ชั้นบรรยากาศโลก (Earth’s atmosphere) คือชั้นของก๊าซผสมที่ล้อมรอบพื้นผิวโลกทั้งภาคพื้นดินและมหาสมุทร ซึ่งโดยรวมเรียกว่าอากาศ และประกอบด้วยละอองลอยและอนุภาคแขวนลอยในปริมาณที่แตกต่างกัน โดยทั้งหมดนี้ถูกยึดไว้ด้วยแรงโน้มถ่วงของโลก ชั้นบรรยากาศนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตบนโลก โดยเป็นแหล่งของออกซิเจนที่สิ่งมีชีวิตหายใจเข้าไป และเป็นเกราะป้องกันรังสีที่เป็นอันตรายจากดวงอาทิตย์ นอกจากนี้ ชั้นบรรยากาศยังมีบทบาทสำคัญในการควบคุมอุณหภูมิของโลก รักษาภาวะที่เอื้อต่อการอยู่อาศัย หากไม่มีชั้นบรรยากาศ อุณหภูมิของโลกจะผันผวนอย่างรุนแรงคล้ายกับดวงจันทร์
ความสัมพันธ์ระหว่างชั้นบรรยากาศกับโลกและอวกาศนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง ชั้นบรรยากาศไม่ได้เป็นเพียงผ้าห่มที่อยู่เฉยๆ แต่ยังทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการแลกเปลี่ยนพลังงานและสสารระหว่างโลกกับอวกาศอย่างต่อเนื่อง การมีปฏิสัมพันธ์กับรังสีจากดวงอาทิตย์และพื้นผิวโลกอย่างสม่ำเสมอทำให้เกิดระบบที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาและจำเป็นต่อการดำรงชีวิต
การแบ่งชั้นบรรยากาศตามอุณหภูมิ
ชั้นบรรยากาศของโลกไม่ได้มีลักษณะเป็นเนื้อเดียวกัน แต่ถูกแบ่งออกเป็นชั้นต่างๆ ที่ชัดเจน โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิตามระดับความสูงเป็นหลัก ชั้นเหล่านี้ ได้แก่ โทรโพสเฟียร์ สตราโทสเฟียร์ มีโซสเฟียร์ เทอร์โมสเฟียร์ และเอกโซสเฟียร์
แต่ละชั้นเหล่านี้มีคุณสมบัติเฉพาะตัวในด้านอุณหภูมิ องค์ประกอบทางเคมี รูปแบบการเคลื่อนที่ และความหนาแน่น คุณสมบัติเหล่านี้เป็นตัวกำหนดปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นในแต่ละชั้น และบทบาทของแต่ละชั้นในระบบบรรยากาศโดยรวม ขอบเขตระหว่างชั้นเหล่านี้มักถูกกำหนดโดยบริเวณเปลี่ยนผ่านที่เรียกว่า “พอส” ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่สุดในด้านอุณหภูมิ องค์ประกอบ การเคลื่อนที่ และความหนาแน่น ตัวอย่างเช่น ขอบเขตบนสุดของโทรโพสเฟียร์คือโทรโพพอส ซึ่งเป็นตัวแบ่งระหว่างโทรโพสเฟียร์และสตราโทสเฟียร
การแบ่งชั้นบรรยากาศตามอุณหภูมิเป็นหลักการสำคัญในการทำความเข้าใจโครงสร้างแนวตั้งของบรรยากาศ ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงกระบวนการดูดซับและถ่ายเทพลังงานที่แตกต่างกันในระดับความสูงต่างๆ กัน อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในสตราโทสเฟียร์เป็นผลมาจากการที่โอโซนดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลต ซึ่งเป็นกระบวนการที่ไม่มีอยู่ในโทรโพสเฟียร์
ชั้นบรรยากาศโลกแบ่งออกเป็น 5 ชั้นหลักๆ ตามระดับความสูงและคุณสมบัติของก๊าซ ได้แก่
| ชื่อชั้นบรรยากาศ | ระดับความสูง (กม.) | ลักษณะ |
| โทรโพสเฟียร์ (Troposphere) | 0-12 | เป็นชั้นที่อยู่ใกล้พื้นผิวโลกมากที่สุด มีความสูงประมาณ 0-12 กิโลเมตร เป็นชั้นที่มีปรากฏการณ์ทางสภาพอากาศต่างๆ เกิดขึ้น เช่น เมฆ ฝน พายุ และเป็นชั้นที่สิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ |
| สตราโตสเฟียร์ (Stratosphere) | 12-50 | เป็นชั้นที่อยู่เหนือโทรโพสเฟียร์ขึ้นไป มีความสูงประมาณ 12-50 กิโลเมตร เป็นชั้นที่มีก๊าซโอโซน (Ozone) หนาแน่น ซึ่งช่วยดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) จากดวงอาทิตย์ และเป็นชั้นที่เครื่องบินพาณิชย์นิยมบิน |
| มีโซสเฟียร์ (Mesosphere) | 50-80 | เป็นชั้นที่อยู่เหนือสตราโตสเฟียร์ขึ้นไป มีความสูงประมาณ 50-80 กิโลเมตร เป็นชั้นที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุดในชั้นบรรยากาศ และเป็นชั้นที่ดาวตกส่วนใหญ่ถูกเผาไหม้ |
| เทอร์โมสเฟียร์ (Thermosphere) | 80-700 | เป็นชั้นที่อยู่เหนือมีโซสเฟียร์ขึ้นไป มีความสูงประมาณ 80-700 กิโลเมตร เป็นชั้นที่มีอุณหภูมิสูงมาก เนื่องจากได้รับรังสีเอกซ์ (X-rays) และรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ และเป็นชั้นที่มีปรากฏการณ์แสงเหนือแสงใต้ (Aurora) เกิดขึ้น |
| เอกโซสเฟียร์ (Exosphere) | 700-800 | เป็นชั้นนอกสุดของชั้นบรรยากาศ มีความสูงตั้งแต่ 700 กิโลเมตรขึ้นไป เป็นชั้นที่มีอากาศเบาบางมาก และเป็นชั้นที่ดาวเทียมโคจรรอบโลก |
1. โทรโพสเฟียร์ (Troposphere)
ในฐานะที่เป็นชั้นที่ใกล้กับพื้นผิวโลกมากที่สุด โทรโพสเฟียร์ขยายตัวจากระดับพื้นดินขึ้นไปจนถึงความสูงเฉลี่ยประมาณ 12 กิโลเมตร อย่างไรก็ตาม ความสูงนี้ไม่ได้สม่ำเสมอตลอดทั่วโลก โดยจะบางที่สุดที่ขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ โดยมีความสูงประมาณ 7 ถึง 10 กิโลเมตร และมีความสูงมากที่สุดใกล้กับเส้นศูนย์สูตร โดยขยายไปถึงประมาณ 17 ถึง 18 กิโลเมตร ความแปรปรวนนี้มีสาเหตุมาจากการได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์ที่ไม่เท่ากันบนพื้นผิวโลกความสูงที่มากกว่าของโทรโพสเฟียร์บริเวณเส้นศูนย์สูตรบ่งชี้ถึงความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างปริมาณพลังงานแสงอาทิตย์ที่ได้รับกับการขยายตัวของชั้นบรรยากาศ ความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่สูงกว่าบริเวณเส้นศูนย์สูตรทำให้พื้นผิวโลกมีอุณหภูมิสูงขึ้น ส่งผลให้อากาศร้อนขึ้น มีความหนาแน่นน้อยลง และลอยตัวสูงขึ้นก่อนที่จะเย็นลงและเสถียรในที่สุด
องค์ประกอบ
โทรโพสเฟียร์เป็นชั้นบรรยากาศที่มีความหนาแน่นมากที่สุด โดยมีมวลส่วนใหญ่ของชั้นบรรยากาศทั้งหมดประมาณ 75% ถึง 80% ความหนาแน่นสูงนี้เป็นผลมาจากการถูกบีบอัดด้วยน้ำหนักของชั้นบรรยากาศที่อยู่เหนือขึ้นไป
อากาศในโทรโพสเฟียร์ประกอบด้วยไนโตรเจนเป็นส่วนใหญ่ (ประมาณ 78%) และออกซิเจน (ประมาณ 21%) ส่วนที่เหลืออีก 1% ประกอบด้วยอาร์กอน (ประมาณ 0.9%) ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อย ที่สำคัญคือ โทรโพสเฟียร์มีไอน้ำเกือบทั้งหมด (99%) ที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศทั้งหม
องค์ประกอบของโทรโพสเฟียร์มีความเหมาะสมเป็นพิเศษต่อการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตบนโลก โดยมีออกซิเจนในปริมาณมากสำหรับการหายใจ และมีไอน้ำสำหรับวัฏจักรของน้ำบนโลก การผสมผสานของก๊าซต่างๆ และความอุดมสมบูรณ์ของไอน้ำเป็นปัจจัยสำคัญในการรักษาสภาพภูมิอากาศของโลกและสนับสนุนกระบวนการทางชีวภาพ
ลักษณะอุณหภูมิ
ลักษณะเด่นของโทรโพสเฟียร์คืออุณหภูมิมักจะลดลงตามระดับความสูงที่เพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าอัตราการลดอุณหภูมิ ซึ่งโดยเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 6.5 องศาเซลเซียสต่อกิโลเมตร อัตราการเปลี่ยนแปลงที่แท้จริงอาจแตกต่างกันไปในแต่ละวันขึ้นอยู่กับสภาพอากาศ
อุณหภูมิที่ลดลงนี้เป็นผลมาจากการลดลงของความดันบรรยากาศที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น เมื่อกลุ่มอากาศลอยตัวสูงขึ้น มันจะขยายตัวเนื่องจากความดันที่ต่ำกว่า และการขยายตัวนี้ทำให้มันเย็นลง
ที่ระดับน้ำทะเล อุณหภูมิเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 15 องศาเซลเซียส (59 องศาฟาเรนไฮต์) ลดลงไปถึงประมาณ -55 องศาเซลเซียส (-67 องศาฟาเรนไฮต์) ที่โทรโพพอสในละติจูดกลาง ใกล้เส้นศูนย์สูตร อุณหภูมิลดลงจากประมาณ 20 องศาเซลเซียส (68 องศาฟาเรนไฮต์) ไปจนถึงระหว่าง -70 ถึง -75 องศาเซลเซียส (-94 ถึง -103 องศาฟาเรนไฮต์) และที่ขั้วโลก ลดลงจากเฉลี่ย 0 องศาเซลเซียส (32 องศาฟาเรนไฮต์) ไปจนถึงประมาณ -45 องศาเซลเซียส (-49 องศาฟาเรนไฮต์)
การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในโทรโพสเฟียร์เป็นตัวขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของอากาศในแนวตั้ง (การพาความร้อน) ซึ่งเป็นกลไกสำคัญในการถ่ายเทพลังงานความร้อนและความชื้นทั่วโลก อากาศที่อุ่นกว่าและมีความหนาแน่นน้อยกว่าใกล้พื้นผิวจะลอยตัวสูงขึ้น พาความร้อนขึ้นไป ในขณะที่อากาศที่เย็นกว่าและมีความหนาแน่นมากกว่าในระดับสูงจะจมตัวลง ก่อให้เกิดวัฏจักรการเคลื่อนที่ของอากาศอย่างต่อเนื่อง
ความหนาแน่นของก๊าซในโทรโพสเฟียร์จะลดลงตามความสูง ทำให้อากาศเบาบางลง การลดลงของความหนาแน่นนี้มีความสัมพันธ์โดยตรงกับการลดลงของความดันและอุณหภูมิ
การเปลี่ยนแปลงของความดันในโทรโพสเฟียร์ไม่เพียงแต่ส่งผลต่ออุณหภูมิเท่านั้น แต่ยังมีผลต่อกระบวนการทางกายภาพต่างๆ เช่น จุดเดือดของน้ำ และประสิทธิภาพของเครื่องบิน ความดันที่ต่ำกว่าในระดับความสูงที่สูงขึ้นหมายความว่าของเหลวจะเดือดที่อุณหภูมิต่ำลง และเครื่องยนต์ของเครื่องบินจำเป็นต้องได้รับการออกแบบให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในอากาศที่เบาบางกว่า
ปรากฏการณ์สำคัญ
โทรโพสเฟียร์เป็นบริเวณที่เกิดปรากฏการณ์ทางสภาพอากาศเกือบทั้งหมด รวมถึงการก่อตัวของเมฆ การเกิดหยาดน้ำฟ้า (ฝน หิมะ ลูกเห็บ) และพายุ ความเข้มข้นของไอน้ำที่สูงเอื้อต่อกระบวนการเหล่านี้ผ่านการระเหย การควบแน่น และการก่อตัวของเมฆความปั่นป่วนเป็นเรื่องปกติในโทรโพสเฟียร์ ซึ่งเกิดจากลมที่พัดผ่านพื้นผิวโลก และจากกระแสอากาศร้อน (กลุ่มอากาศอุ่น) ที่ได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์ ความปั่นป่วนนี้มีบทบาทในการกระจายความร้อน ความชื้น มลพิษ และส่วนประกอบอื่นๆ ภายในชั้นบรรยากาศ
ส่วนล่างสุดของโทรโพสเฟียร์เรียกว่าชั้นขอบเขต ซึ่งการเคลื่อนที่ของอากาศได้รับอิทธิพลโดยตรงจากคุณสมบัติของพื้นผิวโลก
ขอบเขตบนสุดของโทรโพสเฟียร์เรียกว่าโทรโพพอส ซึ่งทำหน้าที่เป็นเหมือนฝาปิด กีดขวางการผสมกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างโทรโพสเฟียร์และสตราโทสเฟียร์ที่อยู่เหนือขึ้นไป ความสูงและอุณหภูมิของโทรโพพอสจะแตกต่างกันไปตามละติจูดและฤดูกาล
โทรโพสเฟียร์เป็นระบบที่มีพลวัตสูงและเชื่อมโยงถึงกัน โดยพลังงานจากดวงอาทิตย์ขับเคลื่อนกระบวนการทางกายภาพมากมาย ส่งผลให้เกิดรูปแบบสภาพอากาศที่ซับซ้อนและเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาที่เราประสบอยู่ การทำงานร่วมกันของอุณหภูมิ ความดัน ความชื้น และการเคลื่อนที่ของอากาศสร้างสภาวะที่ไม่หยุดนิ่ง นำไปสู่สภาพทางอุตุนิยมวิทยาที่หลากหลายทั่วโลก
ความสำคัญ
โทรโพสเฟียร์มีความสำคัญสูงสุด เนื่องจากเป็นแหล่งของอากาศที่เราหายใจเข้าไป ซึ่งจำเป็นต่อการอยู่รอดของสัตว์และพืช นอกจากนี้ ยังมีไอน้ำที่จำเป็นสำหรับวัฏจักรของน้ำบนโลก ซึ่งเป็นแหล่งน้ำจืดสำหรับระบบนิเวศและการใช้งานของมนุษย์
ปรากฏการณ์ทางสภาพอากาศที่เกิดขึ้นในโทรโพสเฟียร์มีบทบาทสำคัญในการกระจายความร้อนและความชื้นไปทั่วโลก ส่งผลต่อสภาพภูมิอากาศในระดับภูมิภาคและสนับสนุนการเกษตร
ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโทรโพสเฟียร์และพื้นผิวโลกสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิ ซึ่งขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของอากาศและมหาสมุทร ซึ่งมีส่วนช่วยในการกำหนดรูปแบบภูมิอากาศโลกโทรโพสเฟียร์เป็นรากฐานของระบบสนับสนุนชีวิตของโลก โดยเป็นแหล่งทรัพยากรและสภาวะที่จำเป็นโดยตรงสำหรับกระบวนการทางชีวภาพและทางธรณีวิทยาจำนวนมากบนโลก หากไม่มีโทรโพสเฟียร์ โลกจะแตกต่างไปจากเดิมอย่างมาก และอาจไม่เอื้อต่อการอยู่อาศัย
2. สตราโทสเฟียร์ (Stratosphere)
สตราโทสเฟียร์ขยายตัวขึ้นไปจากโทรโพพอส ซึ่งเป็นขอบเขตที่อยู่บนสุดของโทรโพสเฟียร์ ไปจนถึงระดับความสูงประมาณ 50 กิโลเมตร (31 ไมล์) เหนือพื้นผิวโลก ที่ขั้วโลก สตราโทสเฟียร์เริ่มต้นที่ระดับความสูงที่ต่ำกว่าประมาณ 8 กิโลเมตรขอบเขตแนวตั้งที่ค่อนข้างกว้างของสตราโทสเฟียร์บ่งชี้ถึงชั้นบรรยากาศที่แตกต่างกัน โดยมีคุณสมบัติที่แตกต่างอย่างมากจากโทรโพสเฟียร์ที่อยู่ด้านล่าง การเปลี่ยนผ่านที่ถูกกำหนดโดยโทรโพพอสแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงในลักษณะอุณหภูมิและความเสถียรของชั้นบรรยากาศ
- องค์ประกอบ: สตราโทสเฟียร์เป็นที่รู้จักกันดีว่ามีโอโซนในชั้นบรรยากาศในปริมาณมาก ซึ่งรวมตัวกันเป็นชั้นโอโซน ประมาณ 90% ของโอโซนทั้งหมดในชั้นบรรยากาศโลกพบได้ในชั้นนี้ โดยส่วนใหญ่อยู่ระหว่างระดับความสูง 15 ถึง 35 กิโลเมตร
- เมื่อเทียบกับโทรโพสเฟียร์ สตราโทสเฟียร์มีความแห้งแล้งมาก โดยมีไอน้ำน้อยมาก ด้วยเหตุนี้ การก่อตัวของเมฆจึงเกิดขึ้นได้ยากในชั้นนี้ ยกเว้นเมฆสตราโทสเฟียร์ขั้วโลก ซึ่งสามารถก่อตัวในบริเวณที่ต่ำกว่าและเย็นกว่าใกล้กับขั้วโลกในช่วงฤดูหนาว
- สตราโทสเฟียร์ยังมีก๊าซเรือนกระจกประมาณ 19% ของก๊าซเรือนกระจกทั้งหมดของโลก ซึ่งมีส่วนช่วยในการรักษาสมดุลพลังงานของโลก
- องค์ประกอบทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ของสตราโทสเฟียร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการมีอยู่ของชั้นโอโซน เป็นตัวกำหนดโครงสร้างทางความร้อนและบทบาทที่สำคัญในการดูดซับรังสีที่เป็นอันตรายจากดวงอาทิตย์ ความอุดมสมบูรณ์ของโมเลกุลโอโซน แม้ว่าจะเป็นก๊าซในปริมาณน้อย แต่ก็มีผลกระทบอย่างมากต่อสมดุลพลังงานของสตราโทสเฟียร์
- ลักษณะอุณหภูมิ: ซึ่งแตกต่างจากโทรโพสเฟียร์ อุณหภูมิในสตราโทสเฟียร์จะเพิ่มขึ้นตามระดับความสูง 9 การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมินี้เกิดจากการดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) จากดวงอาทิตย์โดยชั้นโอโซน โมเลกุลโอโซนดูดซับแสง UV ที่มีพลังงานสูงและเปลี่ยนเป็นความร้อน ทำให้อากาศโดยรอบอุ่นขึ้น
- อุณหภูมิในสตราโทสเฟียร์มีช่วงตั้งแต่ประมาณ -60 องศาฟาเรนไฮต์ (-51 องศาเซลเซียส) ที่ส่วนล่าง ไปจนถึงประมาณ 5 องศาฟาเรนไฮต์ (-15 องศาเซลเซียส) ที่ส่วนบน อุณหภูมิที่ส่วนบนของสตราโทสเฟียร์อยู่ที่ประมาณ 270 เคลวิน (-3 องศาเซลเซียส) โดยทั่วไปอุณหภูมิจะสูงที่สุดบริเวณขั้วโลกในฤดูร้อน และต่ำที่สุดบริเวณขั้วโลกในฤดูหนาว
- การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในสตราโทสเฟียร์สร้างชั้นบรรยากาศที่เสถียร เนื่องจากอากาศที่อุ่นกว่าและมีความหนาแน่นน้อยกว่าจะอยู่เหนืออากาศที่เย็นกว่าและมีความหนาแน่นมากกว่า ซึ่งเป็นการยับยั้งการผสมกันในแนวตั้งและความปั่นป่วน ความเสถียรนี้แตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับโทรโพสเฟียร์ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในทิศทางตรงกันข้ามทำให้เกิดการพาความร้อนและสภาพอากาศ
- ลักษณะความดัน: ความดันบรรยากาศยังคงลดลงตามระดับความสูงในสตราโทสเฟียร์ แม้ว่าจะไม่มีการระบุค่าความดันที่เจาะจงอย่างสม่ำเสมอในข้อมูลที่ให้มาทั้งหมด แนวโน้มของความดันที่ลดลงตามความสูงนั้นสอดคล้องกันทั่วทั้งชั้นบรรยากาศ
- ความดันที่ลดลงในสตราโทสเฟียร์มีส่วนทำให้ความหนาแน่นของอากาศในชั้นนี้ต่ำกว่าในโทรโพสเฟียร์ แม้ว่าอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นตามระดับความสูง ความสัมพันธ์ระหว่างความดัน อุณหภูมิ และความหนาแน่นของอากาศเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติโดยรวมของชั้นบรรยากาศนี้
- ปรากฏการณ์สำคัญ: ปรากฏการณ์ที่สำคัญที่สุดในสตราโทสเฟียร์คือการมีอยู่ของชั้นโอโซน ซึ่งดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ที่เป็นอันตรายส่วนใหญ่จากดวงอาทิตย์ การดูดซับนี้ช่วยปกป้องสิ่งมีชีวิตบนโลกจากมะเร็งผิวหนังและความเสียหายต่อสุขภาพอื่นๆ รวมถึงอันตรายต่อระบบนิเวศ
- สตราโทสเฟียร์เป็นชั้นที่สงบและเสถียรมาก ต่างจากโทรโพสเฟียร์ที่ปั่นป่วน เนื่องจากไม่มีกระแสลมในแนวตั้งอันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความเสถียรนี้ทำให้เป็นชั้นที่เหมาะสมสำหรับการบินของเครื่องบิน โดยเฉพาะเครื่องบินโดยสารพาณิชย์ที่มักจะบินในระดับล่างของสตราโทสเฟียร์เพื่อหลีกเลี่ยงความปั่นป่วน
- สตราโทสเฟียร์มีลักษณะเด่นคือการไหลของกระแสลมในแนวนอนที่เรียกว่ากระแสลมกรด ซึ่งเป็นกระแสลมที่ไหลเร็วจากทิศตะวันตกไปทิศตะวันออก กระแสลมกรดเหล่านี้สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อความเร็วและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องบิน
- เมฆสตราโทสเฟียร์ขั้วโลกสามารถก่อตัวได้ในสภาวะที่เย็นจัดของสตราโทสเฟียร์ส่วนล่างใกล้กับขั้วโลกในช่วงฤดูหนาว เมฆเหล่านี้มีบทบาทในการทำลายชั้นโอโซน
- ลักษณะเฉพาะของโครงสร้างทางความร้อนและองค์ประกอบทางเคมีของสตราโทสเฟียร์ก่อให้เกิดปรากฏการณ์ที่มีความสำคัญต่อการปกป้องชีวิตและอำนวยความสะดวกในการดำเนินกิจกรรมของมนุษย์ เช่น การบิน การดูดซับรังสี UV โดยโอโซนไม่เพียงแต่ทำให้อุณหภูมิของสตราโทสเฟียร์สูงขึ้นเท่านั้น แต่ยังสร้างสภาวะที่เสถียรซึ่งเอื้อต่อการเกิดกระแสลมในแนวนอนที่สม่ำเสมอ
- ความสำคัญ: ความสำคัญหลักของสตราโทสเฟียร์อยู่ที่ชั้นโอโซน ซึ่งทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันโลก ดูดซับและกระจายรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ที่เป็นอันตรายจากดวงอาทิตย์ ซึ่งสามารถทำลาย DNA และนำไปสู่ปัญหาสุขภาพต่างๆ หากไม่มีชั้นป้องกันนี้ ชีวิตบนโลกจะไม่ยั่งยืน
- สภาวะที่เสถียรในสตราโทสเฟียร์ ซึ่งปราศจากความปั่นป่วนทางสภาพอากาศส่วนใหญ่ ทำให้เป็นชั้นที่เหมาะสมสำหรับเครื่องบินบิน ทำให้การเดินทางราบรื่นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
สตราโทสเฟียร์ทำหน้าที่เป็นจุดเชื่อมต่อที่สำคัญระหว่างโลกและดวงอาทิตย์ ควบคุมปริมาณรังสีที่เป็นอันตรายที่มาถึงพื้นผิวโลก และเป็นสภาพแวดล้อมที่เสถียรสำหรับการดำเนินงานทางเทคโนโลยีของมนุษย์ บทบาทในการปกป้องชีวมณฑลและการสนับสนุนการบินแสดงให้เห็นถึงความสำคัญที่หลากหลายของชั้นนี้
3. มีโซสเฟียร์ (Mesosphere)
- ช่วงความสูง: ตั้งอยู่เหนือสตราโทสเฟียร์และใต้เทอร์โมสเฟียร์ มีโซสเฟียร์ขยายตัวจากประมาณ 50 กิโลเมตร (31 ไมล์) ไปจนถึงประมาณ 85 กิโลเมตร (53 ไมล์) เหนือพื้นผิวโลก ขอบเขตล่างคือสตราโตพอส และขอบเขตบนคือมีโซพอส ขอบเขตที่แน่นอนอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับละติจูดและฤดูกาล
- มีโซสเฟียร์ครอบครองส่วนสำคัญของชั้นบรรยากาศระดับกลาง โดยมีลักษณะเด่นคืออุณหภูมิจะลดลงตามระดับความสูงที่เพิ่มขึ้น ซึ่งตรงกันข้ามกับสตราโทสเฟียร์ที่อยู่ด้านล่าง ลักษณะอุณหภูมินี้บ่งชี้ถึงสมดุลพลังงานที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับชั้นที่อยู่เหนือและใต้
- องค์ประกอบ: อากาศในมีโซสเฟียร์เบาบางกว่าในสตราโทสเฟียร์และโทรโพสเฟียร์อย่างมาก โดยมีมวลประมาณ 99.9% ของชั้นบรรยากาศทั้งหมดอยู่ต่ำกว่าชั้นนี้ ชั้นบรรยากาศในชั้นนี้ประกอบด้วยออกซิเจน ไนโตรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งผสมกันอยู่แทนที่จะเรียงตัวเป็นชั้นตามมวลที่แตกต่างกัน
- มีโซสเฟียร์มีไอน้ำน้อยมาก แม้ว่าภายใต้เงื่อนไขบางประการ โดยเฉพาะในช่วงฤดูร้อนที่ละติจูดสูง เมฆน็อกติลูเซนต์ (หรือที่เรียกว่าเมฆมีโซสเฟียร์ขั้วโลก) สามารถก่อตัวได้ที่ระดับมีโซพอส
- ที่น่าสนใจคือ มีโซสเฟียร์มีความเข้มข้นของธาตุเหล็กและอะตอมของโลหะอื่นๆ ค่อนข้างสูง ซึ่งเป็นเศษซากของอุกกาบาตที่เผาไหม้เมื่อเข้าสู่ชั้นนี้ ชั้นของอะตอมโซเดียมหนา 5 กิโลเมตรมีอยู่ระหว่าง 80 ถึง 105 กิโลเมตร
- องค์ประกอบของมีโซสเฟียร์สะท้อนให้เห็นถึงบทบาทในการเป็นเกราะป้องกันเศษซากอวกาศที่เข้ามา โดยมีธาตุโลหะที่สะสมจากการระเหยของอุกกาบาต ปฏิสัมพันธ์กับอุกกาบาตทิ้งร่องรอยทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ไว้ในชั้นบรรยากาศนี้
- ลักษณะอุณหภูมิ: ในมีโซสเฟียร์ อุณหภูมิจะลดลงตามระดับความสูงที่เพิ่มขึ้น 1 อุณหภูมิที่เย็นที่สุดในชั้นบรรยากาศโลกพบได้ใกล้กับส่วนบนของชั้นนี้ ที่มีโซพอส โดยมีอุณหภูมิต่ำถึง -90 องศาเซลเซียส (-130 องศาฟาเรนไฮต์) และอาจต่ำถึง -130 องศาเซลเซียส ถึง -150 องศาเซลเซียส (-202 องศาฟาเรนไฮต์ ถึง -238 องศาฟาเรนไฮต์)
- ความเย็นจัดของมีโซสเฟียร์อาจเป็นผลมาจากการแผ่รังสีความร้อนของก๊าซ และการขาดการดูดซับรังสีจากดวงอาทิตย์อย่างมีนัยสำคัญในชั้นนี้ เมื่อเทียบกับสตราโทสเฟียร์และเทอร์โมสเฟียร์ สมดุลระหว่างพลังงานที่เข้ามาและออกไปส่งผลให้เกิดแนวโน้มการเย็นตัวลงตามระดับความสูงที่เพิ่มขึ้น
- ลักษณะความดัน: ความดันอากาศในมีโซสเฟียร์ต่ำมาก ต่ำกว่า 1% ของความดันที่ระดับน้ำทะเลอย่างมากที่ส่วนล่างของชั้น และยังคงลดลงเมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้น ที่มีโซพอส ความดันบรรยากาศอยู่ที่ประมาณ 0.01 มิลลิบาร์เท่านั้น ซึ่งเป็นเพียง 1/100,000 ของความดันที่พื้นผิวโลก
- ความดันที่ต่ำมากในมีโซสเฟียร์บ่งชี้ถึงชั้นบรรยากาศที่เบาบางมาก ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการหายใจ และเป็นเรื่องท้าทายสำหรับเครื่องบินทั่วไปที่จะบินในชั้นนี้ การขาดแคลนโมเลกุลอากาศที่ระดับความสูงเหล่านี้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อกระบวนการทางกายภาพและความสามารถในการศึกษาชั้นนี้
- ปรากฏการณ์สำคัญ: หนึ่งในปรากฏการณ์ที่โดดเด่นที่สุดในมีโซสเฟียร์คืออุกกาบาตส่วนใหญ่ที่เข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกจะเผาไหม้ในชั้นนี้เนื่องจากแรงเสียดทานกับโมเลกุลของอากาศ ก่อให้เกิดแสงสว่างวาบในท้องฟ้ายามค่ำคืน (ดาวตก) และช่วยปกป้องโลกจากการชนที่รุนแรง
- เมฆน็อกติลูเซนต์ ซึ่งเป็นเมฆที่สูงที่สุดในชั้นบรรยากาศโลก สามารถก่อตัวในมีโซสเฟียร์ใกล้ขั้วโลกในช่วงฤดูร้อน เมฆเหล่านี้ประกอบด้วยผลึกน้ำแข็งที่ก่อตัวบนอนุภาคฝุ่น ซึ่งอาจมีต้นกำเนิดจากอุกกาบาต
- มีโซสเฟียร์มีลักษณะเด่นคือลมกรด (ลมตะวันออก-ตะวันตก) ที่รุนแรง คลื่นบรรยากาศภายใน และคลื่นความโน้มถ่วง คลื่นเหล่านี้มีต้นกำเนิดในโทรโพสเฟียร์และสตราโทสเฟียร์ และเคลื่อนที่ขึ้นไป ส่งผลต่อการไหลเวียนของอากาศในมีโซสเฟียร์
- ปรากฏการณ์แสงชั่วคราว (TLEs) เช่น สไปรต์สีแดงและเจ็ตสีน้ำเงิน ซึ่งเป็นการปล่อยประจุไฟฟ้าคล้ายฟ้าผ่า สามารถปรากฏในมีโซสเฟียร์ได้ โดยอยู่สูงขึ้นไปหลายสิบกิโลเมตรเหนือเมฆฝนฟ้าคะนองในโทรโพสเฟียร์ที่อยู่ด้านล่าง
- ชั้น D ของไอโอโนสเฟียร์ ซึ่งเป็นบริเวณที่มีการแตกตัวเป็นไอออนอ่อนๆ ตั้งอยู่ในส่วนบนของมีโซสเฟียร์ แต่จะปรากฏเฉพาะในเวลากลางวัน
- มีการสังเกตพบการปล่อยแสงที่ผิดปกติคล้ายกับเนินทรายในมีโซสเฟียร์
- มีโซสเฟียร์เป็นชั้นที่น่าสนใจซึ่งปรากฏการณ์ทางสภาพอากาศบนโลกมีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมในอวกาศ นำไปสู่เหตุการณ์ที่ไม่เหมือนใคร เช่น การเผาไหม้ของอุกกาบาตและการก่อตัวของเมฆที่สูงที่สุด การผสมผสานของอุณหภูมิต่ำ อากาศเบาบาง และการไหลเข้าของวัตถุจากนอกโลกสร้างสภาพแวดล้อมที่โดดเด่นพร้อมปรากฏการณ์ที่น่าสนใจ
- ความท้าทายในการศึกษาชั้นนี้: มักเรียกมีโซสเฟียร์ว่า “ignorosphere” เนื่องจากยากต่อการศึกษาโดยตรง ชั้นนี้อยู่เหนือระดับความสูงที่บอลลูนตรวจอากาศและเครื่องบินส่วนใหญ่สามารถเข้าถึงได้ ในขณะที่ดาวเทียมโคจรอยู่เหนือชั้นนี้ ทำให้การวัดโดยตรงเป็นเรื่องท้าทาย นักวิทยาศาสตร์ต้องพึ่งพายานสำรวจจรวดสำหรับการเก็บตัวอย่างโดยตรง แต่การบินเหล่านี้มีระยะเวลาสั้นและไม่บ่อยนัก
ความยากในการเข้าถึงมีโซสเฟียร์ทำให้ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับพลวัตและองค์ประกอบของชั้นนี้มีจำกัดเมื่อเทียบกับชั้นที่อยู่เหนือและใต้ ช่วงความสูงของมีโซสเฟียร์อยู่ในช่วงที่เกินขีดจำกัดการปฏิบัติงานของเครื่องบินทั่วไปและดาวเทียมที่โคจร ทำให้การสังเกตโดยตรงเป็นเรื่องยาก
4. เทอร์โมสเฟียร์ (Thermosphere)
- ช่วงความสูง: เทอร์โมสเฟียร์ตั้งอยู่เหนือมีโซพอส โดยขยายตัวจากประมาณ 85 กิโลเมตร (53 ไมล์) ไปจนถึงระหว่าง 500 ถึง 1,000 กิโลเมตร (311 ถึง 621 ไมล์) เหนือพื้นผิวโลก บางแหล่งข้อมูลระบุว่าสามารถขยายไปได้ถึง 700 กม. (440 ไมล์)
- ขอบเขตบนสุดของเทอร์โมสเฟียร์ หรือที่เรียกว่าเทอร์โมพอส หรือเอ็กโซเบส มีความสูงที่แตกต่างกันอย่างมาก (ตั้งแต่ 500 ถึง 1,000 กม. หรือสูงกว่า) ขึ้นอยู่กับกิจกรรมของดวงอาทิตย์
- ขอบเขตแนวตั้งที่กว้างขวางของเทอร์โมสเฟียร์และความแปรปรวนของขอบเขตบนสุดเน้นย้ำถึงความไวต่อการได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ การดูดซับรังสีพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ส่งผลโดยตรงต่อลักษณะทางกายภาพของเทอร์โมสเฟียร์และส่วนต่อประสานกับเอกโซสเฟียร์
- องค์ประกอบ: เทอร์โมสเฟียร์มีลักษณะเด่นคืออากาศที่เบาบางมากและมีความหนาแน่นต่ำมาก ที่ระดับความสูงเหล่านี้ ก๊าซที่เหลืออยู่ในชั้นบรรยากาศจะเริ่มเรียงตัวเป็นชั้นๆ ตามมวลโมเลกุล ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการแยกตัวแบบแพร่กระจาย ซึ่งเกิดขึ้นเหนือเทอร์โบพอส (ประมาณ 90 กม.)
- ในเทอร์โมสเฟียร์ส่วนล่าง ใต้เทอร์โบพอส ความปั่นป่วนจะทำให้อากาศผสมกัน โดยมีออกซิเจนโมเลกุล (O2) และไนโตรเจน (N2) เป็นองค์ประกอบหลัก เหนือประมาณ 200 กิโลเมตร องค์ประกอบที่เบากว่า เช่น ออกซิเจนอะตอม (O) ฮีเลียม (He) และไฮโดรเจน (H) จะเริ่มมีบทบาทมากขึ้น โดยความเข้มข้นจะแตกต่างกันไปตามตำแหน่งทางภูมิศาสตร์ เวลา และกิจกรรมของดวงอาทิตย์
- เทอร์โมสเฟียร์ยังมีโซเดียมธาตุในปริมาณที่เห็นได้ชัดเจนในแถบหนา กิโลเมตรที่ขอบเขตล่าง (80 ถึง 100 กม.)
- ส่วนสำคัญของเทอร์โมสเฟียร์ซ้อนทับกับไอโอโนสเฟียร์ ซึ่งเป็นบริเวณที่ก๊าซแตกตัวเป็นไอออนโดยรังสีจากดวงอาทิตย์
- องค์ประกอบของเทอร์โมสเฟียร์เปลี่ยนจากโมเลกุลที่หนักกว่าไปเป็นอะตอมที่เบากว่าเมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้น ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่ลดลงและผลกระทบของรังสีจากดวงอาทิตย์ ธาตุที่เบากว่าได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงน้อยกว่าและสามารถขึ้นไปถึงระดับความสูงที่สูงกว่าได้ก่อนที่การชนจะเกิดขึ้นไม่บ่อยนัก
- ลักษณะอุณหภูมิ: อุณหภูมิในเทอร์โมสเฟียร์จะเพิ่มขึ้นอย่างมากตามระดับความสูง เนื่องจากการดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีเอกซ์ที่มีพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ อุณหภูมิเหล่านี้สามารถสูงมาก โดยมีช่วงตั้งแต่ 500 องศาเซลเซียส (932 องศาฟาเรนไฮต์) ถึง 2,000 องศาเซลเซียส (3,632 องศาฟาเรนไฮต์) หรือสูงกว่านั้น อาจสูงถึง 4,500 องศาฟาเรนไฮต์
- อย่างไรก็ตาม แม้ว่าอุณหภูมิทางจลน์จะสูง แต่ความหนาแน่นของอากาศต่ำมากจนเรารู้สึกหนาวเย็น เนื่องจากมีโมเลกุลของก๊าซไม่เพียงพอที่จะถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีนัยสำคัญ
- อุณหภูมิในเทอร์โมสเฟียร์ได้รับอิทธิพลอย่างมากจากกิจกรรมของดวงอาทิตย์ โดยจะสูงกว่าประมาณ 200 องศาเซลเซียส (360 องศาฟาเรนไฮต์) ในเวลากลางวัน และสูงกว่าประมาณ 500 องศาเซลเซียส (900 องศาฟาเรนไฮต์) เมื่อดวงอาทิตย์มีกิจกรรมมาก
- อุณหภูมิที่สูงมากของเทอร์โมสเฟียร์เป็นผลมาจากการดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์อย่างเข้มข้นโดยชั้นบรรยากาศที่เบาบางมาก ซึ่งโมเลกุลแต่ละโมเลกุลมีพลังงานจลน์สูง แต่ปริมาณความร้อนโดยรวมต่ำ การชนกันของโมเลกุลที่ไม่บ่อยนักทำให้การถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพต่ำ ดังนั้นวัตถุในเทอร์โมสเฟียร์จะสูญเสียความร้อนให้กับอวกาศได้ง่ายกว่าได้รับความร้อนจากอากาศโดยรอบ
- ลักษณะความดัน: ความหนาแน่นและความดันอากาศในเทอร์โมสเฟียร์ต่ำมาก จนส่วนใหญ่ของชั้นนี้ถือเป็นส่วนหนึ่งของอวกาศ ความหนาแน่นไม่เพียงพอที่จะส่งผ่านคลื่นเสียงในเขต anacoustic เหนือ 160 กิโลเมตร
- เทอร์โมสเฟียร์แสดงถึงบริเวณที่ชั้นบรรยากาศเบาบางลงเรื่อยๆ ค่อยๆ เปลี่ยนไปสู่สภาวะใกล้สุญญากาศของอวกาศ ความหนาแน่นและความดันที่ลดลงสะท้อนให้เห็นถึงอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของโลกที่ลดลงในการกักเก็บก๊าซในชั้นบรรยากาศ
- ปรากฏการณ์สำคัญ: เทอร์โมสเฟียร์เป็นที่อยู่ของไอโอโนสเฟียร์ ซึ่งเป็นบริเวณของก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออน มีบทบาทสำคัญในการสะท้อนคลื่นวิทยุ ทำให้สามารถสื่อสารทางไกลได้
- แสงออโรราที่สวยงาม (แสงเหนือและแสงใต้) ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในเทอร์โมสเฟียร์ เมื่ออนุภาคที่มีประจุจากดวงอาทิตย์ชนกับอะตอมของออกซิเจนและไนโตรเจน กระตุ้นให้ก๊าซเหล่านี้เปล่งแสงสีต่างๆ ออกมา
- สถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) และดาวเทียมวงโคจรต่ำอื่นๆ จำนวนมากโคจรอยู่ในเทอร์โมสเฟียร์ โดยใช้ประโยชน์จากระดับความสูงเพื่อวัตถุประสงค์ทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีต่างๆ
- เทอร์โมสเฟียร์ประสบกับคลื่นบรรยากาศ ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการได้รับความร้อนในเวลากลางวัน และมีอิทธิพลต่อพลวัตของชั้นนี้
- โฟตอนพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์จะทำลายโมเลกุลในเทอร์โมสเฟียร์ ซึ่งมีส่วนทำให้องค์ประกอบของชั้นนี้มีเอกลักษณ
- เทอร์โมสเฟียร์เป็นชั้นที่มีการทำงานสูง โดยมีการปฏิสัมพันธ์ระหว่างรังสีจากดวงอาทิตย์ สนามแม่เหล็กโลก และชั้นบรรยากาศที่เบาบาง นำไปสู่การแตกตัวเป็นไอออน ปรากฏการณ์แสงที่สวยงาม และความเป็นไปได้ในการโคจรของยานอวกาศ พลังงานจากดวงอาทิตย์ขับเคลื่อนกระบวนการต่างๆ ในเทอร์โมสเฟียร์ ตั้งแต่การแตกตัวของก๊าซไปจนถึงการสร้างแสงออโรราที่น่าตื่นตาตื่นใจ
- อิทธิพลของกิจกรรมจากดวงอาทิตย์: กิจกรรมจากดวงอาทิตย์มีผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อเทอร์โมสเฟียร์ รังสีจากดวงอาทิตย์ที่เพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงการปล่อยมวลโคโรนาหรือพายุสุริยะ สามารถทำให้เทอร์โมสเฟียร์ร้อนขึ้นอย่างมากและขยายตัว การขยายตัวนี้สามารถเพิ่มความหนาแน่นของอากาศที่เบาบางอยู่แล้วในระดับความสูงของวงโคจร ทำให้เกิดแรงต้านที่เพิ่มขึ้นต่อดาวเทียม
- ความสูงของเทอร์โมพอสยังแตกต่างกันอย่างมากตามกิจกรรมของดวงอาทิตย์ โดยมีช่วงตั้งแต่ 500 กม. ถึง 1,000 กม. หรือสูงกว่านั้น
เทอร์โมสเฟียร์เป็นชั้นที่มีพลวัตสูง ซึ่งตอบสนองโดยตรงและรุนแรงต่อการเปลี่ยนแปลงของพลังงานที่ดวงอาทิตย์ปล่อยออกมา ซึ่งก่อให้เกิดความท้าทายในการรักษาวงโคจรที่เสถียรของดาวเทียม การเฝ้าติดตามกิจกรรมของดวงอาทิตย์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการคาดการณ์และลดผลกระทบต่อเทอร์โมสเฟียร์และยานอวกาศที่ปฏิบัติงานอยู่ในชั้นนี้
5. เอกโซสเฟียร์ (Exosphere)
- ช่วงความสูง: เอกโซสเฟียร์เป็นชั้นนอกสุดของชั้นบรรยากาศโลก ซึ่งเป็นขอบเขตสุดท้ายก่อนที่จะรวมเข้ากับสุญญากาศของอวกาศ เริ่มต้นที่ส่วนบนของเทอร์โมสเฟียร์ (เทอร์โมพอส หรือเอ็กโซเบส) ซึ่งมีความสูงแตกต่างกันไป แต่โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 500 ถึง 1,000 กิโลเมตร (310-620 ไมล์) เหนือพื้นผิวโลก
- ซึ่งแตกต่างจากชั้นบรรยากาศอื่นๆ เอกโซสเฟียร์ไม่มีขอบเขตบนที่ชัดเจน และค่อยๆ จางหายไปในอวกาศ คำจำกัดความที่แตกต่างกันกำหนดขอบเขตภายนอกไว้ที่ระดับความสูงต่างๆ กัน ตั้งแต่ 10,000 กิโลเมตร (6,200 ไมล์) ไปจนถึง 190,000 กิโลเมตร (120,000 ไมล์) โดยค่าหลังนี้อยู่กึ่งกลางระหว่างโลกกับดวงจันทร์
- เอกโซสเฟียร์ทำหน้าที่เป็นเขตเปลี่ยนผ่านที่ชั้นบรรยากาศโลกค่อยๆ กระจายตัวไปสู่สภาวะระหว่างดาวเคราะห์ โดยไม่มีขอบเขตที่ชัดเจนที่บ่งบอกถึงจุดสิ้นสุดของชั้นบรรยากาศและการเริ่มต้นของอวกาศ ความหนาแน่นของอนุภาคที่ต่ำมากหมายความว่าแนวคิดเรื่อง “ส่วนบน” ที่ชัดเจนจึงมีความหมายน้อยลงในชั้นนี้
- องค์ประกอบ: เอกโซสเฟียร์มีลักษณะเด่นคือความหนาแน่นของอนุภาคต่ำมาก จนการชนกันระหว่างอะตอมและโมเลกุลเกิดขึ้นได้ยากมาก “อากาศ” ในเอกโซสเฟียร์เบาบางอย่างยิ่ง ทำให้คล้ายกับสุญญากาศของอวกาศมากกว่าเทอร์โมสเฟียร์
- ส่วนประกอบหลักของเอกโซสเฟียร์คือก๊าซที่เบามาก โดยส่วนใหญ่เป็นอะตอมของไฮโดรเจนและฮีเลียม ใกล้กับเอ็กโซเบส ยังมีโมเลกุลที่หนักกว่า เช่น ไนโตรเจน ออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ ในปริมาณเล็กน้อย
- เนื่องจากความหนาแน่นต่ำมาก อนุภาคในเอกโซสเฟียร์จึงไม่ได้มีพฤติกรรมเหมือนก๊าซในความหมายดั้งเดิม และอนุภาคเหล่านี้จะหลุดออกไปในอวกาศอย่างต่อเนื่อง มีเพียงก๊าซที่เบาที่สุดเท่านั้นที่พบในชั้นนี้ โดยแทบจะไม่ถูกยึดเหนี่ยวไว้ด้วยแรงโน้มถ่วงของโลก
- องค์ประกอบของเอกโซสเฟียร์ถูกครอบงำด้วยธาตุที่เบาที่สุด ซึ่งมีพลังงานจลน์เพียงพอที่จะเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลกที่ระดับความสูงเหล่านี้ การชนกันที่ไม่บ่อยนักทำให้อนุภาคที่เคลื่อนที่เร็วเหล่านี้เคลื่อนที่ตามวิถีโค้ง โดยบางส่วนหลุดออกไปในอวกาศในที่สุด
- ลักษณะอุณหภูมิ: อุณหภูมิในเอกโซสเฟียร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมาก ขึ้นอยู่กับกิจกรรมของดวงอาทิตย์และระดับความสูง โดยทั่วไปจะร้อนมาก โดยอาจสูงถึง 2,000 องศาเซลเซียส (3,632 องศาฟาเรนไฮต์) หรือแม้แต่ 2,700 องศาฟาเรนไฮต์ (1,500 องศาเซลเซียส) ในช่วงที่เกิดพายุสุริยะรุนแรง อย่างไรก็ตาม ในเวลากลางคืน อุณหภูมิอาจลดลงอย่างมาก
- แม้ว่าอุณหภูมิจะสูง แต่ความหนาแน่นต่ำมากหมายความว่าไม่มีอากาศให้หายใจ และจะรู้สึกหนาวมากเนื่องจากมีโมเลกุลน้อยเกินไปที่จะถ่ายเทความร้อน
- เช่นเดียวกับเทอร์โมสเฟียร์ อุณหภูมิทางจลน์ที่สูงของเอกโซสเฟียร์ไม่ได้แปลเป็นความรู้สึกร้อนเนื่องจากระยะห่างที่กว้างขวางระหว่างอนุภาคที่กระจัดกระจาย ความคิดเรื่องอุณหภูมิในสภาพแวดล้อมที่ใกล้เคียงสุญญากาศเช่นนี้หมายถึงพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคแต่ละอนุภาคมากกว่าพลังงานความร้อนโดยรวม
- ลักษณะความดัน: ความดันในเอกโซสเฟียร์ต่ำมาก จนถือได้ว่าเป็นสุญญากาศ อากาศเบาบางมากจนมักถูกเปรียบเทียบกับสุญญากาศของอวกา
- เอกโซสเฟียร์แสดงถึงขีดจำกัดสูงสุดของชั้นบรรยากาศโลกในแง่ของความดัน โดยความหนาแน่นของอนุภาคก๊าซนั้นน้อยมาก การเปลี่ยนผ่านไปสู่อวกาศระหว่างดาวเคราะห์ถูกทำเครื่องหมายด้วยการลดลงของความดันบรรยากาศที่น้อยอยู่แล้วจนแทบไม่มี
- ปรากฏการณ์สำคัญ: อะตอมและโมเลกุลของก๊าซในเอกโซสเฟียร์เคลื่อนที่ตามวิถีโค้งภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง คล้ายกับการโยนลูกบอลที่โค้งกลับลงสู่โลก อย่างไรก็ตาม อนุภาคที่เคลื่อนที่เร็วกว่าบางส่วน โดยเฉพาะอนุภาคที่เบากว่า สามารถบรรลุความเร็วหลุดพ้นและหลุดออกไปในอวกาศ ส่งผลให้ชั้นบรรยากาศค่อยๆ “รั่วไหล” ออกไปในอวกาศในแต่ละปี
- ดาวเทียมได้ตรวจพบแสงอัลตราไวโอเลตเรืองแสงจางๆ ที่เรียกว่าจีโอโคโรนา ที่ระดับความสูงถึง 100,000 กิโลเมตร (62,000 ไมล์) แสงนี้เกิดจากการกระเจิงของอะตอมไฮโดรเจนในชั้นบรรยากาศส่วนบนสุด
- ดาวเทียมส่วนใหญ่ของโลก รวมถึงดาวเทียม GPS ดาวเทียมสื่อสาร และดาวเทียมตรวจอากาศ โคจรอยู่ในเอกโซสเฟียร์หรือเทอร์โมสเฟียร์ที่อยู่ด้านล่าง สถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) โคจรอยู่ในเทอร์โมสเฟียร์ ใกล้กับขอบเขตล่างของเอกโซสเฟียร์
- แม้ว่าชั้นบรรยากาศจะเบาบางมากในเอกโซสเฟียร์ (และเทอร์โมสเฟียร์) แต่ก็ยังมีอากาศเพียงพอที่จะทำให้เกิดแรงต้านเล็กน้อยต่อดาวเทียมที่โคจรอยู่ในชั้นเหล่านี้ แรงต้านนี้ หรือที่เรียกว่า “การเสื่อมวงโคจร” ค่อยๆ ทำให้ยานอวกาศช้าลง ทำให้ต้องมีการปรับวงโคจรเป็นระยะ
- เอกโซสเฟียร์มีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคจากลมสุริยะ ซึ่งสามารถส่งผลต่อองค์ประกอบและพลวัตของชั้นนี้ได้
- เอกโซสเฟียร์เป็นบริเวณที่ชั้นบรรยากาศโลกเชื่อมต่อกับสภาพแวดล้อมในอวกาศ โดยมีลักษณะเด่นคือการหลุดหนีของก๊าซในชั้นบรรยากาศและการมีปฏิสัมพันธ์กับลมสุริยะ ในขณะเดียวกันก็ทำหน้าที่เป็นพื้นที่โคจรที่สำคัญสำหรับดาวเทียมจำนวนมาก สมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงของโลกและพลังงานจลน์ของอนุภาคก๊าซเป็นตัวกำหนดว่าอนุภาคเหล่านั้นจะยังคงถูกยึดเหนี่ยวไว้หรือหลุดออกไปในอวกาศ
- ขอบเขตกับอวกาศ: ไม่มีขอบเขตบนที่ชัดเจนที่เอกโซสเฟียร์จะจางหายไปในอวกาศ คำจำกัดความที่แตกต่างกันกำหนดขอบเขตบนสุดของเอกโซสเฟียร์ที่ระดับความสูงต่างๆ กัน ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศที่ค่อยๆ ลดล
- แม้ว่าจะไม่มีระดับความสูงที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปสำหรับการเริ่มต้นของอวกาศ แต่โดยทั่วไปนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่จะใช้เส้นคาร์มาน ซึ่งตั้งอยู่ที่ 100 กิโลเมตร (62 ไมล์) เหนือพื้นผิวโลก (ภายในเทอร์โมสเฟียร์) เป็นจุดแบ่ง เนื่องจาก 99.99997 เปอร์เซ็นต์ของชั้นบรรยากาศโลกอยู่ต่ำกว่าจุดนี้
- อย่างไรก็ตาม ส่วนที่อยู่ไกลที่สุดของชั้นบรรยากาศโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งจีโอโคโรนา (กลุ่มเมฆอะตอมไฮโดรเจนในเอกโซสเฟียร์) อาจขยายออกไปเกือบ 391,000 ไมล์ (629,300 กิโลเมตร) ในอวกาศ ซึ่งไกลเกินกว่าเส้นคาร์มาน (Kármán Line)
- การกำหนดขอบเขตที่แม่นยำระหว่างชั้นบรรยากาศโลกและอวกาศนั้นค่อนข้างเป็นไปตามข้อตกลง เนื่องจากมีการเปลี่ยนผ่านอย่างค่อยเป็นค่อยไปมากกว่าการเปลี่ยนแปลงที่กะทันหัน เส้นคาร์มานแสดงถึงขอบเขตที่ใช้งานได้จริงตามหลักการทางอากาศพลศาสตร์ ในขณะที่จีโอโคโรนาแสดงถึงขอบเขตที่ไกลที่สุดของอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของโลกที่มีต่อชั้นบรรยากาศ
ชั้นบรรยากาศโลกมีบทบาทสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตบนโลกอย่างมาก การทำความเข้าใจโครงสร้างและองค์ประกอบของชั้นบรรยากาศจะช่วยให้เราตระหนักถึงความสำคัญของการดูแลรักษาสิ่งแวดล้อมและปกป้องโลกของเราจากภัยคุกคามต่างๆ
