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वायुमंडल, सूर्यातप और तापमान

जलवायु विज्ञान: वायुमंडल, पवनें, मौसम तंत्र और विश्व की जलवायु · भाग 1 / 4 · तथ्य-जाँच की तिथि 8 November 2026 · हम कैसे जाँचते हैं

स्रोतों (नीचे सूचीबद्ध) से AI की मदद से लिखा गया, फिर एक अलग AI से तथ्य-जाँच की गई।

वायु किससे बनी है, क्षोभमंडल से बहिर्मंडल तक वायुमंडल की परतें और ओज़ोन परत, सूर्यातप और उसे नियंत्रित करने वाले कारक, वायुमंडल कैसे गर्म होता है और हरितगृह प्रभाव, ऊष्मा बजट और ऐल्बिडो, तापमान का वितरण और समताप रेखाएँ, और तापमान व्युत्क्रमण।

मौसम और जलवायु पृथ्वी के चारों ओर लिपटे वायु के एक पतले आवरण, वायुमंडल, में घटित होते हैं। मौसम किसी स्थान और समय पर वायु की दशा है; जलवायु लंबी अवधि, सामान्यतः तीस वर्ष या अधिक, के मौसम का औसत प्रतिरूप है। यह अध्याय विषय को चार चरणों में खड़ा करता है: पहले स्वयं वायु और सूर्य उसे कैसे गर्म करता है, फिर दाब और पवनें, फिर नमी और तूफ़ान, और अंत में वे जलवायु प्रकार जिनमें संसार बाँटा जाता है। यह पहला भाग समझाता है कि वायुमंडल किससे बना है, उसकी परतें कैसी हैं, सूर्य का प्रकाश पृथ्वी को कैसे गर्म करता है, और तापमान जगह-जगह अलग क्यों होता है।

शुष्क वायु गैसों का मिश्रण है जिनका अनुपात सतह के पास उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहता है। आयतन के अनुसार नाइट्रोजन लगभग 78 प्रतिशत और ऑक्सीजन लगभग 21 प्रतिशत है; अक्रिय गैस आर्गन शेष एक प्रतिशत का अधिकांश भाग है। कार्बन डाइऑक्साइड का हिस्सा बहुत छोटा है, NOAA के 2020 के दशक के मध्य के मापों के अनुसार 0.04 प्रतिशत से कुछ अधिक, पर यह अपने हिस्से से कहीं अधिक महत्त्वपूर्ण है, क्योंकि यह पृथ्वी द्वारा विकिरित ऊष्मा को सोखती है और पौधे प्रकाश-संश्लेषण में इसका उपयोग करते हैं। औद्योगिक क्रांति के बाद से इसकी सांद्रता लगातार बढ़ रही है, मुख्यतः जीवाश्म ईंधनों के जलने के कारण। वायुमंडल के द्रव्यमान का लगभग आधा भाग लगभग 5.5 किमी से नीचे है, इसलिए ऊँचाई के साथ वायु तेज़ी से विरल होती है, और इसी कारण ऊँची चोटियों पर पर्वतारोहियों को अतिरिक्त ऑक्सीजन चाहिए।

जलवाष्प ठंडी, शुष्क मरुस्थलीय वायु में लगभग नहीं के बराबर हो सकती है पर गर्म, आर्द्र उष्णकटिबंधीय वायु के आयतन का लगभग चार प्रतिशत तक हो सकती है। यह बादलों, वर्षा और हिम का कच्चा माल है, यह पृथ्वी द्वारा विकिरित ऊष्मा सोखती है, और वाष्पित होकर फिर संघनित होने पर ऊर्जा को एक स्थान से दूसरे स्थान ले जाती है। वायु में छोटे ठोस और द्रव कण भी होते हैं, जिन्हें एरोसोल कहते हैं: धूल, समुद्री नमक, धुआँ, पराग और कालिख। ये कण नाभिक का काम करते हैं जिनके चारों ओर जलवाष्प संघनित होकर बूँदें बनाती है, इसलिए इनके बिना बादल बहुत कठिनाई से बनते। ये सूर्य के प्रकाश को प्रकीर्णित भी करते हैं, और यही एक कारण है कि सूर्योदय और सूर्यास्त के समय आकाश लाल और नारंगी हो जाता है।

वैज्ञानिक वायुमंडल को इस आधार पर परतों में बाँटते हैं कि ऊँचाई के साथ तापमान कैसे बदलता है। सबसे निचली परत, क्षोभमंडल, में वायु का अधिकांश द्रव्यमान और लगभग सारी जलवाष्प होती है, और लगभग सारा मौसम इसी में घटित होता है। इसकी मोटाई बदलती है: भूमध्यरेखा पर लगभग 18 किमी, जहाँ तेज़ तापन ऊँची संवहन धाराएँ चलाता है, पर ध्रुवों पर केवल लगभग 8 किमी। इसके भीतर तापमान सामान्यतः ऊँचाई के साथ औसतन लगभग 6.5 °C प्रति किलोमीटर घटता है, जिसे सामान्य ह्रास दर कहते हैं, क्योंकि वायु मुख्यतः नीचे की भूमि से गर्म होती है। इसी कारण शिमला या ऊटी जैसे पर्वतीय स्थान आसपास के मैदानों से ठंडे होते हैं। क्षोभमंडल का ऊपरी छोर क्षोभसीमा है, एक सीमा क्षेत्र जहाँ तापमान का घटना रुक जाता है।

क्षोभसीमा के ऊपर समतापमंडल है, जो लगभग 50 किमी तक फैला है। यहाँ तापमान पहले स्थिर रहता है और फिर ऊँचाई के साथ बढ़ता है, जो क्षोभमंडल का उलटा है। इसका कारण ओज़ोन परत है, समतापमंडल के भीतर का वह क्षेत्र जहाँ ओज़ोन, ऑक्सीजन का वह रूप जिसके हर अणु में तीन परमाणु होते हैं, सबसे अधिक सांद्र है। ओज़ोन सूर्य के अधिकांश हानिकारक पराबैंगनी विकिरण को सोखती है, और सोखी गई ऊर्जा ऊपरी समतापमंडल को गर्म करती है; इस कवच के बिना कहीं अधिक पराबैंगनी प्रकाश भूमि तक पहुँचता और त्वचा, आँखों और फ़सलों को हानि पहुँचाता। समतापमंडल शांत है और बादलों तथा जलवाष्प से लगभग मुक्त है, इसलिए लंबी दूरी के जेट विमान प्रायः इसके सबसे निचले भाग में उड़ते हैं। 1980 के दशक से वैज्ञानिकों ने अंटार्कटिका के ऊपर ओज़ोन के गंभीर मौसमी क्षरण, 'ओज़ोन छिद्र', को दर्ज किया, जिसका मुख्य कारण क्लोरोफ़्लोरोकार्बनों से आने वाली क्लोरीन थी; 1987 के मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल ने इन रसायनों को चरणबद्ध रूप से समाप्त करने का लक्ष्य रखा।

समतापमंडल के ऊपर मध्यमंडल लगभग 80–85 किमी तक फैला है। यहाँ तापमान फिर ऊँचाई के साथ घटता है और इसके ऊपरी छोर के पास वायुमंडल में कहीं भी सबसे कम, लगभग शून्य से 90 °C नीचे, पहुँच जाता है। अधिकांश उल्काएँ इसी परत में जल जाती हैं, जिससे 'टूटते तारे' दिखते हैं। इसके और ऊपर तापमंडल है, जहाँ विरल वायु उच्च-ऊर्जा सौर विकिरण सोखती है और तापमान बहुत तेज़ी से चढ़ता है, यद्यपि वायु इतनी विरल है कि गर्म महसूस नहीं होगी। इसी क्षेत्र में आयनमंडल है, जहाँ सौर विकिरण परमाणुओं से इलेक्ट्रॉन अलग कर विद्युत-आवेशित कण बनाता है; ये कुछ रेडियो तरंगों को पृथ्वी की ओर वापस परावर्तित करते हैं, जिससे लंबी दूरी का रेडियो संचार संभव होता है, और ध्रुवों के पास ध्रुवीय ज्योति (ऑरोरा) के रूप में चमकते हैं। अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन तापमंडल में परिक्रमा करता है। सबसे बाहरी क्षेत्र, बहिर्मंडल, का कोई तीखा ऊपरी किनारा नहीं है और यह धीरे-धीरे अंतरिक्ष में विलीन हो जाता है; सबसे हल्की गैसें, हाइड्रोजन और हीलियम, यहीं से निकल जाती हैं।

मौसम को चलाने वाली ऊर्जा सूर्य से आती है। पृथ्वी की सतह पर प्राप्त सौर ऊर्जा को सूर्यातप कहते हैं, जो आने वाले सौर विकिरण का संक्षिप्त रूप है, और यह मुख्यतः लघु तरंगों के रूप में आती है। किसी स्थान को मिलने वाली मात्रा कई कारकों पर निर्भर है। सबसे महत्त्वपूर्ण सूर्य की किरणों का कोण है: जब सूर्य ऊँचा होता है, तो प्रकाश की किरण-पुंज छोटे क्षेत्र पर पड़ती है और कम वायु से गुज़रती है, इसलिए वह तिरछी, पतली फैली किरण-पुंज से अधिक गर्म करती है। दिन की लंबाई भी मायने रखती है। बादल, धूल और जलवाष्प भूमि तक पहुँचने वाली मात्रा घटाते हैं, और ढलानों पर पहाड़ी किस दिशा की ओर है, इससे अंतर पड़ता है। भूमध्यरेखा के पास बादल अधिक होते हैं, इसलिए सतह पर सबसे अधिक सूर्यातप भूमध्यरेखा पर नहीं, बल्कि साफ़ आकाश वाले उपोष्ण मरुस्थलों पर प्राप्त होता है।

अधिकांश सूर्य-प्रकाश वायु से गुज़र कर भूमि और समुद्र द्वारा सोखा जाता है, जो फिर अपने ऊपर की वायु को गर्म करते हैं। वायु मुख्यतः चार तरह से गर्म होती है। चालन गर्म भूमि से उसके सीधे संपर्क वाली वायु तक ऊष्मा पहुँचाता है। संवहन उस गर्म वायु को ऊपर उठती धाराओं में ऊपर ले जाता है, मुख्यतः क्षोभमंडल के भीतर। अभिवहन पवन के साथ ऊष्मा को क्षैतिज रूप से ले जाता है; मई-जून में उत्तर भारत में चलने वाली गर्म, शुष्क लू इसका उदाहरण है। अंत में, गर्म हुई पृथ्वी ऊर्जा को दीर्घ-तरंग अवरक्त विकिरण के रूप में वापस विकिरित करती है, और वायुमंडल उसका बहुत भाग सोख लेता है; यही मुख्य कारण है कि वायु नीचे से गर्म होती है। जलवाष्प, कार्बन डाइऑक्साइड, मीथेन और नाइट्रस ऑक्साइड इस बाहर जाती ऊष्मा को सोख कर उसका कुछ भाग वापस नीचे भेजती हैं, जिसे हरितगृह प्रभाव कहते हैं। इसके बिना पृथ्वी की सतह का औसत तापमान लगभग 15 °C के बजाय लगभग शून्य से 18 °C नीचे होता।

एक वर्ष में पृथ्वी जो ऊर्जा सोखती है उसका संतुलन उस ऊर्जा से हो जाता है जो वह अंतरिक्ष में वापस भेजती है। इस संतुलन को ऊष्मा बजट कहते हैं। NASA के अनुमानों के अनुसार यह मोटे तौर पर इस प्रकार है: वायुमंडल के शीर्ष पर पहुँचने वाले सूर्य-प्रकाश का लगभग 30 प्रतिशत बादल, वायु और हिम तथा मरुस्थल जैसी चमकीली सतहें सीधे अंतरिक्ष में परावर्तित कर देती हैं; लगभग एक-चौथाई वायुमंडल सोखता है; और लगभग आधा सतह पर सोखा जाता है। परावर्तित होने वाले भाग को ऐल्बिडो कहते हैं। ताज़ा हिम और बर्फ़ अपने ऊपर पड़ने वाले अधिकांश प्रकाश को परावर्तित करते हैं, जबकि वन और खुला महासागर बहुत कम परावर्तित करते हैं, इसलिए पिघलती बर्फ़ गहरे रंग की भूमि और जल को खोल देती है और तापन को तेज़ करती है। यह संतुलन सभी अक्षांशों पर समान नहीं है: निम्न अक्षांश जितनी ऊर्जा विकिरित करते हैं उससे अधिक पाते हैं, जबकि उच्च अक्षांश जितना पाते हैं उससे अधिक खोते हैं। पवनें और महासागरीय धाराएँ अधिशेष ऊष्मा को ध्रुवों की ओर ले जाती हैं।

सतह का तापमान कई नियंत्रकों पर निर्भर है। अक्षांश पहला है, क्योंकि वह सूर्य का कोण और दिन की लंबाई तय करता है। ऊँचाई ह्रास दर से जुड़ी है, इसलिए एक ही अक्षांश पर ऊँचे पठार निचली भूमि से ठंडे होते हैं। समुद्र से दूरी महत्त्वपूर्ण है क्योंकि जल भूमि की तुलना में बहुत धीरे गर्म और ठंडा होता है: तटीय स्थानों की जलवायु सम, समुद्री होती है जिसमें गर्मी और सर्दी में कम अंतर होता है, जबकि बड़े महाद्वीपों के भीतरी भागों की जलवायु महाद्वीपीय होती है जिसमें गर्म ग्रीष्म और बहुत ठंडी शीत ऋतु होती है। महासागरीय धाराएँ और प्रचलित पवनें कहीं और से गर्मी या ठंड लाती हैं। तापमान के प्रतिरूप मानचित्रों पर समताप रेखा से दिखाए जाते हैं, जो समान तापमान वाले स्थानों को मिलाने वाली रेखा है। जनवरी में उत्तरी गोलार्ध में समताप रेखाएँ ठंडे महाद्वीपों के ऊपर भूमध्यरेखा की ओर और अधिक गर्म महासागरों के ऊपर ध्रुव की ओर मुड़ती हैं; जुलाई में यह प्रतिरूप उलट जाता है। तापमान का सबसे बड़ा वार्षिक परिसर उत्तर-पूर्वी एशिया के भीतरी भाग, साइबेरिया, में मिलता है।

सामान्यतः ऊँचाई के साथ वायु ठंडी होती जाती है, पर कभी-कभी भूमि के पास की ठंडी वायु के ऊपर गर्म वायु की परत टिक जाती है। इस उलटाव को तापमान व्युत्क्रमण कहते हैं। यह सबसे आसानी से साफ़ आकाश और शांत, शुष्क वायु वाली लंबी शीत रातों में बनता है: भूमि विकिरण से तेज़ी से ऊष्मा खोती है, ठीक ऊपर की वायु को ठंडा करती है, और परतों को मिलाने के लिए कोई पवन नहीं होती। पहाड़ी क्षेत्रों में ठंडी, सघन वायु रात में ढलानों से नीचे खिसक कर घाटी के तल में जमा होती है, जिसे वायु अपवाह कहते हैं, इसलिए घाटी के तल पर पाला पड़ सकता है जबकि ऊपर की ढलानें कम ठंडी रहती हैं; इसीलिए पाले से प्रभावित होने वाली फ़सलें प्रायः गर्तों के बजाय ढलानों पर उगाई जाती हैं। व्युत्क्रमण ठंडी वायु पर ढक्कन की तरह काम करता है। इसके नीचे कोहरा आसानी से बनता है, और धुआँ तथा प्रदूषक भूमि के पास फँस जाते हैं, जो एक कारण है कि उत्तर भारत के शहरों में शीतकालीन धूम-कोहरा इतना गंभीर होता है।

इस भाग के टुकड़े एक शृंखला में जुड़ते हैं। सूर्य लघु-तरंग सूर्यातप देता है, जिसका अधिकांश भाग वायुमंडल से होकर भूमि को गर्म करता है; भूमि चालन, संवहन और दीर्घ-तरंग विकिरण द्वारा वायु को नीचे से गर्म करती है, इसीलिए क्षोभमंडल में ऊँचाई के साथ तापमान घटता है और हरितगृह प्रभाव ग्रह को रहने योग्य बनाए रखता है। ऊष्मा बजट पूरे ग्लोब पर संतुलित है पर हर अक्षांश पर नहीं, इसलिए उष्णकटिबंध में अधिशेष और ध्रुवों पर घाटा रहता है, और वायुमंडल तथा महासागरों को उनके बीच ऊष्मा ले जानी पड़ती है। तापमान और इसलिए दाब के अंतरों से चलने वाली वायु की यही गति अगले भाग का विषय है: दाब पेटियाँ, पवनें और जेट धाराएँ।

परीक्षा में ध्यान दें

• क्षोभमंडल भूमध्यरेखा पर सबसे मोटा (लगभग 18 किमी) और ध्रुवों पर सबसे पतला (लगभग 8 किमी) है, उलटा नहीं।
• क्षोभमंडल और मध्यमंडल में ऊँचाई के साथ तापमान घटता है पर समतापमंडल (ओज़ोन के कारण) और तापमंडल में बढ़ता है।
• वायुमंडल में सबसे कम तापमान मध्यमंडल में है, समतापमंडल या तापमंडल में नहीं; उल्काएँ वहीं जलती हैं।
• ओज़ोन परत समतापमंडल में है; रेडियो तरंगें तापमंडल के आयनमंडल से परावर्तित होती हैं।
• सतह पर अधिकतम सूर्यातप उपोष्ण मरुस्थलों पर है, भूमध्यरेखा पर नहीं, क्योंकि भूमध्यरेखा पर बादल रहते हैं।
• वायुमंडल मुख्यतः नीचे से पार्थिव (दीर्घ-तरंग) विकिरण से गर्म होता है, आने वाले लघु-तरंग सूर्य-प्रकाश से सीधे नहीं।
• अभिवहन पवन द्वारा ऊष्मा का क्षैतिज स्थानांतरण है (लू); संवहन ऊर्ध्वाधर है।
• तापमान व्युत्क्रमण के लिए लंबी, साफ़, शांत शीत रातें चाहिए; बादल या पवन वाली रातें इसे रोकती हैं।

पुनरावृत्ति

• शुष्क वायु: नाइट्रोजन लगभग 78%, ऑक्सीजन लगभग 21%, शेष का अधिकांश आर्गन; कार्बन डाइऑक्साइड 0.04% से कुछ अधिक (NOAA, 2020 के दशक का मध्य) और बढ़ रही है।
• जलवाष्प (लगभग 4% तक) और एरोसोल बदलते हैं; एरोसोल संघनन नाभिक का काम करते हैं।
• क्षोभमंडल: मौसम की परत, भूमध्यरेखा पर लगभग 18 किमी और ध्रुवों पर 8 किमी; तापमान लगभग 6.5 °C प्रति किमी घटता है।
• समतापमंडल: ओज़ोन परत पराबैंगनी सोखती है; तापमान बढ़ता है; मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल (1987) ओज़ोन-क्षयकारी रसायनों को लक्ष्य बनाता है।
• मध्यमंडल सबसे ठंडा (उल्काएँ); तापमंडल में आयनमंडल (रेडियो तरंगें, ध्रुवीय ज्योति); बहिर्मंडल अंतरिक्ष में विलीन।
• सूर्यातप सूर्य के कोण, दिन की लंबाई, वायु की पारदर्शिता और ढलान पर निर्भर; उपोष्ण मरुस्थलों पर सबसे अधिक।
• वायु चालन, संवहन, अभिवहन और दीर्घ-तरंग विकिरण से गर्म होती है; हरितगृह गैसें सतह को −18 °C के बजाय लगभग 15 °C पर रखती हैं।
• ऊष्मा बजट: लगभग 30% परावर्तित (ऐल्बिडो), लगभग एक-चौथाई वायु द्वारा, लगभग आधा सतह द्वारा सोखा; निम्न अक्षांशों का अधिशेष ध्रुवों की ओर जाता है।
• जनवरी में उत्तरी गोलार्ध में समताप रेखाएँ महाद्वीपों पर भूमध्यरेखा की ओर मुड़ती हैं; सबसे बड़ा वार्षिक परिसर साइबेरिया में।
• व्युत्क्रमण साफ़, शांत शीत रातों में; ठंडी वायु घाटियों में बहती है; नीचे कोहरा और धूम-कोहरा फँसते हैं।

अभ्यास प्रश्न

स्रोत

• NOAA National Weather Service, JetStream online school: the atmosphere, its composition and layers, temperature inversions (US government) — https://www.noaa.gov/jetstream/atmosphere
• NASA Earth Observatory: Climate and Earth's Energy Budget; incoming sunlight, albedo and the greenhouse effect (US government) — https://earthobservatory.nasa.gov/features/EnergyBalance
• India Meteorological Department, Ministry of Earth Sciences: meteorological glossary and public material on temperature, heat waves, fog and cold waves — https://mausam.imd.gov.in
• Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer (1987), UNEP Ozone Secretariat — https://ozone.unep.org/treaties/montreal-protocol
• NOAA Global Monitoring Laboratory: trends in atmospheric carbon dioxide (Mauna Loa record) — https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/