उच्चतर वातावरणविज्ञान - एरोनॉमी

(एरोनॉमी). हे विज्ञान १९५४ सालानंतर वातावरणविज्ञानापासून स्वतंत्र समजण्याची प्रथा सुरू झाली. या विज्ञानात भौतिकी, रसायनशास्त्र, खगोलीय भौतिकी, रेडिओ प्रेषण, अग्‍निबाण, क्षेपणास्त्र तंत्र इ. विषयांचा संबंध येत असल्यामुळे, नेहमीच्या वातावरणविज्ञानापासून हे विज्ञान भिन्न मानणे जरूर पडले.

स्तरावरणाच्या अगदी वरच्या भागापासून व आयनांबराच्या प्रारंभीच्या भागापासून म्हणजे पृथ्वीच्या पृष्ठभागापासून सु. ५० किमी. पासून २,००० किमी. पर्यंतच्या विस्तृत पट्ट्यास उच्चतर वातावरण म्हणतात [ वातावरण; आयनांबर].

वातावरणाच्या ३० किमी. ते ४०० किमी. या भागात विरल अवस्थेत अनेक द्रव्ये असतात. सूर्यापासून निघालेल्या निरनिराळ्या तरंगलांबींच्या विद्युत् चुंबकीय स्रोतामुळे (झोतामुळे) व कणप्रारणामुळे (कण उत्सर्जनामुळे) या द्रव्यांचे विदलन (घटकभाग मोकळे होणे), आयनीकरण (विद्युत् भारित अणू किंवा रेणू तयार होण्याची क्रिया), पुनःसंयोग, त्यांची गतिशीलता, विसरण (एकमेकांत आपोआप मिसळणे जाणे), औष्मिक विसरण इ. आविष्कार होत असतात. कणप्रारण म्हणजे (१) सूर्यापासून निघालेले अतिशय गतिमान इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन व आयन, (२) विश्वकिरण (बाह्य अवकाशातून येणारे उच्च ऊर्जेचे अतिशय भेदक किरण) व (३) व्हॅन अ‍ॅलन कण (व्हॅन अ‍ॅलन यांनी शोधून काढलेल्या पृथ्वीभोवतील प्रारण पट्ट्यातील उच्च ऊर्जायुक्त कण) हे होत. ध्रुवीय प्रकाश (ध्रुवीय प्रदेशात आढळणारा विविधरंगी प्रकाशीय आविष्कार) व वातप्रकाश (मध्यम व नीच अक्षांशांच्या प्रदेशावरील उच्चतर वातावरणात रात्री आढळणारा प्रकाश) यांच्याशी संबंधित असलेले विद्युत् चुंबकीय परिणाम वगैरे घडामोडी वातावरणाच्या याच भागात होत असतात.

लघुतरंगांच्या प्रारणाने विविध प्रकाशरासायनिक विक्रिया (प्रकाश किंवा तत्सम प्रारणऊर्जेमुळे घडून येणारे रासायनिक बदल) घडतात. त्यांतील प्रमुख विक्रिया म्हणजे ओझोन थराची निर्मिती होय. या थरामुळे सूर्यातील बहुतेक जंबुपार प्रारण (वर्णपटातील जांभळ्या पट्ट्याच्या पलीकडचा, डोळ्यांना न दिसणाऱ्या प्रारणाचा भाग) शोषले जाते व त्यामुळे सु. ३० किमी. उंचीनंतर सामान्यतः २० किमी. जाडीचा एक साधारण उष्ण असा पट्टा निर्माण होतो.

खालील आकृतीत पृथ्वीच्या पृष्ठभागापासून ४०० किमी. पर्यंतच्या वातावरणातील निरनिराळे भाग, त्यांत असलेले तापमान, वातावरणीय दाब

व आयनांबराचे निरनिराळे विभाग दाखविले आहेत. पृथ्वीच्या ध्रुवाजवळील भागापासून ९-१० किमी. उंचीपर्यंत व विषुववृत्तापासून १६ किमी. उंचीपर्यंतच्या वातावरणाच्या भागास क्षोभावरण म्हणतात. क्षोभावरणाच्या अगदी वरील भागात तापमान सु. २२०० के. (केल्व्हिन तापक्रमाचा एकक) असते. यानंतर स्तरावरण सुरू होते; यात २५ किमी. पर्यंत तापमान जवळजवळ २२०० के. पर्यंत स्थिर असते व २५ किमी. नंतर ५० किमी. उंचीपर्यंत तापमान वाढून ते २७०० के. पेक्षाही अधिक होते. ह्या भागात वातावरणीय दाब उच्चतर वातावरणातील घटना दर्शविणारा आलेख. वरच्या उजव्या कोपऱ्यात आयनांवराच्या विविध थरांतील इलेक्टॉन घनता दाखविली आहे. अत्यंत कमी असतो. स्तरावरणाच्या नंतर ८० किमी. उंचीपर्यंतच्या भागास मध्यावरण म्हणतात. ह्या थरात वाढत्या उंचीबरोबर तापमान कमी होत जाते. मध्यावरणसीमेवर म्हणजे ८५ किमी. उंचीवर तापमान उन्हाळ्यात सु. १५०० के. व हिवाळ्यात २२०० के. असते. वातावरणातील न्यूनतम तापमान ह्या उंचावरच आढळते.

मध्यावरणानंतर आयनांबर सुरू होते. या थरात जसजशी उंची वाढत जाते तसतसे तापमान वाढत जाते. सु. १५० किमी. उंचीवर तापमान जवळजवळ ३७३० के. असते. वातावरणीय दाब जवळजवळ नसतो. ५०० किमी. उंचीवर तापमान १५००० के. असते. त्यानंतर उंची वाढली तरी तापमान जवळजवळ स्थिर राहते [ वातावरण].

आयनांबर : आयनांबराचे स्थूलमानाने तीन भाग समजले जातात. सगळ्यांत खालचा D भाग, मध्यवर्ती E, नंतर F असे क्रमानुसार आहेत. यांतील F या थराचे F1 व F2 असे दोन उपथर आहेत.

या निरनिराळ्या भागांतील इलेक्ट्रॉन घनता स्थूलमानाने दिवसा व रात्री कशा असतात हे आकृतीत दाखविले आहे.

D भागाची उंची सु. ५० किमी. ते ९० किमी. असते; त्यातील इलेक्ट्रॉन घनता १०२ इलेक्ट्रॉन/सेंमी३. ते १०४ इलेक्ट्रॉन/सेंमी३. असते. रात्री ही घनता फारच कमी होत. E भागाची उंची सु. ९० किमी. ते १३० किमी. असते. त्यातील महत्तम इलेक्ट्रॉन घनता सु. ११० किमी. वर येते आणि ती दिवसा १०५ इलेक्ट्रॉन/ सेंमी.३ व रात्री १०४ इलेक्ट्रॉन/ सेंमी.३ इतकी असते. तसेच F1 भागाची उंची १३० किमी. ते १७० किमी. व F2ची उंची सु. १७० किमी. ते १,००० किमी. असते;त्यातील F भागातील महत्तम इलेक्ट्रॉन घनता सु. ३०० किमी. उंचीवर आढळते व ती दिवसा १०६ इलेक्ट्रॉन/सेंमी.३ आणि रात्री १०५ इलेक्ट्रॉन/सेंमी.३ इतकी असते. सामान्यतः ही घनता सौरशिखा (सूर्यापासून उत्सर्जित होणाऱ्या ज्वाला, उज्वाला यासारख्या काही निमित्ताने वाढू शकते [ आयनांबर]. आयनांबराच्या D भागात मुख्यतः O2+, NO+ हे आयन असतात; शिवाय अल्प प्रमाणात N2+, Na+, Mg+ , Ca+, Fe+ इत्यादीही आयन असतात. क्वचित प्रसंगी H2O+ वOH+ यांसारखे आयनही उपस्थित असतात. E भागात मुख्यतः NO+, O+ हे आयन असतात. F भागात मुख्यतः O+ हा आयन असतो. त्याहीवरील भागात मुख्यत्वे He+ आयन सापडतात. तर आणखी वरील भागात मुख्यत्वे H+ आयन (प्रोटॉन) असतात. या आयनांबरात वरील सर्व आयनांबरोबर तितक्याच संख्येने इलेक्ट्रॉन असल्यामुळे आयनांबर हे एकंदरीत निर्विद्युत् असते.

वातावरणीय घटक : जमिनीपासून सु. ९० किमी. उंचीपर्यत वातावरणाचे मुख्य घटक रेणवीय नायट्रोजन व रेणवीय ऑक्सिजन हे असतात; शिवाय थोड्या प्रमाणात बाष्प, ओझोन, नायट्रिक ऑक्साइड, कार्बन डाय-ऑक्साइड, आर्‌गॉन, निऑन, सोडियम, आणवीय ऑक्सिजन, हीलियम व हायड्रोजन हेही घटक असतात. सूर्यप्रावरणातील जंबुपार किरणांमुळे रेणवीय ऑक्सिजनाचे आणवीय ऑक्सिजनामध्ये रूपांतर ९० किमी. उंचीवर व्हावयास लागते. या उंचीवरील वातावरणात आणवीय ऑक्सिजन हाच मुख्य घटक असतो. याव्यतिरिक्त सु. १०० किमी. उंचीवर रेणवीय विसरण क्रिया सुरू होते व त्यामुळे हलके वायू अधिक उंचीवर व जड वायू कमी उंचीवर जमा होतात. याहूनही अधिक उंचीवर हीलियम व हायड्रोजन या नीच पातळीवर अल्प प्रमाणात आढळणाऱ्या हलक्या वायूंचे विशेष आधिक्य निर्माण होते.

सु. ८५ किमी. उंचीवरील अतिथंड हवेत फक्त उन्हाळ्यात ४५० ते ७०० उ. अक्षवृत्तीय पट्ट्यात सूर्यास्तानंतर व सूर्योदयापूर्वी दिसणारे चमकदार ढग (नॉक्टिल्यूसंट क्लाउड) निर्माण होतात. हे ढग अतिपारदर्शक असल्यामुळे पलीकडील तारे दिसण्यात अडचण पडत नाही. या ढगांचा प्रादुर्भाव सदोदित सूर्याच्या वाढत्या कार्यप्रवणतेशी संबंधित असतो. हे ढग निर्माण होण्याचे एक कारण असे आहे की, सूर्याच्या वाढलेल्या कार्यप्रवणतेमुळे त्यापासून निघालेल्या कण प्रवाहात हायड्रोजनही असतो. ह्या हायड्रोजनामुळे ८० ते ८५ किमी. वर असणाऱ्या आणवीय ऑक्सिजनाशी संयोग पावून बाष्प निर्मिती होते. उल्काजन्य कणांमुळेही उच्चतर वातावरणात चमकदार ढग निर्माण होणे शक्य आहे, असे दुसरे कारण देण्यात येते. तथापि अत्याधुनिक प्रयोगांवरून ह्या ढगांत हिमस्फटिक प्रकर्षाने आढळतात असे सिद्ध झाले आहे. आर्क्टिक प्रदेशातील उन्हाळ्याच्या वेळी तेथील वातावरणात जो संक्षोभ व जे उदग्र (उभ्या दिशेतील) प्रवाह निर्माण होतात त्यामुळे खालच्या थरातील आर्द्र हवा मध्यावरण सीमेपलीकडे आणली गेल्यामुळे तेथील अतिशीत तापमानामुळे बाष्प गोठून त्याचे हिमस्फटिक तयार होऊन हे चमकदार ढग निर्माण होत असावेत, असे तिसरे कारण देण्यात येते. क्षोभावरणीय स्रोतवाऱ्यांशी निगडित असलेल्या ऊर्ध्वघटकामुळे उच्चतर वातावरणात जे गुरुत्वीय तरंग उत्पन्न होतात त्यांच्याशी चमकदार ढगांची निर्मिती व तरंगसादृश्यता संबंधित आहे, अशीही एक कारणमीमांसा देण्यात येते.

कणप्रारण ऊर्जा : कणप्रारणातील कणांची ऊर्जा कित्येक लक्ष इलेक्ट्रॉन व्होल्ट (१ इलेक्ट्रॉन व्होल्ट = १.६० × १०-१२ अर्ग) असते. विश्वकिरण हे सर्वांत अधिक शक्तिमान कण असून त्यांत मुख्यतः प्रोटॉनांचा भरणा असतो व त्यांची ऊर्जा १०८ ते १०२० इलेक्ट्रॉन व्होल्ट इतकी असते. हे विश्वकिरण सूर्यमालेच्या बाहेरून येतात पण सूर्यावरील परिस्थितीचा त्यांच्यावर परिणाम होतो. सौरप्रारणातील कण मुख्यतः प्रोटॉन व इलेक्ट्रॉन असतात. त्यांची ऊर्जा सौर पवनात (सूर्यापासून निघणाऱ्या प्रोटॉनांच्या स्रोतात) काही हजार इलेक्ट्रॉन व्होल्टपासून सौरशिखांच्या काळी १०१० इलेक्ट्रॉन व्होल्ट इतकी असते. व्हॅन अ‍ॅलन कण हे प्रमुखतः पृथ्वीच्या चुंबकीय क्षेत्रात अडकून पडलेले इलेक्ट्रॉन व प्रोटॉन असतात. त्यातील इलेक्ट्रॉनांची  ऊर्जा १०४ ते १०६ इलेक्ट्रॉन व्होल्ट इतकी असते व प्रोटॉनांची ऊर्जा १०७ ते १०९ इलेक्ट्रॉन व्होल्ट इतकी असते. दोन्ही कणांच्या बाबतींत त्यांची ऊर्जा जसजशी वाढत जाते तसतसे त्यांचे स्रोत कमी होत जातात. सौरशिखा उत्पन्न झाल्यावर सौर प्रारणातील कणांमुळे पृथ्वीवर ध्रुवीय प्रकाश व चुंबकीय वादळे निर्माण होतात. या वादळांमुळे भूचुंबकीय क्षेत्रात बदल होत असतो [ भूचुंबकत्व].

सूर्यापासून पृथ्वीवर पडणाऱ्या सर्व विद्युत् चुंबकीय ऊर्जेपैकी तीमधील जंबुपार व क्ष-किरण ऊर्जा तुलनेने फारच कमी असली तरी ती अतिप्रभावी असते. या ऊर्जेमुळे उच्चतर वातावरणातील अणुरेणूंचे विदलन, आयनीकरण व क्षोभन (प्रक्षुब्ध अवस्था) होते. क्ष-किरणांची तीव्रता सौरचक्र (सौरऊर्जेत ११ वर्षांच्या आवर्तनांमुळे होणारे बदल) व सौरशिखा यांवर अवलंबून असते पण जंबुपार प्रारणाची तीव्रता तशी अवलंबून नसते.

उच्चतर वातावरणीय गती : उच्चतर वातावरणात प्रचंड वेगाने वारे वाहू शकतात. क्षैतिज (क्षितिजाला समांतर दिशेने वाहणाऱ्या) वाऱ्यांचा सरासरी वेग ६० मी./सेकंद (ताशी २१६ किमी.) असला तरी अधूनमधून तो १०० मी./सेकंद (ताशी ३६० किमी.) ची कमाल मर्यादा गाठू शकतो. पृथ्विपृष्ठापासून ५० ते ८० किमी. उंचीच्या थरातील वारे उन्हाळ्यात पूर्वेकडून पश्चिमेकडे व हिवाळ्यात पश्चिमेकडून पूर्वेकडे वाहतात. उन्हाळ्यातील वाऱ्यांपेक्षा हिवाळ्यात वाहणारे वारे तीव्रतर वेगाचे असतात. पृथ्विपृष्ठापासून ८० ते १०० किमी. उंचीच्या थरात वारे सुसंगतपणे पश्चिमेकडून पूर्वेकडे वाहतात. १०० किमी. उंचीच्या पलीकडील वारे पूर्वेकडून पश्चिमेकडे वाहतात.

उच्चतर वातावरणात क्षैतिज वाऱ्यांप्रमाणे ऊर्ध्व (उभ्या) दिशेनेही वारे वाहताना दिसतात. ८० किमी. उंचीपासून प्रमुख ऊर्ध्व पवनघटक उन्हाळ्यात उत्तर-दक्षिण असतो, हिवाळ्यात तो क्षीणतर होऊन दक्षिण-उत्तर वाहतो. १०० किमी. उंचीनंतर ऊर्ध्व पवनघटक सरासरीने उत्तर-दक्षिण असतो. ऊर्ध्व दिशेने वाहणाऱ्या वाऱ्यांचा वेग क्षैतिज वाऱ्यांच्या मानाने सुमारे दहापटींनी कमी असतो.

लेखक : कृ.म.गद्रे

स्त्रोत : मराठी विश्वकोश

संदर्भ : 1. Craig, R. A. The Upper Atmosphere : Meteorology and Physics, New York, 1965.

2. Dobson, C. M. B. Exploring the Atmosphere, Oxford, 1963.

3. Ratcliffe, J. A. Physics of the Upper Atmosphere, New York, 1960.