English · हिन्दी · తెలుగు · தமிழ் · മലയാളം · मराठी · ಕನ್ನಡ
The atmosphere, insolation and temperature
What the air is made of, the layers of the atmosphere from the troposphere to the exosphere and the ozone layer, insolation and the factors that control it, how the atmosphere is heated and the greenhouse effect, the heat budget and albedo, the distribution of temperature and isotherms, and temperature inversion.
వాతావరణం భూమి చుట్టూ చుట్టిన పల్చని గాలి దుప్పటి. ఈ రోజు ఇక్కడ వర్షం పడుతోందా, ఎండగా ఉందా అనేది ఆ రోజు వాతావరణ స్థితి (వెదర్); ముప్పై ఏళ్ల సగటు తీరు శీతోష్ణస్థితి (క్లైమేట్) — ఒక రోజు మూడ్ వేరు, మనిషి స్వభావం వేరు అన్నట్టు. ఈ భాగంలో గాలి దేనితో తయారైంది, దాని పొరలు, సూర్యుడు భూమిని ఎలా వేడి చేస్తాడు, ఉష్ణోగ్రత చోటుచోటుకు ఎందుకు మారుతుంది అనేవి చూస్తాం. (→ English: atmosphere · हिन्दी: वायुमंडल)
పొడి గాలిలో నైట్రోజన్ దాదాపు 78 శాతం, ఆక్సిజన్ 21 శాతం, మిగిలిన ఒక్క శాతంలో ఎక్కువ ఆర్గాన్. కార్బన్ డయాక్సైడ్ 0.04 శాతమే — కూరలో ఉప్పు చిటికెడే, కానీ రుచి మొత్తం దానిదే అన్నట్టు: అది భూమి వేడిని పట్టుకుంటుంది, మొక్కలు దాన్ని వాడుకుంటాయి. బొగ్గు, పెట్రోలు కాల్చడం వల్ల అది పెరుగుతూనే ఉంది. వాతావరణం బరువులో సగం 5.5 కి.మీ. లోపలే — అందుకే ఎవరెస్ట్ ఎక్కేవాళ్లకు ఆక్సిజన్ సిలిండర్లు. (→ English: atmosphere · हिन्दी: वायुमंडल)
మరో రెండు పదార్థాలు చోటుచోటుకు చాలా మారతాయి. నీటి ఆవిరి — ఎడారి చలిగాలిలో దాదాపు సున్నా, వేడి తేమ గాలిలో నాలుగు శాతం దాకా. అదే మేఘాలకు, వానకు ముడిసరుకు; ఆవిరై, మళ్లీ ఘనీభవించేటప్పుడు వేడిని ఒక చోటి నుంచి మరో చోటికి మోసుకెళ్తుంది. దుమ్ము, సముద్ర ఉప్పు, పొగ వంటి సూక్ష్మ కణాలు — వాటి చుట్టూనే నీటి బిందువులు ఏర్పడతాయి, ముత్యం ఇసుక రేణువు చుట్టూ పెరిగినట్టు. సూర్యోదయం, సూర్యాస్తమయం ఎర్రగా కనిపించడానికి ఇవీ ఒక కారణం. (→ English: atmosphere · हिन्दी: वायुमंडल)
ఉష్ణోగ్రత ఎత్తుతో ఎలా మారుతుందో చూసి వాతావరణాన్ని పొరలుగా విభజిస్తారు. అడుగు పొర ట్రోపోస్ఫియర్ — గాలి బరువులో ఎక్కువ, దాదాపు ఆవిరంతా ఇక్కడే; వాన, తుఫాను అంతా ఇక్కడే. భూమధ్యరేఖ దగ్గర 18 కి.మీ., ధ్రువాల దగ్గర 8 కి.మీ. మందం. ఇక్కడ ప్రతి కిలోమీటరు ఎత్తుకు సుమారు 6.5 డిగ్రీలు చల్లబడుతుంది — ఇదే సాధారణ ఉష్ణోగ్రత క్షీణత రేటు; పొయ్యి మీది గిన్నెలా గాలి కింది నుంచే వేడెక్కుతుంది కాబట్టి. అందుకే ఊటీ చల్లగా ఉంటుంది. పైన సరిహద్దు ట్రోపోపాజ్. (→ English: troposphere, normal lapse rate · हिन्दी: क्षोभमंडल, सामान्य ह्रास दर)
ట్రోపోపాజ్ పైన 50 కి.మీ. దాకా స్ట్రాటోస్ఫియర్. ఇక్కడ పైకి పోయే కొద్దీ వేడి పెరుగుతుంది — కారణం ఓజోన్ పొర. ఓజోన్ సూర్యుడి హానికర అతినీలలోహిత కిరణాలను పీల్చుకుంటుంది — ఎండలో గొడుగులా; ఆ శక్తితోనే పై భాగం వేడెక్కుతుంది. మేఘాలు, ఆవిరి దాదాపు లేని ప్రశాంత పొర కాబట్టి జెట్ విమానాలు దాని కింది భాగంలో ఎగురుతాయి. 1980ల నుంచి అంటార్కిటికా మీద ఓజోన్ రంధ్రం కనిపించింది; CFC రసాయనాలను దశలవారీగా ఆపడానికి 1987లో మాంట్రియల్ ప్రోటోకాల్. (→ English: stratosphere, ozone layer · हिन्दी: समतापमंडल, ओज़ोन परत)
స్ట్రాటోస్ఫియర్ పైన 80–85 కి.మీ. దాకా మీసోస్ఫియర్ — మళ్ళీ చల్లబడుతుంది, మైనస్ 90 డిగ్రీలు, వాతావరణంలోనే అతి చల్లని చోటు. రాలే నక్షత్రాలు ఇక్కడే కాలిపోతాయి. ఆ పైన థర్మోస్ఫియర్ — ఉష్ణోగ్రత చాలా పెరుగుతుంది, కానీ గాలి అంత పల్చన కాబట్టి వేడి అనిపించదు. అందులో అయనోస్ఫియర్ — ఆవేశపూరిత కణాలు రేడియో తరంగాలను అద్దంలా వెనక్కి పంపుతాయి, ధ్రువాల దగ్గర ధ్రువజ్యోతులుగా మెరుస్తాయి. అంతరిక్ష కేంద్రం థర్మోస్ఫియర్లో తిరుగుతుంది. చివరి పొర ఎక్సోస్ఫియర్ అంతరిక్షంలో కలిసిపోతుంది. (→ English: ionosphere · हिन्दी: आयनमंडल)
| Layer | Approximate height | Temperature with height | Key features |
|---|---|---|---|
| Troposphere | Surface to about 8 km (poles) and 18 km (equator) | Falls (about 6.5 °C per km) | Most mass and water vapour; weather |
| Stratosphere | Tropopause to about 50 km | Steady, then rises | Ozone layer; calm air used by jet aircraft |
| Mesosphere | About 50 to 80–85 km | Falls to the coldest values (about −90 °C) | Meteors burn up |
| Thermosphere | Above about 85 km | Rises steeply | Ionosphere reflects radio waves; auroras; space station orbit |
| Exosphere | Outermost, no sharp limit | Very thin air | Hydrogen and helium escape to space |
వాతావరణాన్ని నడిపే శక్తి సూర్యుడిదే. భూమి ఉపరితలానికి చేరే సౌరశక్తి సూర్యపుటం. సూర్యుడు నెత్తి మీద ఉంటే కిరణాలు చిన్న చోటు మీద పడి గట్టిగా కాలుస్తాయి; వాలుగా పడితే పరచుకుని బలహీనం — టార్చ్ను నేరుగా, వాలుగా గోడ మీద వేసి చూడండి. పగలు పొడవు, మేఘాలు, దుమ్ము, కొండ ఏ దిశకు తిరిగి ఉందనేదీ ముఖ్యం. భూమధ్యరేఖ మీద మేఘాలు ఎక్కువ కాబట్టి ఎక్కువ సూర్యపుటం పొందేది స్వచ్ఛమైన ఆకాశం ఉన్న ఉపఉష్ణమండల ఎడారులే. (→ English: insolation · हिन्दी: सूर्यातप)
సూర్యకాంతి ఎక్కువగా గాలిని దాటి నేల, సముద్రాలను వేడి చేస్తుంది; అవి పై గాలిని వేడి చేస్తాయి. నాలుగు మార్గాలు: తాకడం ద్వారా (వహనం), వేడిగాలి పైకి లేవడం (సంవహనం), గాలితో పక్కకు వేడి కదలడం (అభివహనం — ఉత్తర భారతంలో వేసవి 'లూ' గాలి), భూమి తిరిగి విడిచే దీర్ఘ తరంగ వికిరణం. ఆవిరి, కార్బన్ డయాక్సైడ్, మీథేన్ ఆ వేడిని పట్టి కొంత కిందకు పంపుతాయి — ఇదే హరితగృహ ప్రభావం; ఎండలో ఆపిన కారు లోపల వేడెక్కినట్టు. అది లేకపోతే భూమి సగటు మైనస్ 18 డిగ్రీలు, ఉన్నందుకే 15. (→ English: greenhouse effect · हिन्दी: हरितगृह प्रभाव)
భూమి ఏడాదిలో పెద్దగా వేడెక్కదు, చల్లబడదు — వచ్చిన శక్తి, తిరిగి పోయే శక్తి సమానం; ఇదే ఉష్ణ బడ్జెట్, ఇంటి జమాఖర్చుల లెక్కలా. నాసా అంచనా: వచ్చే సూర్యకాంతిలో 30 శాతం మేఘాలు, మంచు వెనక్కి పంపుతాయి; పావు భాగం గాలి పీల్చుకుంటుంది; సగం నేల. వెనక్కి పంపే భాగం ఆల్బిడో — తెల్ల చొక్కా ఎండను తిప్పికొడుతుంది, నల్ల చొక్కా పీల్చుకుంటుంది; మంచు కరిగితే నల్లని నేల బయటపడి వేడి ఇంకా పెరుగుతుంది. భూమధ్యరేఖ దగ్గర మిగులు, ధ్రువాల దగ్గర లోటు — గాలులు, సముద్ర ప్రవాహాలు వేడిని ధ్రువాల వైపు మోస్తాయి. (→ English: heat budget, albedo · हिन्दी: ऊष्मा बजट, ऐल्बिडो)
ఉష్ణోగ్రతను నిర్ణయించేవి: అక్షాంశం, ఎత్తు, సముద్రం నుంచి దూరం, సముద్ర ప్రవాహాలు, గాలులు. నీరు నెమ్మదిగా వేడెక్కి నెమ్మదిగా చల్లబడుతుంది — మట్టి కుండలో నీళ్లు, ఇనుప బకెట్లా కాదు; అందుకే తీర పట్టణాల్లో వేసవి-చలికాలం తేడా తక్కువ, ఖండాల లోపల ఎక్కువ. సమాన ఉష్ణోగ్రత ఉన్న ప్రదేశాలను కలిపే గీత సమోష్ణోగ్రతా రేఖ. జనవరిలో ఉత్తరార్ధగోళంలో ఈ గీతలు చల్లని ఖండాల మీద భూమధ్యరేఖ వైపు వంగుతాయి; జూలైలో తిరగబడతాయి. అతి పెద్ద వార్షిక తేడా సైబీరియాలో. (→ English: isotherm · हिन्दी: समताप रेखा)
సాధారణంగా పైకి వెళ్లే కొద్దీ చల్లగా ఉంటుంది; కానీ కొన్నిసార్లు కింద చల్లగాలి, పైన వెచ్చనిగాలి — ఇదే ఉష్ణోగ్రత విలోమనం. పొడవైన చలికాలపు రాత్రి, మబ్బులేని ఆకాశం, గాలి కదలని వేళ నేల వేడిని త్వరగా కోల్పోయి కింది గాలిని చల్లబరుస్తుంది. కొండల్లో చల్లని బరువైన గాలి రాత్రి లోయలోకి జారి పేరుకుంటుంది — లోయ అడుగు మంచు కప్పుకుంటే, వాలులు వెచ్చగా; అందుకే మంచుకు సున్నితమైన పంటలు వాలుల మీద. పైన వెచ్చని పొర గిన్నెకు మూతలా — కింద పొగమంచు, పొగ ఇరుక్కుపోతాయి; ఉత్తర భారత నగరాల్లో చలికాలం పొగమంచు అందుకే. (→ English: temperature inversion · हिन्दी: तापमान व्युत्क्रमण)
ఈ భాగమంతా ఒక గొలుసు. సూర్యుడు సూర్యపుటం ఇస్తాడు; అది వాతావరణం దాటి నేలను వేడి చేస్తుంది; నేల కింది నుంచి గాలిని వేడి చేస్తుంది — అందుకే ట్రోపోస్ఫియర్లో పైకి పోతే చల్లదనం, హరితగృహ ప్రభావం వల్లే భూమి నివాసయోగ్యం. ఉష్ణ బడ్జెట్ భూమి మొత్తంగా సరిపోతుంది కానీ ప్రతి అక్షాంశంలో కాదు — భూమధ్యరేఖ దగ్గర మిగులు, ధ్రువాల దగ్గర లోటు; ఆ వేడిని మోసే గాలుల కదలిక తర్వాతి భాగం. (→ English: insolation, atmosphere, troposphere, greenhouse effect, heat budget · हिन्दी: सूर्यातप, वायुमंडल, क्षोभमंडल, हरितगृह प्रभाव, ऊष्मा बजट)
Exam traps
- The troposphere is thickest over the equator (about 18 km) and thinnest over the poles (about 8 km), not the other way round.
- Temperature falls with height in the troposphere and mesosphere but rises in the stratosphere (because of ozone) and the thermosphere.
- The mesosphere, not the stratosphere or thermosphere, has the lowest temperatures in the atmosphere; meteors burn up there.
- The ozone layer lies in the stratosphere; radio waves are reflected by the ionosphere in the thermosphere.
- Maximum insolation at the surface is over the subtropical deserts, not at the equator, because the equator is cloudy.
- The atmosphere is heated mainly from below by terrestrial (long-wave) radiation, not directly by incoming short-wave sunlight.
- Advection is horizontal transfer of heat by wind (the Loo); convection is vertical.
- Temperature inversion needs long, clear, calm winter nights; cloudy or windy nights prevent it.
Recap
- Dry air: nitrogen about 78%, oxygen about 21%, argon most of the rest; carbon dioxide a little over 0.04% (NOAA, mid-2020s) and rising.
- Water vapour (up to about 4%) and aerosols vary; aerosols act as condensation nuclei.
- Troposphere: weather layer, about 18 km at the equator and 8 km at the poles; temperature falls about 6.5 °C per km.
- Stratosphere: ozone layer absorbs ultraviolet; temperature rises; Montreal Protocol (1987) targets ozone-depleting chemicals.
- Mesosphere coldest (meteors); thermosphere with the ionosphere (radio waves, auroras); exosphere fades into space.
- Insolation depends on the Sun's angle, day length, transparency of the air and slope; highest over subtropical deserts.
- Air is heated by conduction, convection, advection and long-wave radiation; greenhouse gases keep the surface near 15 °C instead of −18 °C.
- Heat budget: about 30% reflected (albedo), about a quarter absorbed by air, about half by the surface; surplus at low latitudes moves poleward.
- Isotherms bend equatorward over continents in January in the Northern Hemisphere; largest annual range in Siberia.
- Inversion on clear, calm winter nights; cold air drains into valleys; fog and smog are trapped beneath.
Practice questions
Q1. In which layer of the atmosphere is the ozone layer mainly found?
- Troposphere
- Stratosphere
- Mesosphere
- Thermosphere
Show answer
Answer: B. Stratosphere
The ozone layer lies in the stratosphere, which is why temperature rises with height there. The troposphere is the weather layer, the mesosphere is the coldest layer where meteors burn, and the thermosphere contains the ionosphere.
Q2. Consider the following statements about the troposphere:
1. It is thicker over the poles than over the equator.
2. Temperature in it generally decreases with height.
Which of the statements given above is/are correct?
- 1 only
- 2 only
- Both 1 and 2
- Neither 1 nor 2
Show answer
Answer: B. 2 only
Statement 1 is wrong: the troposphere is about 18 km thick over the equator, where strong heating lifts air high, and only about 8 km over the poles. Statement 2 is correct: temperature falls about 6.5 °C per km. So (a) and (c) accept the wrong statement and (d) rejects the correct one.
Q3. The highest amount of insolation at the Earth's surface is received over:
- The equatorial rainforests
- The subtropical hot deserts
- The temperate grasslands
- The polar regions in summer
Show answer
Answer: B. The subtropical hot deserts
Clear skies and a high Sun give the subtropical deserts the most insolation at the surface. The equatorial belt is cloudy, so less sunlight reaches the ground; temperate grasslands receive a lower Sun; and polar summers have long days but a very low Sun and high reflection from ice.
Q4. Match List I (process) with List II (description):
List I
A. Conduction
B. Convection
C. Advection
D. Terrestrial radiation
List II
1. Horizontal transfer of heat by moving air
2. Long-wave energy given off by the warmed Earth
3. Transfer of heat by direct contact
4. Vertical transfer of heat by rising air
Select the correct answer using the code given below:
- A-3, B-4, C-1, D-2
- A-4, B-3, C-1, D-2
- A-3, B-1, C-4, D-2
- A-2, B-4, C-1, D-3
Show answer
Answer: A. A-3, B-4, C-1, D-2
Conduction is by contact, convection is vertical, advection is horizontal and terrestrial radiation is long-wave energy from the Earth: A-3, B-4, C-1, D-2. Option (b) swaps conduction and convection, (c) swaps convection and advection, and (d) swaps conduction and terrestrial radiation.
Q5. Which one of the following surfaces generally has the highest albedo?
- Dense forest
- Open ocean
- Fresh snow
- Ploughed dark soil
Show answer
Answer: C. Fresh snow
Fresh snow reflects most of the sunlight falling on it, so its albedo is highest. Forests, the open ocean and dark soil all absorb most of the light they receive and reflect relatively little.
Q6. Consider the following statements:
1. Without the natural greenhouse effect, the Earth's average surface temperature would be well below freezing.
2. Water vapour is one of the gases that contributes to the greenhouse effect.
Which of the statements given above is/are correct?
- 1 only
- 2 only
- Both 1 and 2
- Neither 1 nor 2
Show answer
Answer: C. Both 1 and 2
Both are correct: without the greenhouse effect the average would be about minus 18 °C instead of about 15 °C, and water vapour, along with carbon dioxide, methane and nitrous oxide, absorbs outgoing heat. Options (a), (b) and (d) each reject at least one correct statement.
Q7. Which of the following conditions favour the formation of a temperature inversion near the ground?
1. Long winter nights
2. Cloudless sky
3. Strong winds
Select the correct answer using the code given below:
- 1 and 2 only
- 2 and 3 only
- 1 and 3 only
- 1, 2 and 3
Show answer
Answer: A. 1 and 2 only
Long nights and clear skies let the ground lose heat rapidly and chill the air above it. Strong winds mix the layers and prevent an inversion, so every option containing 3, namely (b), (c) and (d), is wrong.
Q8. Consider the following statements:
1. Long-distance radio communication is aided by the ionosphere, which lies in the thermosphere.
2. The lowest temperatures in the atmosphere are found in the stratosphere.
Which of the statements given above is/are correct?
- 1 only
- 2 only
- Both 1 and 2
- Neither 1 nor 2
Show answer
Answer: A. 1 only
Statement 1 is correct: charged particles in the ionosphere reflect certain radio waves back to Earth. Statement 2 is wrong: the coldest temperatures, around minus 90 °C, are near the top of the mesosphere, while the stratosphere warms with height. So (b) and (c) accept the wrong statement and (d) rejects the correct one.
Study this in the Upscore app to keep notes, save it for revision, track your practice scores and follow a plan to the exam date. It's free.
Study this in the app →Sources
- 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/