقالی در هوا میشود که دلیل ایجاد حرکت بادها و رطوبت است. همرفت (انتقال حرارت ناشی از حرکت مولکول‌های مایعات و گازها) حرکت عمودی گرما در تروپوسفر را تسهیل می‌کند. انتقال افقی حرارت به واسطه‌ی مکانیزم فرا برد امکان پذیر است (انتقال حرارت به واسطه‌ی جریان‌های افقی هوا).تروپوسفر، میزبان چرخه‌ی آب می‌باشد. اصطکاک بین هوا و سطح زمین باعث سوق گرد و غبار به سمت هوا میشود. این گرد و غبار در تماس با رطوبت منجر به تشکیل ابر میشود که در نهایت به شکل باران و برف در می‌آید.
دمای تروپوسفر با افزایش ارتفاع، کاهش مییابد. درجه‌ی حرارت تروپوسفر در سطوح پایین‌تر در حدود ۵۹ درجه‌ی فارنهایت است. این درجه‌ی حرارت به نسبت افزایش هر هزار فوت، به میزان ۶ر۳ درجه‌ی فارنهایت کاهش مییابد. این نرخ تغییرات درجه‌ی حرارت با عنوان نرخ تغییرات نیواری شناخته شده است. میزان کاهش نیواری در علم هوا شناسی، به میزان کاهش هر عامل متغیر جوی در اثر زیاد شدن ارتفاع، اطلاق میشود. دما در سطوح بالاتر تروپوسفر به ۱۱۰ درجه‌ی فارنهایت نیز می‌تواند برسد. درجه‌ی حرارت ممکن است در مناطقی که وارونگی دما رخ می‌دهد، بیشتر باشد. (وارونگی هوا یا وارونگی گرمایی به پدیده‌ای گفته میشود که در آن بر خلاف حالت طبیعی با افزایش ارتفاع، دما نیز زیاد میشود و در این شرایط درجه حرارت پایین جو کم‌تر از طبقه فوقانی می‌باشد.)
با توجه به مطالعات اخیر، در لایه‌های میانی و فوقانی تروپوسفر، باکتری‌های زنده یافت شده است. زمان لازم است تا معلوم شود که چگونه این باکتری‌ها در این مکان ظاهر شده‌اند و چگونه رشد و نمو می‌کنند و چه تأثیری در شکل گیری ابرها و بارش دارند. مرز بین تروپوسفر و استراتوسفر، با عنوان تروپوپوز نامیده میشود. تروپوپوز را می‌توان به عنوان نقطه‌ای تعریف کرد که نرخ تغییرات نیواری از حالت مثبت به منفی تغییر می‌کند. به عبارت دیگر محلی است که در آن کاهش دمای اتمسفر متوقف شده و از آن نقطه به بالا شاهد افزایش دمای اتمسفر خواهیم بود.
استراتوسفر از کلمه‌ی لاتین استراتوس به معنی گسترش یافته، به دست آمده است
این لایه از بالای تروپوسفر شروع میشود و تا ارتفاع پنجاه کیلومتری گسترش مییابد. استراتوسفر در خط استوا از فاصله‌ی ۱۶ کیلومتری شروع میشود و در نزدیکی مناطق قطبی این عدد به ۸ کیلومتر کاهش مییابد. این لایه از اتمسفر در بر گیرنده‌ی لایهی ازن است. لایهی ازن در فاصله‌ی ۱۵ تا ۳۵ کیلومتری بالای سطح زمین قرار گرفته است. لایهی ازن حاوی گاز ازن است. این لایه اشعه‌های فرا بنفش خورشیدی که می‌توانند برای حیات موجودات زمین مضر باشند را، جذب می‌کند.
ابرهای استراتوسفری قطبی ((PSCs)Polar Stratospheric Clouds )
هوا در استراتوسفر خشک است و بخار آب بسیار کمی دارد. با توجه به این که در این لایه رطوبت کمی وجود دارد، ابرهای کمتری نیز در آن تشکیل میشود. در شرایط دمایی بسیار سرد، در طول زمستان‌های قطبی، در این لایه ابر تشکیل میشود. این ابرها با عنوان ابرهای استراتوسفری قطبی (PSCs) یا ابرهای رنگین تاب شناخته می‌شوند و در دماهای زیر ۷۸- درجه‌ی سانتی گراد تشکیل می‌شوند. ابر رنگین‌تاب یا ابر استراتوسفری قطبی، ابری در زمستان است که در ارتفاع ۱۵۰۰۰ تا ۲۵۰۰۰ متری وجود دارد. این ابر در گرگ و میش شهری وقتی که خورشید میان ۱ تا ۶ درجه زیر افق است، به بهترین صورت دیده میشود. این ابر در ایجاد سوراخ لایه ازن نقش دارد و لایه ازن را تخریب می‌کند. این ابرها نور خورشید را به زمین انعکاس می‌دهند و به نظر رنگی می‌آیند. وقتی لایه‌های ابر نازک باشند و از قطره‌هایی با اندازه یک سان تشکیل شده باشند، پراش نور باعث میشود که این ابرها، رنگی مانند رنگین کمان داشته باشند، اما به دلیل ارتفاع زیاد و پراکندگی رالی بیشتر رنگ قرمز آن‌ها به چشم می‌آید. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که ابر، تازه در حال شکل گرفتن است. در نتیجه قطرات آب تشکیل دهنده ابر، اندازه تقریباً یک سانی دارند. این ابرها از لحاظ ترکیب‌های شیمیایی متفاوت‌اند. آن‌هایی که حاوی آب، نیتریک و اسید سولفوریک هستند مسئول تخریب لایهی ازن در مناطق قطبی می‌باشند. آن‌ها به دلیل موضع خنک کنندگی لایه‌های پایین استراتوسفر که فقط دارای آب یخ زده است، تشکیل می‌شوند و فقط در مناطق قطب شمال دیده شده‌اند.
در سال ۲۰۰۹، وب سایت Science Daily ، گزارش کشف یک گونه‌ی جدید از باکتری‌ها را در لایه‌های بالای استراتوسفر، اعلام کرد. این موضوع توسط دانشمندان هندی در ISRO کشف شد. با تلاش‌های مشترک CCMB ،Hyderabad و NCCS ، و Pune در هند، نمونه‌ها را مورد آنالیز قرار دادند و نتیجه گیری کردند که ۱۲ باکتری و ۶ کلنی قارچ کشف شده و ۹ گونه از لحاظ ژنتیکی به گونه‌های موجود در زمین شباهت دارند. هم چنین گزارش‌ها حاکی از پرواز پرندگان در لایه‌های پایین استراتوسفر است. کرکس Ruppell به عنوان بلند پروازترین پرنده شناخته شده است و تا ارتفاع یازده کیلومتری از سطح دریا پرواز کرده است. اعتقاد بر این است که غازهای نوار سر تا بالای کوه‌های اورست پرواز کرده‌اند. مرز بین استراتوسفر و مزوسفر با عنوان استراتوپوز نامیده میشود. در استراتوسفر دما با افزایش ارتفاع، بیشتر میشود. دما در استراتوپوز به حد اکثر مقدار خود می‌رسد. استراتوپوز در ۵۵ کیلومتری بالای سطح زمین قرار گرفته است.
مزوسفر از کلمه‌ی یونانی مزوز به معنای متوسط مشتق شده است.
ابرهای مزوسفریک قطبی
بالاتر از این لایه، ابرهای شب تاب بر فراز مناطق قطبی تشکیل می‌شوند. ابرهای شب تاب، ابرهای مرتفعی هستند که تا پاسی بعد از غروب، نور خورشید را باز تاب می‌کنند. آن‌ها هم چنین به عنوان ابرهای مزوسفریک قطبی شناخته می‌شوند. آن‌ها، در مقایسه با هر نوع ابر دیگری، در ارتفاعات بسیار بالا تشکیل می‌شوند. شکل آن‌ها طوری است که تصور میشود از کریستال‌های یخی ساخته شده‌اند. آن‌ها جلوی اشعه‌های فرا بنفش خورشید را می‌گیرند و همین عامل باعث میشود که به روشنی بدرخشند. در مزوسفر نیز رعد و برق‌های شدیدی اتفاق می‌افتد که در میان مردم با عنوان جن و پری‌ها شناخته شده است، این صاعقه‌ها خیلی بالاتر از ابرهای صاعقه دار تروپوسفر اتفاق می‌افتد.مزوسفر دارای یک لایهی سدیمی است که پنج کیلومتر عمق دارد و از اتم‌های سدیم یونیزه نشده تشکیل شده است. این لایه، نور ساطع می‌کند و به روشنایی شب کمک می‌کند. (درخشش هوای اتمسفر مربوط به آسمان شب است و نمی‌گذارد که هوا کاملاً تاریک به نظر برسد.)
در این لایه، دمای هوا با افزایش ارتفاع، کاهش مییابد. بالاترین نقطه‌ی مزوسفر که با عنوان مزوپاز شناخته میشود، سردترین نقطه‌ی اتمسفر زمین می‌باشد. دمای این لایه کم‌تر از ۹۰- درجه‌ی سانتی گراد است. کاهش حرارت خورشیدی و انتشار کربن دی اکسید منجر به این چنین نزول دمایی در این لایه شده است. این لایه هم چنین تلاطم‌های جزر و مدی گرانشی، امواج سیاره‌ای و نیز بادهای ناحیه‌ای را از خود بروز می‌دهد. امواج سیاره‌ای و امواج گرانشی تولید شده در لایه‌های پایین‌تر، به سمت مزوسفر انتشار می‌یابند و در آن از بین می‌روند.
هوای بسیار کمی در مزوسفر وجود دارد، چرا که اتم‌ها و مولکول‌های گازی در این لایه بر هم کنش خیلی کمی با هم دارند. هوا در این لایه به قدری کم است که نمی‌تواند پیش رانش مورد نیاز برای پرواز یک هوا پیما را تأمین کند، به همین سبب برای هوا پیماها جای مناسبی نیست. فضا از این لایهی نازک شروع میشود.
ارتفاع زیاد و نیز ترکیبات موجود در مزوسفر سبب شده تا جمع آوری اطلاعات در مورد این لایه، کار دشواری باشد. برای مطالعه روی این لایه از موشک‌های خاصی به نام Sounding rockets استفاده میشود. تا به امروز، دانشمندان به اطلاعات بسیار کمی در مورد این لایه دست یافته‌اند. مرز بین مزوسفر و ترموسفر، به عنوان مزوپاز نامیده میشود. آن را می‌توان به عنوان منطقه‌ای تعریف کرد، که ۸۰ کیلومتر بالاتر از سطح زمین قرار گرفته و بالاترین مرز مزوسفر و یا نقطه‌ای را در بالای مزوسفر تشکیل داده که پایین‌ترین دما را دارا می‌باشد.
ترموسفر از کلمه‌ی یونانی ترمو به معنای گرما مشتق شده است
شفق قطبی
هوا در این لایه بسیار نازک است، به همین سبب ذرات گازی به سختی با هم برخورد می‌کنند. اشعه‌های پر انرژی فرا بنفش و فوتون‌های مادون قرمز، مولکول‌های گازی را می‌شکنند. بنا بر این، هوا در ترموسفر بالایی شامل اکسیژن اتمی، نیتروژن اتمی و هلیوم می‌باشد. آن‌ها هم چنین قسمتی از الکترون‌های ذرات گازی را جدا کرده و تولید یون‌هایی با بارهای الکتریکی زیاد می‌کنند. این یون‌های بار دار و بر خوردشان با گازهای با بار الکتریکی خنثی، موجب ایجاد یک سری جریان‌های الکتریکی در برخی از قسمت‌های ترموسفر میشود.شفق قطبی یک پدیده‌ی جالب است که در ترموسفر اتفاق می‌افتد. در ارتفاعات بالاتر، ذرات بار دار با اتم‌ها و مولکول‌ها بر خورد می‌کنند، و آن‌ها را به حالات انرژی بالاتری می‌برند. اتم‌ها و مولکول‌های تحریک شده، این انرژی را به صورت نور ساطع می‌کنند، که به صورت شفق‌های رنگارنگ قابل رؤيت است. شفق قطبی به عنوان چراغ‌های شمالی و جنوبی نیز نامیده میشود.
در ارتفاع حدود ۱۶۰ کیلومتری سطح زمین، منطقه‌ای وجود دارد که در آن صدا منتقل نمی‌شود، و این به دلیل رقیق بودن شدید هوا است که امکان بر هم کنش مولکول‌ها را از آن‌ها گرفته و در نتیجه امکان انتقال صوت در این لایه وجود ندارد.
شاتل فضایی در لایهی ترموسفر قرار دارد. ایستگاه فضایی بین المللی که در فاصله‌ی ۳۲۰ تا ۳۸۰ کیلومتری زمین قرار دارد، در این لایه واقع شده است. با توجه به تغییرات چگالی هوا در این لایه، ماهواره‌ها نیروی کششی مخالف سختی را در آن تجربه می‌کنند. مرز بیرونی ترموسفر، با عنوان ترموپاز نامیده میشود. ترموپاز در ارتفاع ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتری و یا بیشتر واقع شده است.
یونوسفر
لایه‌های یونوسفر
بر این اساس که طول موج‌های نور خورشید مکرراً جذب می‌شوند، یونوسفر به سه لایهیD ،E وF تقسیم میشود. ناحیه‌ی D ، ارتفاعات زیر ۹۰ کیلومتر را شامل میشود و پرتوهای شدید ایکس را جذب می‌کند. منطقه‌یE تا ارتفاعات ۱۵۰ کیلومتری گسترده شده و اشعه‌های ضعیف ایکس را جذب می‌کند. منطقه‌ی F تا ارتفاعات ۶۰۰ کیلومتری گسترش یافته و اشعه‌های شدید فرا بنفش را جذب می‌کند. منطقه‌یF به دولایه‌یF1 وF2 تقسیم میشود. لایهیF1 از ارتفاع ۱۵۰ کیلومتری تا ۲۴۰ کیلومتری گسترش یافته، در حالی که لایهیF2 از ارتفاع ۲۴۰ کیلومتری تا ۴۰۰ کیلومتری ادامه دارد. تراکم الکترون درF2 نسبت بهF1 بیشتر است. لایه‌هایD وE در طول شب تضعیف می‌شوند و یا حتی از بین می‌روند. لایه‌هایD وE امواج رادیویی با طول موج بلندتر ( AM) را منعکس می‌کنند، در حالی که لایهیF منعکس کننده‌ی امواج رادیویی با طول موج کوتاه‌تر است. یا به عبارتی، لایه‌هایD وE منعکس کننده‌ی امواج رادیویی فرکانس پایین و لایهیF منعکس کننده‌ی امواج رادیویی فرکانس بالا می‌باشد.یونوسفر امکان انتشار سیگنال‌های رادیویی را به نقاط دور دست زمین فراهم می‌کند. این لایه امواج رادیویی را به سمت زمین منعکس می‌کند، در نتیجه ارتباطات رادیویی را تسهیل می‌بخشد. الکترون‌های آزاد در یونوسفر به پخش امواج الکترو مغناطیسی کمک می‌کند. تحقیقاتی نیز در زمینه‌ی استفاده از فناوری جدیدی با عنوان Electromagnetic tethers انجام گرفته که مربوط به سیم‌ها و کابل‌های هادی می‌باشد که با استفاده از یونوسفر انرژی را از میدان مغناطیسی زمین خارج می‌کند.
اگزوسفر از کلمه‌ی یونانی اگزو به معنای بیرونی یا خارجی به دست آمده است
Geocorona یا زمین تاج ( پوشش گازهای یونیزه شده به ویژه هیدروژن که فضای بیرونی کرهی زمین را فرا گرفته است)
پایین‌ترین مرز اگزوسفر به عنوان اگزوباس یا ترموپاز شناخته میشود، و در حدود ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتر امتداد دارد. ارتفاع اگزوباس با تغییر در شدت تابش اشعه‌های خورشید، تغییر می‌کند. در زیر ترموپاز، ذرات گازی برخوردهایی از نوع اتمی دارند. در بالای آن به صورت مکانیکی با هم برخورد می‌کنند.
مرز بالایی به قدری دور است که تأثیر فشار اشعه‌های خورشیدی بر هیدروژن اتمی بیشتر از نیروی جاذبه‌ی زمین است. به عبارت ساده‌تر نیرویی که اشعه‌های خورشیدی روی اتم‌های هیدروژن اعمال می‌کنند خیلی بیشتر از نیرویی است که توسط گرانش زمین به آن‌ها اعمال میشود. این مرز تقریباً در نصف فاصله‌ی بین زمین و ماه قرار گرفته است. ۱۰۰۰۰ کیلومتر فاصله‌ای است که معمولاً به عنوان مرز بین اتمسفر زمین و فضا در نظر گرفته میشود.
در ارتفاع ۱۰۰۰۰ کیلومتری اتم‌های هیدروژن تابش‌های فرا بنفش را پخش می‌کنند و نور ساطع می‌کنند. این پدیده با عنوان Geocorona شناخته شده است.
هر لایه از اتمسفر زمین به واسطه‌ی ترکیبات آن لایه، دارای یک سری اصول مشخص شده می‌باشد. تروپوسفر محل تمام تغییرات آب و هوایی است در حالی که پوشش محافظ ازن در استراتوسفر، به رونق حیات روی کرهی زمین کمک می‌کند. به کمک پدیده‌ی روشنایی شب مزوسفریک (mesospheric airglow) آسمان شب هیچ وقت کاملاً تاریک به نظر نمی‌رسد. تغییر رنگ آسمان بخشی از پدیده‌های نوری است. اپتیک‌های اتمسفری باعث افزایش آن میشود. هوا پیماها در استراتوسفر و شاتل‌های فضایی در ترموسفر تردد می‌کنند در حالی که یونوسفر ارتباطات رادیویی را ممکن می‌سازد. اتمسفر یک سپر محافظ است که سبب میشود، زمین جایی مناسب برای حیات باشد.
/ج
