تُعد طبقات الغلاف الجوي للأرض نتاجًا لتاريخ جيولوجي طويل ومعقد. وتوفر دراسة تاريخ تشكيل الأغلفة المختلفة أدلة قوية على العمليات التطورية التي مرت بها الأرض عبر العصور.
أنواع أغلفة كوكب الأرض
- يُقدّر عمر كوكب الأرض بحوالي 4.6 مليار سنة، وهي نفس الفترة الزمنية التي تشكلت فيها معظم مكونات النظام الشمسي.
- في المقابل، تُظهر أقدم الصخور المكتشفة عمرًا يبلغ حوالي 4.23 مليار سنة.
- هذا يشير إلى وجود فجوات في السجل الجيولوجي، مما دفع العلماء إلى دراسة عوامل متعددة لفهم خصائص هذه الفترة الزمنية الحاسمة.
- من بين هذه العوامل، هناك دراسة نظائر الرصاص التي وصلت إلى الأرض بواسطة النيازك على مدى ملايين السنين.
- في المراحل المبكرة من تشكل الأرض، خَلَت العناصر المعدنية الأكثر كثافة إلى مركز الكوكب، بينما تعلقت العناصر الأقل كثافة في الطبقات العلوية.
- بينما قد تكون الغازات الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم قد ساهمت في تكوين الغلاف الجوي الأولي.
- مع ارتفاع درجة الحرارة، انصهرت المواد في المركز، مما أدى لرفع السوائل المنصهرة الأقل كثافة إلى الأعلى وتبريدها.
بدأت القشرة الأرضية بالتشكل، حيث غرقت العناصر الثقيلة مثل الحديد والنيكل في العمق لتكون اللب، بينما صعدت العناصر المتطايرة والغازات إلى الأعلى.
لتكوين الغلاف الجوي الثانوي والمحيطات، أطلق العلماء على هذه العملية اسم “تمييز الأرض”، والتي تفسر المراحل التالية لتكون أغلفة الكرة الأرضية:
الغلاف الصخري
- يُعتبر المرحلة الأولى في تكوين الأغلفة، وشكله الخارجي يشمل القشرة والغطاء العلوي الذي يُكوّن الطبقة الصلبة للأرض.
الغلاف المائي
- هو الكتلة التي تضم جميع المياه الموجودة على سطح الأرض، سواء كانت سائلة، متجمدة، جوفية، أو موجودة في المحيطات والبحيرات والجداول، ويبلغ حجمها حوالي 1386 مليون كيلومتر مكعب، حيث تمثل المياه المالحة منها 97.5% بينما تمثل المياه العذبة فقط 2.5%.
الغلاف الجوي
- يتكون من عدة طبقات من الغازات المحيطة بكوكب الأرض، حيث يتكون بشكل أساسي من النيتروجين بنسبة حوالي 78% والأكسجين بنسبة 21%، مع نسب ضئيلة من الأرغون وثاني أكسيد الكربون وغازات أخرى. ويُعتبر الأكسجين ضروريًا لعمليات التنفس لدى الكائنات الحية.
- أما النيتروجين فيتم تحويله إلى النيوكليوتيدات والأحماض الأمينية عن طريق البرق وأنواع معينة من البكتيريا، بينما تستخدم النباتات والطحالب ثاني أكسيد الكربون في عملية التمثيل الضوئي.
- كما يُساهم الغلاف الجوي في حماية الأرض من الأشعة فوق البنفسجية، الرياح الشمسية، والأشعة الكونية، مما يجعل الكوكب صالحًا للحياة.
الغلاف الحيوي
- يمثل المرحلة النهائية من مراحل تكوين أغلفة الكرة الأرضية، ويتكون من جميع الكائنات الحية على سطح الأرض، بما في ذلك الحيوانات والنباتات والميكروبات.
- تتواجد أغلب أشكال الحياة الأرضية في منطقة تمتد من 3 أمتار تحت سطح الأرض إلى حوالي 30 مترًا فوقه، بينما تسكن الكائنات البحرية أكثر في المحيطات والمحيطات, حيث تعيش معظمها ضمن كمية تمتد من السطح إلى حوالي 200 متر أدناه.
- بينما تعيش بعض الكائنات في مناطق أعلى أو أقل من هذه الحدود، مثل بعض أنواع الطيور.
آخر طبقات الغلاف الجوي
- يُعرَّف الغلاف الجوي على أنه الحيز الذي يحيط بسطح الكرة الأرضية، بما في ذلك اليابسة والمحيطات والجبال الجليدية.
- يمتد الغلاف الجوي إلى الفضاء الخارجي ويحتوي على عدة طبقات تبدأ من سطح الأرض نحو الفضاء.
- تُعرف الطبقة العليا من الغلاف الجوي باسم “الإكسوسفير” والتي تشتق من الكلمة اليونانية “Exo” التي تعني “خارج”.
- تمتد طبقة الإكسوسفير فوق طبقة ثيرموسفير حتى نهاية الغلاف الجوي على ارتفاع يصل تقريبًا إلى 64400 كيلومتر.
- تصبح جزيئات الهواء نادرة في طبقة الإكسوسفير، إلى درجة أنه يمكن لذرة غازية أن تسير قرابة 10 كيلومترات قبل أن تصطدم بذرة أخرى.
- غالبًا ما يُعرّف العلماء المسافة التي تقطعها الذرات الغازية قبل الاصطدام باسم “الممر الحر”، حيث يكون احتمال الاصطدام قليل بسبب ضعف الكثافة.
- تتناسب كثافة الغلاف الجوي طرديًا مع قربه من سطح الأرض؛ فكلما اقتربنا إلى الأرض زادت الكثافة والعكس صحيح.
- هذا يمكن أن يؤدي إلى خروج جزيئات مثل الهيدروجين إلى الفضاء، خارج مجال جاذبية الأرض.
- وبذلك، تصبح جزيئات الهواء نادرة جدا في طبقة الإكسوسفير حتى يُعتبر وجودها غير فعّال.
نقاط مهمة حول الإكسوسفير
- تبدأ طبقة الإكسوسفير من منطقة تُعرف باسم ثيرموبوز، أو ما يُعرف أيضًا بـ(Exobase).
- ترتفع هذه المنطقة عن سطح الأرض بمسافة تتراوح بين 250 إلى 500 كيلومتر، ويختلف هذا الارتفاع بناءً على النشاط الشمسي الذي يؤثر على الغلاف الجوي، ويصعب تحديد الحد الفاصل بشكل دقيق.
- من الجانب النظري، يُقدَّر بارتفاع يصل إلى حوالي 193 ألف كيلومتر، وهو ما يعادل نصف المسافة من الأرض إلى القمر.
- عند هذه المسافات الشاسعة، يكون الضغط الإشعاعي للشمس على ذرات الهيدروجين أقوى من قوة الجاذبية الأرضية، مما ينتج عنه ظاهرة تُعرف باسم “الهالة الأرضية” أو (Geocorona) التي يمكن رصدها من الفضاء على ارتفاع يتراوح حوالي 96.560 كيلومتر.
- تمتد طبقة الإكسوسفير فوق طبقة ثيرموسفير حتى نهاية الغلاف الجوي وصولًا إلى الفضاء.
- تظل درجات الحرارة في هذا الغلاف الخارجي ثابتة مع الارتفاع، ومتوسطها حوالي 1500 كلفن.
- أينما يكون الغلاف الجوي يلتقي بالفضاء، حيث تدور الأقمار الصناعية حول الأرض.
درجات الحرارة في طبقة الإكسوسفير
- تتجاوز درجات الحرارة في طبقة الإكسوسفير 1000 درجة مئوية عند تعرضها لأشعة الشمس مباشرة، بينما تصل في الظل إلى مستوى الصفر المطلق (-273 درجة مئوية).
الغلاف الأيوني بين الطبقات
- يُعد الغلاف الأيوني هو الغلاف الذي يغطي الفضاء بين الطبقات المختلفة، حيث توجد حدود تفصل بين كل طبقة.
- تُساهم هذه الطبقات في تغير كل من الحرارة والكثافة، مما يؤدي إلى اختلاف كل طبقة عن غيرها.
- يتكون الغلاف الأيوني من جزيئات أيونية وإلكترونات ذات شحنات كهربائية مختلفة.
- من الجدير بالذكر أن ارتفاع الغلاف الأيوني يتغير مع المواسم وأوقات النهار، مما يعكس أهمية هذا الغلاف بالإضافة إلى الطبقات الأخرى من الغلاف الجوي.
الطبقات الأخرى من الغلاف الجوي
- طبقة التروبوسفير: تُعتبر الأقرب إلى سطح الأرض، حيث تمتد من 6 إلى 20 كيلومترًا، وتشمل 50% من جميع غازات الغلاف الجوي.
- تُعرف أيضًا بطبقة الطقس، حيث يتشكل فيها الطقس اليومي. وكما يرتفع الشخص في هذه الطبقة، تزداد البرودة.
- طبقة الستراتوسفير: تُعرف أيضًا بمخزن الأوزون، وتبدأ من 20 كيلومترًا فوق سطح الأرض إلى 50 كيلومترًا، وتعتبر وجهة للطائرات التجارية.
- نظرًا للاختلاف بين درجات الحرارة عند القاع والقمة، فعمليات الحمل الحراري شبه معدومة فيها.
- طبقة الميزوسفير: تمتد من 50 كيلومترًا فوق سطح الأرض إلى 85 كيلومترًا، وتُعتبر هذه الطبقة الأكثر برودة، حيث يمكن أن تنخفض درجات حرارتها إلى ما دون -143 درجة مئوية.
- طبقة الثيرموسفير: تبدأ هذه الطبقة من ارتفاع 85 كيلومترًا حتى 600 كيلومتر فوق مستوى سطح الأرض، حيث تصل درجات الحرارة فيها إلى 2000 درجة مئوية.
- لكن بسبب الهواء الرقيق ووجود عدد قليل من الجزيئات المسؤولة عن نقل الحرارة، فإن الانطباع بالبرودة يكون واضحًا.
- طبقة الإكزوسفير: حيث يلتقي الغلاف الجوي مع الفضاء الخارجي، وهي المنطقة التي تتواجد فيها الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض.