जलवायु विज्ञान I: वायुमंडल, सूर्यातप और ऊष्मा बजट, दाब और पवनें, तथा वायुमंडलीय परिसंचरण
1. वायुमंडल का संघटन और संरचना
शुष्क वायु में लगभग 78.08 प्रतिशत नाइट्रोजन, 20.95 प्रतिशत ऑक्सीजन और 0.93 प्रतिशत आर्गन है; कार्बन डाइऑक्साइड अब 0.04 प्रतिशत से कुछ अधिक (420 भाग प्रति दस लाख से ऊपर) है, साथ में नियॉन, हीलियम, मीथेन, क्रिप्टॉन और ओज़ोन के अंश। दो परिवर्ती घटक अपने अंश से कहीं अधिक महत्त्व रखते हैं: जलवाष्प (आयतन से 0 से लगभग 4 प्रतिशत, निचली परतों में केंद्रित) और एरोसॉल (धूल, लवण, धुआँ), जो संघनन-केंद्रक का कार्य करते हैं। कार्बन डाइऑक्साइड और जलवाष्प आने वाले लघु-तरंग विकिरण के लिए पारदर्शी हैं पर जाने वाले दीर्घ-तरंग विकिरण को अवशोषित करते हैं, जो हरितगृह प्रभाव है। लगभग 80–100 किमी तक गैसें भली-भाँति मिश्रित रहती हैं (समांगमंडल); उसके ऊपर वे आणविक भार के अनुसार परतों में बैठ जाती हैं (विषमांगमंडल)।
| परत | ऊँचाई (लगभग) | तापमान-प्रवृत्ति और विशेषताएँ |
|---|---|---|
| क्षोभमंडल | ध्रुवों पर लगभग 8 किमी और विषुवत पर 18 किमी तक | लगभग 6.5 °C प्रति किमी गिरता है (सामान्य ह्रास-दर); लगभग सारा मौसम, बादल और जलवाष्प |
| समतापमंडल | क्षोभसीमा से लगभग 50 किमी | ऊँचाई के साथ बढ़ता है क्योंकि ओज़ोन (लगभग 15–35 किमी पर सघनतम) पराबैंगनी विकिरण अवशोषित करती है; शांत, जेट विमानों द्वारा प्रयुक्त |
| मध्यमंडल | लगभग 50 से 80–85 किमी | वायुमंडल के सबसे ठंडे मानों, लगभग −90 °C, तक गिरता है; उल्काएँ यहीं जलती हैं |
| तापमंडल (आयनमंडल सहित) | लगभग 85 से 500+ किमी | तेज़ी से बढ़ता है; आयनित परतें रेडियो तरंगें परावर्तित करती हैं; ध्रुवीय ज्योति |
| बहिर्मंडल | लगभग 500 किमी से परे | अत्यंत विरल; गैस अणु अंतरिक्ष में पलायन करते हैं |
2. सूर्यातप, ऊष्मा बजट और तापमान
सूर्यातप आने वाला सौर विकिरण है, अधिकांशतः लघु-तरंग। वायुमंडल के शीर्ष पर सूर्य के लंबवत् सतह पर इसका औसत लगभग 1,361 वाट/मी² है (सौर स्थिरांक)। किसी स्थान तक क्या पहुँचता है यह आपतन कोण, दिन की लंबाई, वायुमंडल की पारदर्शिता और, थोड़ा-सा, पृथ्वी–सूर्य दूरी पर निर्भर करता है — पृथ्वी लगभग 3 जनवरी को सूर्य के सबसे निकट (उपसौर, लगभग 14.7 करोड़ किमी) और लगभग 4 जुलाई को सबसे दूर (अपसौर, लगभग 15.2 करोड़ किमी) होती है, जो दर्शाता है कि दूरी ऋतुओं का कारण नहीं है। चूँकि पृथ्वी का औसत तापमान स्थिर रहता है, उसे ठीक उतनी ऊर्जा खोनी चाहिए जितनी वह पाती है: यही ऊष्मा बजट है।
| 100 इकाई सूर्यातप में से (NCERT योजना) | इकाइयाँ | विवरण |
|---|---|---|
| अंतरिक्ष में परावर्तित (एल्बिडो) | 35 | 27 बादलों से, 6 वायु द्वारा प्रकीर्णित, 2 हिम और बर्फ़ से |
| वायुमंडल द्वारा सीधे अवशोषित | 14 | जलवाष्प, धूल और ओज़ोन द्वारा |
| सतह द्वारा अवशोषित | 51 | बाद में दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण के रूप में लौटाया जाता है |
| सतह 51 खोती है | 17 + 34 | 17 सीधे अंतरिक्ष में विकिरित; 34 वायु को — 6 विकिरण से, 9 संवहन और विक्षोभ से, 19 संघनन की गुप्त ऊष्मा के रूप में |
| वायुमंडल अंतरिक्ष को विकिरित करता है | 48 | 14 + 34; सतह के 17 के साथ, 65 इकाइयाँ दीर्घ-तरंग विकिरण के रूप में जाती हैं |
उपग्रह मापन ग्रहीय एल्बिडो को 30 प्रतिशत के निकट रखते हैं, पर भारतीय प्रश्नपत्र NCERT के आँकड़े ही पूछते हैं। बजट पूरे भूमंडल के लिए संतुलित होता है, हर अक्षांश के लिए नहीं: लगभग 40°उ और 40°द के बीच विकिरण का अधिशेष और उसके ध्रुव की ओर घाटा है, और असंतुलन पवनों (गुप्त ऊष्मा सहित) और महासागरीय धाराओं द्वारा ध्रुव की ओर ऊष्मा-स्थानांतरण से दूर होता है। किसी स्थान का तापमान आगे अक्षांश, ऊँचाई, समुद्र से दूरी, महासागरीय धाराओं, प्रचलित पवनों और उच्चावच पर निर्भर करता है। उत्तरी गोलार्ध की सर्दी में समताप रेखाएँ महाद्वीपों पर विषुवत की ओर और महासागरों पर ध्रुव की ओर मुड़ती हैं, और गर्मी में उलटा; तापीय विषुवत भौगोलिक विषुवत के उत्तर में है क्योंकि उत्तरी गोलार्ध में अधिक स्थल है। तापमान व्युत्क्रमण — ठंडी वायु के ऊपर गर्म वायु — लंबी, साफ़, शांत शीत रातों में बनता है जब भूमि ऊष्मा विकिरित करती है (सतही व्युत्क्रमण), और घाटियों में उतरती ठंडी वायु पाला-गर्त बनाती है।
3. दाब-पेटियाँ, पवनों पर बल और सामान्य परिसंचरण
पवन दाब-प्रवणता बल से गतिमान होती है और दो अन्य बलों से आकार पाती है। कोरिऑलिस बल, पृथ्वी के घूर्णन का प्रभाव, चलती वायु को उत्तरी गोलार्ध में दाईं ओर और दक्षिणी में बाईं ओर मोड़ता है; इसका परिमाण 2Ωv sin φ है, अतः यह विषुवत पर शून्य, ध्रुवों पर अधिकतम और पवन-वेग के समानुपाती है। घर्षण सतह के निकट पवन को धीमा करता है। घर्षण-परत (लगभग 1 किमी) के ऊपर दाब-प्रवणता और कोरिऑलिस बल संतुलित होते हैं और भूविक्षेपी पवन समदाब रेखाओं के समांतर चलती है। सतह के निकट घर्षण पवन को समदाब रेखाओं के आर-पार निम्न दाब की ओर मोड़ता है, अतः उत्तरी गोलार्ध में वायु निम्न दाब में वामावर्त और उच्च दाब से दक्षिणावर्त कुंडलित होती है। बाइस बैलट का नियम इसी से निकलता है: उत्तरी गोलार्ध में पवन की ओर पीठ करके खड़े हों तो निम्न दाब आपकी बाईं ओर होगा।
| पेटी | अक्षांश | उत्पत्ति और पवनें |
|---|---|---|
| विषुवतीय निम्न (डोलड्रम) | लगभग 0°–5°, सूर्य के साथ खिसकती | तापीय; व्यापारिक पवनें यहाँ ITCZ में अभिसरित होती हैं |
| उपोष्ण उच्च (अश्व अक्षांश) | लगभग 30° | गतिक — हेडली कोशिका की अवतलित वायु; व्यापारिक और पछुआ पवनों का स्रोत |
| उपध्रुवीय निम्न | लगभग 60° | गतिक — ध्रुवीय वाताग्र पर पछुआ और ध्रुवीय पुरवा पवनें मिलती हैं |
| ध्रुवीय उच्च | ध्रुव | तापीय — ठंडी, सघन वायु; ध्रुवीय पुरवा पवनों का स्रोत |
इन पेटियों को त्रि-कोशिका प्रतिरूप जोड़ता है। हेडली कोशिका तापीय रूप से प्रत्यक्ष है: वायु विषुवत पर उठती है, ऊपर ध्रुव की ओर बहती है, लगभग 30° पर उतरती है और व्यापारिक पवनों के रूप में लौटती है। ध्रुवीय कोशिका भी प्रत्यक्ष है। उनके बीच फ़ेरल कोशिका तापीय रूप से अप्रत्यक्ष है — वायु 30° पर उतरती और 60° पर उठती है, तापन से नहीं बल्कि अपने पास की दो कोशिकाओं द्वारा चालित — और इसकी सतही भुजा पछुआ पवनें हैं। स्थानीय और सामयिक पवनें इसी प्रतिरूप पर चलती हैं: स्थल और समुद्री समीर, अनाबेटिक (घाटी, ढाल पर ऊपर, दिन में) और केटाबेटिक (पर्वतीय, ढाल पर नीचे, रात में) पवनें, आल्प्स की फ़ॉन और रॉकीज़ की चिनूक जैसी गर्म शुष्क उतरती पवनें, रोन घाटी की मिस्ट्रल और एड्रियाटिक की बोरा जैसी ठंडी पवनें, और उत्तर भारतीय मैदानों की लू तथा सहारा से आने वाली सिरोको जैसी गर्म पवनें।
4. वायुराशियाँ, वाताग्र, ऊपरी वायु परिसंचरण, चक्रवात और प्रतिचक्रवात
वायुराशि वायु का एक विशाल पिंड है जिसके हर स्तर पर तापमान और आर्द्रता काफ़ी एकसमान होते हैं, जो उसने किसी स्रोत-प्रदेश — स्थिर वायु के नीचे एक विशाल, एकरूप सतह, जैसे गर्म महासागर या हिमाच्छादित महाद्वीप — पर अर्जित किए हों। बर्जरॉन का वर्गीकरण वायुराशियों को सतह की प्रकृति (c महाद्वीपीय, शुष्क; m सामुद्रिक, नम) और अक्षांश (E विषुवतीय, T उष्णकटिबंधीय, P ध्रुवीय, A आर्कटिक या अंटार्कटिक) से चिह्नित करता है: इस प्रकार cT गर्म और शुष्क (सहारा), mT गर्म और नम (मेक्सिको की खाड़ी), cP ठंडी और शुष्क (शीतकाल में साइबेरिया, उत्तरी कनाडा) और mP शीतल और नम (उत्तरी अटलांटिक और उत्तरी प्रशांत) है। वाताग्र दो वायुराशियों के बीच की सीमा है। शीत वाताग्र पर ठंडी वायु खड़ी सतह के साथ गर्म वायु के नीचे घुसती है, जिससे ऊँचे कपासी-वर्षी मेघ, छोटी भारी बौछारें और तापमान में तीव्र गिरावट आती है। उष्ण वाताग्र पर गर्म वायु लगभग 1:100 से 1:200 के ढाल पर ठंडी वायु के ऊपर धीरे-धीरे उठती है, जिससे पक्षाभ और पक्षाभ-स्तरी से मध्य-स्तरी होते हुए वर्षा-स्तरी मेघों और लगातार वर्षा का लंबा क्रम बनता है। जब तेज़ शीत वाताग्र उष्ण वाताग्र को पकड़ लेता है, तो गर्म वायु भूमि से ऊपर उठा दी जाती है — यह अधिविष्टन है; जो वाताग्र नहीं खिसकता वह स्थिर है।
ऊपर, पछुआ पवनें विशाल विसर्पों, रॉस्बी तरंगों (प्रायः गोलार्ध के चारों ओर तीन से छह), में बहती हैं और जेट धाराओं — क्षोभसीमा के निकट सँकरी, तीव्र पट्टियों — में केंद्रित होती हैं। ध्रुवीय वाताग्र जेट लगभग 40° और 60° के बीच ध्रुवीय वाताग्र का अनुसरण करता है; उपोष्ण पश्चिमी जेट लगभग 12 किमी पर 25°–35° के निकट रहता है, और भारत के ऊपर शीतकाल में हिमालय के दक्षिण में स्थित होता है; उष्णकटिबंधीय पूर्वी जेट गर्मियों में प्रायद्वीपीय भारत के ऊपर 15°उ के निकट प्रकट होता है। जेट धाराएँ सतही अवदाबों को दिशा देती हैं और उनके विसर्प कटक और द्रोणियाँ बनाते हैं जो तय करते हैं कि चक्रवात कहाँ गहरे होंगे। शीतोष्ण (बहिरुष्ण) चक्रवात वाताग्री होते हैं: बर्कनीज़ स्कूल का नॉर्वेजियन ध्रुवीय-वाताग्र प्रतिरूप एक स्थिर वाताग्र पर उस तरंग का अनुसरण करता है जो उष्ण और शीत वाताग्रों के बीच उष्ण खंड वाली खुली तरंग में बढ़ती है, अधिविष्ट होती है और समाप्त हो जाती है। उष्णकटिबंधीय चक्रवात अवाताग्री ऊष्मा-इंजन हैं जो गर्म समुद्रों की गुप्त ऊष्मा से ईंधन पाते हैं। प्रतिचक्रवात अवतलित वायु के उच्च दाब हैं, उत्तरी गोलार्ध में दक्षिणावर्त बहिर्प्रवाह और साफ़, स्थिर मौसम के साथ; एक स्थायी अवरोधी उच्च दाब किसी लू या सूखे को हफ़्तों तक बनाए रख सकता है।
| विशेषता | उष्णकटिबंधीय चक्रवात | शीतोष्ण चक्रवात |
|---|---|---|
| उत्पत्ति | गर्म समुद्रों पर (सतह लगभग 26.5–27 °C से ऊपर), लगभग 5°–30° अक्षांश; विषुवत पर कभी नहीं | ध्रुवीय वाताग्र के साथ, लगभग 35°–65°, स्थल और समुद्र दोनों पर |
| वाताग्र | कोई नहीं | उष्ण खंड सहित उष्ण और शीत वाताग्र |
| आकार और पवनें | छोटे (कुछ सौ किमी), अति तीव्र प्रवणता, प्रचंड पवनें, शांत नेत्र | बड़े (प्रायः 1,000 किमी से अधिक), मंद प्रवणता, कोई नेत्र नहीं |
| गति और क्षय | व्यापारिक पवनों के साथ पश्चिम की ओर, फिर ध्रुव की ओर मुड़ते हैं; स्थल पर तेज़ी से क्षीण | पछुआ पवनों के साथ पूर्व की ओर; स्थल पर बने रहते हैं |
| नाम | हरिकेन (अटलांटिक), टाइफ़ून (पश्चिमी प्रशांत), चक्रवात (हिंद महासागर) | अवदाब, निम्न, बहिरुष्ण तूफ़ान |
मुख्य बिंदु
- शुष्क वायु में 78% नाइट्रोजन, 21% ऑक्सीजन, 0.93% आर्गन और 0.04% से कुछ अधिक CO2 है; तापमान क्षोभमंडल में गिरता है, ओज़ोन-समृद्ध समतापमंडल में बढ़ता है, मध्यमंडल में लगभग −90 °C तक गिरता है और तापमंडल में बढ़ता है।
- NCERT ऊष्मा बजट में 35 इकाइयाँ परावर्तित, 14 वायु द्वारा और 51 सतह द्वारा अवशोषित होती हैं; सतह 17 अंतरिक्ष को और 34 वायु को लौटाती है, और वायु 48 विकिरित करती है। निम्न अक्षांशों में अधिशेष, उच्च में घाटा है।
- कोरिऑलिस बल = 2Ωv sin φ: विषुवत पर शून्य, उत्तर में दाईं ओर मोड़ता है; हेडली और ध्रुवीय कोशिकाएँ तापीय रूप से प्रत्यक्ष और फ़ेरल कोशिका अप्रत्यक्ष है।
- बर्जरॉन: महाद्वीपीय या सामुद्रिक हेतु c/m, अक्षांश हेतु T/P/A/E; शीत वाताग्र खड़े और कपासी-वर्षी मेघ वाले, उष्ण वाताग्र मंद और पक्षाभ से वर्षा-स्तरी क्रम वाले; अधिविष्टन वाताग्री चक्रवात को समाप्त करता है।
- उष्णकटिबंधीय चक्रवात लगभग 26.5 °C से ऊपर के समुद्रों पर, विषुवत से दूर बनते हैं, उनमें नेत्र होता है और वाताग्र नहीं, और स्थल पर समाप्त हो जाते हैं; शीतोष्ण चक्रवात वाताग्री, बड़े और पछुआ के साथ पूर्व की ओर चलते हैं।
अभ्यास प्रश्न (10)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
समतापमंडल में ऊँचाई के साथ तापमान मुख्यतः क्यों बढ़ता है?
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उत्तर: A — वहाँ ओज़ोन पराबैंगनी विकिरण अवशोषित करती है
ओज़ोन परत, लगभग 15–35 किमी ऊपर सघनतम, सौर पराबैंगनी विकिरण अवशोषित करके समतापमंडल को भीतर से गर्म करती है। बादल और गुप्त ऊष्मा क्षोभमंडल के हैं, और कुछ दसियों किलोमीटर सूर्य से दूरी में कोई अंतर नहीं लाते।NCERT ऊष्मा-बजट योजना में 100 इकाई सूर्यातप में से 35 अंतरिक्ष में परावर्तित होती हैं और 14 वायुमंडल द्वारा अवशोषित। पृथ्वी की सतह कितनी इकाइयाँ अवशोषित करती है? एक संख्या लिखिए।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 51
100 − 35 − 14 = 51 इकाइयाँ सतह तक पहुँचकर अवशोषित होती हैं। सतह फिर ये 51 इकाइयाँ खोती है: 17 सीधे अंतरिक्ष को विकिरित और 34 वायुमंडल को स्थानांतरित।चलती वायु पर कार्यरत कोरिऑलिस बल:
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उत्तर: B — विषुवत पर शून्य और ध्रुवों पर अधिकतम है
इसका परिमाण 2Ωv sin φ है: sin φ विषुवत पर शून्य और ध्रुवों पर एक है, और बल पवन-वेग v के साथ बढ़ता है। इसीलिए उष्णकटिबंधीय चक्रवात विषुवत पर नहीं बन सकते।बाइस बैलट के नियम के अनुसार, उत्तरी गोलार्ध में पवन की ओर पीठ करके खड़े प्रेक्षक के लिए निम्न दाब होगा:
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उत्तर: A — बाईं ओर
चूँकि उत्तरी गोलार्ध में वायु निम्न दाब के चारों ओर वामावर्त घूमती है, पवन की ओर पीठ करने पर निम्न दाब आपकी बाईं ओर (और कुछ आगे) होता है। दक्षिणी गोलार्ध में यह दाईं ओर होता है।निम्न में से कौन-से कथन उष्णकटिबंधीय चक्रवातों के विषय में सत्य हैं? सभी सही विकल्प चुनिए।
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उत्तर: A — स्थल पर पहुँचने के बाद वे तेज़ी से क्षीण होते हैं; B — उन्हें लगभग 26.5 °C या अधिक का समुद्र-सतह तापमान चाहिए; C — उनमें एक शांत केंद्रीय नेत्र होता है
उष्णकटिबंधीय चक्रवात अवाताग्री हैं: वे गर्म समुद्रों की गुप्त ऊष्मा से ऊर्जा लेते हैं, शांत नेत्र विकसित करते हैं, और स्थल पर उस नमी-आपूर्ति के कटते ही क्षीण होते हैं। वाताग्रों के साथ उत्पत्ति शीतोष्ण चक्रवातों का वर्णन है।सामान्य परिसंचरण के त्रि-कोशिका प्रतिरूप में फ़ेरल कोशिका:
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उत्तर: C — तापीय रूप से अप्रत्यक्ष है, जिसमें वायु 30° के निकट उतरती और 60° के निकट उठती है
फ़ेरल कोशिका दोनों ओर की हेडली और ध्रुवीय कोशिकाओं द्वारा यांत्रिक रूप से चालित है, तापन द्वारा नहीं, अतः यह तापीय रूप से अप्रत्यक्ष है; इसकी सतही भुजा पछुआ पवनें हैं। व्यापारिक पवनें हेडली कोशिका की सतही भुजा हैं।बर्जरॉन के वर्गीकरण में mT चिह्नित वायुराशि है:
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उत्तर: D — गर्म और नम, उष्णकटिबंधीय महासागरों पर बनी
m (सामुद्रिक) का अर्थ नम और T (उष्णकटिबंधीय) का अर्थ गर्म, अतः mT वायु मेक्सिको की खाड़ी जैसे गर्म महासागरों से आती है। गर्म और शुष्क cT है, शीतल और नम mP, और ठंडी और शुष्क cP।अभिकथन (A): उष्णकटिबंधीय चक्रवात विषुवत के लगभग 5° के भीतर नहीं बनते। कारण (R): विषुवत के निकट कोरिऑलिस बल किसी भँवर के घूर्णन को स्थापित करने हेतु अत्यंत दुर्बल है। सही विकल्प चुनिए।
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उत्तर: A — A और R दोनों सत्य हैं, और R, A की सही व्याख्या है
दोनों सत्य हैं और R, A की व्याख्या करता है। विषुवत पर गर्म जल प्रचुर है, अतः ऊष्मा अनुपस्थित घटक नहीं; अनुपस्थित है वह विक्षेपक बल जो अभिसरित वायु को घूमते तंत्र में बदलता है।उष्ण वाताग्र के निकट आने पर सबसे पहले प्रायः कौन-से मेघ दिखाई देते हैं?
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उत्तर: B — पक्षाभ
गर्म वायु एक लंबी, उथली वाताग्र-सतह पर धीरे-धीरे उठती है, अतः अग्र किनारा सैकड़ों किलोमीटर आगे ऊँचे, पतले पक्षाभ मेघ होते हैं, जो पक्षाभ-स्तरी और मध्य-स्तरी होते हुए सतही वाताग्र के निकट वर्षा-स्तरी तक मोटे होते जाते हैं। कपासी-वर्षी शीत वाताग्रों का चिह्न है।रॉकी पर्वत के पूर्वी (पवनविमुख) ढालों पर उतरने वाली और हिम को तेज़ी से पिघला सकने वाली गर्म, शुष्क पवन है:
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उत्तर: D — चिनूक
चिनूक, आल्प्स की फ़ॉन की तरह, वह वायु है जिसने पवनमुखी ओर अपनी नमी खो दी है और उतरते समय शुष्क दर पर रुद्धोष्म रूप से गर्म होती है। मिस्ट्रल और बोरा ठंडी पवनें हैं; सिरोको सहारा से आने वाली गर्म पवन है।