पर्यावरणीय भू-विज्ञान I: पृथ्वी की उत्पत्ति और उसका विभेदन, खनिज और चट्टानें, स्थलरूपों पर विवर्तनिक और जलवायवी नियंत्रण, स्थिर अवस्था और साम्य, पृथ्वी का ऊर्जा बजट और ऋतुएँ, पवन को चलाने वाले बल, मानसून, पश्चिमी विक्षोभ, सूखा और ENSO सहित भारत की जलवायु, निवास काल और भूभौतिकीय क्षेत्र

सौर मंडल लगभग 4.6 अरब वर्ष पूर्व गैस और धूल के एक घूर्णी बादल, सौर नीहारिका, से बना जो गुरुत्व से ढह गया: उसके अधिकांश द्रव्यमान से सूर्य बना, और शेष एक चक्रिका में चपटा हो गया जिसमें धूल के कण आपस में चिपककर ग्रहाणु बने, जो टकराकर और अभिवृद्धि करके ग्रह बने। पृथ्वी लगभग 4.54 अरब वर्ष पुरानी है, जिसका काल-निर्धारण उल्कापिंडों और सबसे पुराने चंद्र तथा पार्थिव खनिजों से हुआ है। सूर्य के निकट केवल चट्टान और धातु संघनित हो सकती थी, इसीलिए आंतरिक ग्रह चट्टानी हैं। माना जाता है कि मंगल के आकार के एक पिंड की युवा पृथ्वी से विशाल टक्कर ने चंद्रमा बनाया।

प्राथमिक विभेदन ने पृथ्वी को घनत्व के अनुसार परतों में अलग किया। अभिवृद्धि, टक्करों और रेडियोधर्मी समस्थानिकों के क्षय से ऊष्मा ने आरंभिक पृथ्वी के अधिकांश भाग को पिघला दिया, और सघन पिघला लोहा तथा निकल नीचे डूबकर क्रोड बना, जिस घटना को कभी-कभी लौह प्रलय कहा जाता है, और इससे और भी ऊष्मा मुक्त हुई। क्रोड का बाहरी भाग द्रव है, जिसका संवहन चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है, और भीतरी भाग ठोस। सिलिकेट शेष से प्रावार बना, मुख्यतः पेरिडोटाइट, और प्रावार के आंशिक गलन से हल्की भूपर्पटी बनी, महासागरों के नीचे बेसाल्टी और महाद्वीपों में ग्रेनाइटी। तत्व घनत्व के साथ-साथ अपनी रासायनिक बंधुता से भी छँटे: निकल, कोबाल्ट, सोना और प्लैटिनम जैसे लौह-प्रेमी (साइडरोफ़ाइल) तत्व अधिकतर क्रोड में गए, और सिलिकॉन, ऐलुमिनियम, पोटैशियम और यूरेनियम जैसे शैल-प्रेमी (लिथोफ़ाइल) तत्व सिलिकेट पृथ्वी में रहे। ज्वालामुखीय गैस-निर्गमन ने जलवाष्प, कार्बन डाइऑक्साइड, नाइट्रोजन और अन्य गैसें मुक्त करके द्वितीयक वायुमंडल बनाया; सतह ठंडी होने पर जल महासागरों में संघनित हुआ; और मुक्त ऑक्सीजन बाद में ही, प्रकाश-संश्लेषण से, प्रकट हुई।

खनिज एक प्राकृतिक रूप से उत्पन्न, अकार्बनिक, क्रिस्टलीय ठोस है जिसका निश्चित रासायनिक संघटन, या निश्चित सीमाओं के भीतर बदलने वाला संघटन, होता है। खनिजों की पहचान उनके क्रिस्टल रूप, रंग, धारी, द्युति, विदलन और कठोरता से होती है, अंतिम मोह्स पैमाने पर टाल्क (1) से हीरे (10) तक, क्वार्ट्ज़ 7 पर। SiO₄ चतुष्फलकों से बने सिलिकेट भूपर्पटी का अधिकांश भाग बनाते हैं, फ़ेल्सपार सबसे प्रचुर समूह और क्वार्ट्ज़ उसके बाद। चट्टान एक या अधिक खनिजों का समुच्चय है। तीन चट्टान परिवार शैल चक्र में जुड़े हैं: आग्नेय चट्टानें मैग्मा से क्रिस्टलीकृत होती हैं, अवसादी चट्टानें अन्य चट्टानों के अपक्षयित मलबे से बनती हैं, और कायांतरित चट्टानें तब बनती हैं जब कोई भी चट्टान बिना पिघले ऊष्मा, दाब और तरलों से रूपांतरित होती है।

बोवेन अभिक्रिया श्रेणी उस क्रम का वर्णन करती है जिसमें ठंडे होते मैग्मा से खनिज क्रिस्टलीकृत होते हैं: असतत शाखा पर ओलिवीन, पाइरॉक्सीन, ऐम्फ़िबोल और बायोटाइट और सतत शाखा पर कैल्शियम-समृद्ध से सोडियम-समृद्ध प्लेजियोक्लेज़, जिनके बाद पोटैशियम फ़ेल्सपार, मस्कोवाइट और अंततः क्वार्ट्ज़। उच्च ताप पर पहले क्रिस्टलीकृत होने वाले खनिज पृथ्वी की सतह पर सबसे कम स्थिर होते हैं और सबसे तेज़ी से अपक्षयित होते हैं, जो आग्नेय शैलविज्ञान को मृदा निर्माण से जोड़ता है। कायांतरण प्रादेशिक होता है जब वह बड़े क्षेत्रों में ऊष्मा और निर्देशित दाब दोनों के अधीन पर्वत निर्माण के साथ होता है और पत्रित चट्टानें बनाता है, और संपर्क जब किसी अंतर्वेधन की ऊष्मा आसपास की चट्टान को पकाती है और अपत्रित चट्टानें बनाती है। शेल बढ़ती कोटि के साथ स्लेट, फिर फ़िलाइट, शिस्ट और नाइस बनती है; चूना पत्थर संगमरमर बनता है; बलुआ पत्थर क्वार्टज़ाइट बनता है; और ग्रेनाइट नाइस बन सकता है।

स्थलरूप उन आंतरिक बलों, जो भूपर्पटी को ऊपर उठाते और विकृत करते हैं, और उन बाहरी बलों, जो उसे घिसते हैं, के बीच प्रतिस्पर्धा का परिणाम हैं। विवर्तनिक नियंत्रण प्लेट विवर्तनिकी है: स्थलमंडल प्लेटों में टूटा है जो दुर्बल दुर्बलतामंडल के ऊपर प्रति वर्ष कुछ सेंटीमीटर चलती हैं। अपसारी सीमाओं पर प्लेटें अलग होती हैं, मध्य-महासागरीय कटक और महाद्वीपीय भ्रंश-घाटियाँ बनाती हुई; अभिसारी सीमाओं पर एक प्लेट दूसरी के नीचे क्षेपित होती है, खाइयाँ, ज्वालामुखीय चाप और वलित पर्वत बनाती हुई, या दो महाद्वीप टकराते हैं, जैसे भारत और यूरेशिया लगभग 5 करोड़ वर्ष पूर्व से हिमालय और तिब्बती पठार उठाते हुए टकरा रहे हैं; रूपांतर सीमाओं पर प्लेटें एक-दूसरे के पास से सरकती हैं, जिससे भूकंप आते हैं। जलवायवी नियंत्रण तय करता है कि कौन-सा बाहरी प्रक्रम प्रधान होगा: आर्द्र उष्णकटिबंध में रासायनिक अपक्षय और गहरी मृदाएँ, ठंडे प्रदेशों में तुषार क्रिया और हिमनद, मरुस्थलों में पवन और आकस्मिक बाढ़ें, और लगभग सर्वत्र नदियाँ।

पृथ्वी तंत्र खुले तंत्र हैं, जो अपने परिवेश से ऊर्जा और द्रव्य का विनिमय करते हैं। कोई तंत्र स्थिर अवस्था में होता है जब उसके निवेश उसके निर्गम के बराबर हों, जिससे संचित मात्रा नहीं बदलती यद्यपि उससे होकर द्रव्य बहता है, जैसे कोई झील जिसका अंतर्प्रवाह बहिर्प्रवाह और वाष्पन के बराबर हो, स्थिर स्तर बनाए रखती है। कठोर अर्थ में साम्य का अर्थ है किसी भी दिशा में कोई निवल परिवर्तन नहीं; भू-आकृतिविज्ञानी उन भूदृश्यों हेतु गतिक साम्य का प्रयोग करते हैं जिनमें रूप बना रहता है जबकि द्रव्य उनसे गुज़रता है, जैसे जब उत्थान अपरदन से संतुलित हो। स्थिर अवस्था से विस्थापित तंत्र ऋणात्मक प्रतिपुष्टि से उसमें लौटने की प्रवृत्ति रखता है; धनात्मक प्रतिपुष्टि, जैसे हिम-ऐल्बिडो प्रतिपुष्टि, इसके बजाय परिवर्तन को प्रवर्धित करती है।

पृथ्वी सूर्य की ओर मुख किए सतह पर वायुमंडल के शीर्ष पर लगभग 1,361 W/m² सौर विकिरण प्राप्त करती है, जो सौर स्थिरांक है; पूरी गोलीय सतह पर औसत करने पर यह एक-चौथाई, लगभग 340 W/m², है। लगभग 30% परावर्तित होता है (ग्रहीय ऐल्बिडो लगभग 0.3 है), अतः लगभग 240 W/m² अवशोषित होता है और, संतुलन में, दीर्घ-तरंग विकिरण के रूप में पुनः उत्सर्जित होता है। जिस तापमान पर एक कृष्णिका इतना उत्सर्जित करेगी वह प्रभावी तापमान है, Te = [S(1 − α) ÷ 4σ]^¼ = [1361 × 0.7 ÷ (4 × 5.67 × 10⁻⁸)]^¼ ≈ 255 K, या लगभग −18 °C। वास्तविक माध्य सतह तापमान लगभग 288 K (15 °C) है; लगभग 33 K का अंतर प्राकृतिक हरितगृह प्रभाव है। उष्णकटिबंध में उत्सर्जन से अधिक ऊर्जा अवशोषित होती है और उच्च अक्षांशों पर कम, और वायुमंडल तथा महासागर अधिशेष को ध्रुवों की ओर ले जाते हैं। ऋतुएँ पृथ्वी के अक्ष के झुकाव से होती हैं, जो उसकी कक्षा के लंब से लगभग 23.4° है और वर्ष भर सूर्य का कोण तथा दिन की लंबाई बदलता है; वे सूर्य से बदलती दूरी से नहीं होतीं, जो वास्तव में जनवरी के आरंभ में, उत्तरी शीत ऋतु के दौरान, न्यूनतम होती है।

सीमा परत के ऊपर, जहाँ घर्षण नगण्य है और समदाब रेखाएँ सीधी हैं, दाब प्रवणता और कोरिऑलिस बल संतुलित होते हैं, और वायु भूविक्षेपी पवन के रूप में समदाब रेखाओं के समांतर बहती है, उत्तरी गोलार्ध में निम्न दाब बाईं ओर रखते हुए (बाइस बैलट नियम)। जहाँ समदाब रेखाएँ वक्र हैं, वहाँ एक तीसरा पद, वक्र का अनुसरण करने हेतु आवश्यक अभिकेंद्र त्वरण, संतुलन में आता है, जिससे प्रवणता पवन बनती है: निम्न दाब के चारों ओर (चक्रवाती प्रवाह) यह भूविक्षेपी मान से धीमी होती है, और उच्च दाब के चारों ओर (प्रतिचक्रवाती प्रवाह) तेज़। विषुवत रेखा के निकट कोरिऑलिस बल लुप्त हो जाता है, अतः भूविक्षेपी संतुलन विफल होता है और उष्णकटिबंधीय चक्रवात विषुवत रेखा के लगभग 5° के भीतर नहीं बन सकते।

भारत में उच्चावच से संशोधित उष्णकटिबंधीय मानसूनी जलवायु है: पश्चिमी तट और पूर्वोत्तर की आर्द्र उष्णकटिबंधीय जलवायु से, प्रायद्वीप और मैदानों की उष्णकटिबंधीय सवाना और अर्ध-शुष्क जलवायु होते हुए, थार के उष्ण मरुस्थल और लद्दाख की ठंडी, शुष्क, उच्च-ऊँचाई जलवायु तक। दक्षिण-पश्चिम मानसून, जून से सितंबर तक, देश की वार्षिक वर्षा का लगभग तीन-चौथाई लाता है। केरल पर इसका आगमन सामान्यतः लगभग 1 जून को होता है, और यह जुलाई के आरंभ तक पूरे देश को आच्छादित कर लेता है। यह तब दाब और पवनों के मौसमी उलटाव से चलता है जब भूमि समुद्र से कहीं अधिक गर्म होती है, अंतर-उष्णकटिबंधीय अभिसरण क्षेत्र के उत्तर की ओर गंगा मैदान पर मानसून द्रोणी में खिसकने से, तिब्बती पठार के तापन से, ऊपरी क्षोभमंडल में उष्णकटिबंधीय पूर्वी जेट से और सतह के निकट अंतर-विषुवतीय सोमाली जेट से। उत्तर-पूर्व मानसून, अक्टूबर से दिसंबर तक, तमिलनाडु और दक्षिण-तटीय आंध्र प्रदेश को उनकी मुख्य वर्षा देता है।

पश्चिमी विक्षोभ अतिरिक्त-उष्णकटिबंधीय निम्न-दाब तंत्र हैं जो भूमध्यसागरीय प्रदेश पर उत्पन्न होते हैं और उपोष्ण पछुआ जेट धारा के साथ पूर्व की ओर यात्रा करते हुए मुख्यतः दिसंबर और मार्च के बीच उत्तर-पश्चिमी भारत पहुँचते हैं। वे पंजाब, हरियाणा और पश्चिमी उत्तर प्रदेश के मैदानों में शीतकालीन वर्षा लाते हैं, जो रबी गेहूँ की फ़सल हेतु महत्त्वपूर्ण है, और पश्चिमी हिमालय में हिमपात, जो शुष्क ऋतु में नदियों को पोषित करता है; वे अपने पीछे शीत लहरें और कोहरा भी लाते हैं। सूखा चार प्रकार का होता है: मौसम-वैज्ञानिक (सामान्य से वर्षा की उल्लेखनीय कमी), जल-वैज्ञानिक (घटा हुआ सरित-प्रवाह, जलाशय और भूजल), कृषि (फ़सलों हेतु अपर्याप्त मृदा नमी) और सामाजिक-आर्थिक (जब जल की कमी आजीविका और अर्थव्यवस्था को प्रभावित करे)।

एल नीनो मध्य और पूर्वी विषुवतीय प्रशांत का आवधिक तापन है, हर दो से सात वर्ष में, जो दक्षिणी दोलन, ताहिती और डार्विन के बीच वायुदाब के झूले, से युग्मित है; दोनों मिलकर ENSO हैं। सामान्य वर्षों में व्यापारिक पवनें गर्म जल को पश्चिमी प्रशांत में एकत्र करती हैं और इंडोनेशिया पर उठती वायु के साथ वॉकर परिसंचरण चलाती हैं; एल नीनो में व्यापारिक पवनें दुर्बल होती हैं, गर्म जल पूर्व की ओर फैलता है, और ऊर्ध्वगामी शाखा मध्य प्रशांत की ओर खिसकती है, जिससे भारतीय क्षेत्र पर अवतलित वायु और दबी हुई वर्षा आती है। अतः एल नीनो वर्ष प्रायः, यद्यपि सदा नहीं, भारत में दुर्बल मानसून और सूखे के वर्ष होते हैं, जैसे 2009 और 2015 में। ला नीना, ठंडा चरण, मानसून को प्रबल करने की प्रवृत्ति रखता है। धनात्मक हिंद महासागर द्विध्रुव, जिसमें पूर्वी की तुलना में पश्चिमी हिंद महासागर में जल गर्म हो, एल नीनो को संतुलित कर सकता है, जैसे 1997 में, जब प्रबल एल नीनो के बावजूद लगभग सामान्य मानसून रहा।

स्थिर अवस्था में किसी भंडार में किसी पदार्थ का निवास काल भंडार में मात्रा भाग निवेश या निर्गम की दर है: τ = M ÷ F। वायुमंडल लगभग 13,000 किमी³ जल रखता है, और वर्षण प्रति वर्ष लगभग 5,00,000 किमी³ हटाता है, अतः एक जल अणु वायु में लगभग 13,000 ÷ 5,00,000 = 0.026 वर्ष, मोटे तौर पर 9 दिन, रहता है, इसीलिए मौसम इतनी तेज़ी से बदलता है और विलेय प्रदूषक दिनों में वर्षा से धुल जाते हैं। यही अंकगणित महासागर हेतु हज़ारों वर्ष और उसमें घुले सोडियम हेतु करोड़ों वर्ष देता है। निवास काल तय करता है कि कोई भंडार निवेश में परिवर्तन के प्रति कितनी तेज़ी से अनुक्रिया करता है और कोई प्रदूषक कितनी दूर जा सकता है: अल्पजीवी सल्फ़र डाइऑक्साइड प्रदेशों को अम्लीय करती है, जबकि दीर्घजीवी कार्बन डाइऑक्साइड और CFC पूरे विश्व में मिल जाते हैं।