શું તમે તમારી આસપાસની હવા અનુભવો છો? શું તમે જાણો છો કે આપણે હવાના એક વિશાળ ઢગલાના તળિયે રહીએ છીએ? આપણે શ્વાસ લઈએ છીએ અને છોડીએ છીએ પરંતુ જ્યારે હવા ગતિમાં હોય છે ત્યારે જ આપણે તેને અનુભવીએ છીએ. તેનો અર્થ એ છે કે ગતિમાં રહેલી હવા પવન છે. તમે પહેલેથી જ એ હકીકત વિશે શીખ્યા છો કે પૃથ્વી ચારે બાજુ હવાથી ઘેરાયેલી છે. હવાનું આ આવરણ વાતાવરણ છે જે અસંખ્ય વાયુઓથી બનેલું છે. આ વાયુઓ પૃથ્વીની સપાટી પર જીવનને આધાર આપે છે.

પૃથ્વી તેની લગભગ બધી જ ઊર્જા સૂર્ય પાસેથી મેળવે છે. પૃથ્વી બદલામાં સૂર્ય પાસેથી મળેલી ઊર્જાને અવકાશમાં પાછી વિકિરણ કરે છે. પરિણામે, પૃથ્વી સમય જતાં ન તો ગરમ થાય છે અને ન તો ઠંડી પડે છે. આમ, પૃથ્વીના વિવિધ ભાગો દ્વારા પ્રાપ્ત થતી ઉષ્માની માત્રા સમાન નથી. આ વિવિધતા વાતાવરણમાં દબાના તફાવતો ઉત્પન્ન કરે છે. આના કારણે પવન દ્વારા ઉષ્માનું એક પ્રદેશથી બીજા પ્રદેશમાં સ્થાનાંતરણ થાય છે. આ અધ્યાય વાતાવરણના ગરમ અને ઠંડા થવાની પ્રક્રિયા અને પૃથ્વીની સપાટી પર પરિણામી તાપમાન વિતરણને સમજાવે છે.

સૌર કિરણોત્સર્ગ

પૃથ્વીની સપાટી તેની મોટાભાગની ઊર્જા ટૂંકી તરંગલંબાઈમાં પ્રાપ્ત કરે છે. પૃથ્વી દ્વારા પ્રાપ્ત થતી ઊર્જાને આવતા સૌર કિરણોત્સર્ગ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે જેને સંક્ષિપ્તમાં સૂર્યાતપ (ઇન્સોલેશન) કહેવામાં આવે છે.

પૃથ્વી ગોળા જેવી ભૂ-આકૃતિ હોવાથી, સૂર્યની કિરણો વાતાવરણની ટોચ પર ત્રાંસી પડે છે અને પૃથ્વી સૂર્યની ઊર્જાનો ખૂબ જ નાનો ભાગ અવરોધે છે. સરેરાશે પૃથ્વી તેના વાતાવરણની ટોચ પર પ્રતિ ચો. $\mathrm{cm}$ પ્રતિ મિનિટ 1.94 કેલરી મેળવે છે. પૃથ્વી અને સૂર્ય વચ્ચેના અંતરમાં થતા ફેરફારોના કારણે વાતાવરણની ટોચ પર પ્રાપ્ત થતો સૌર આઉટપુટ એક વર્ષમાં થોડો ફરક પાડે છે. સૂર્યની આસપાસ તેની પરિક્રમણ દરમિયાન, પૃથ્વી સૂર્યથી સૌથી દૂર (152 મિલિયન $\mathrm{km})$ 4 જુલાઈના રોજ હોય છે. પૃથ્વીની આ સ્થિતિને અપસૂર્ય (એફેલિયન) કહેવામાં આવે છે. 3 જાન્યુઆરીએ, પૃથ્વી સૂર્યની નજીક (147 મિલિયન $\mathrm{km}$) હોય છે. આ સ્થિતિને પરિસૂર્ય (પેરિહેલિયન) કહેવામાં આવે છે. તેથી, 3 જાન્યુઆરીએ પૃથ્વી દ્વારા પ્રાપ્ત થતો વાર્ષિક સૂર્યાતપ 4 જુલાઈના રોજ પ્રાપ્ત થતી માત્રા કરતાં થોડો વધારે છે. જો કે, સૌર આઉટપુટમાં આ વિવિધતાની અસર જમીન અને સમુદ્રના વિતરણ અને વાતાવરણીય પરિભ્રમણ જેવા અન્ય પરિબળો દ્વારા છુપાયેલી રહે છે. તેથી, સૌર આઉટપુટમાં આ વિવિધતાની પૃથ્વીની સપાટી પર દૈનિક હવામાન પરિવર્તનો પર મોટી અસર થતી નથી.

પૃથ્વીની સપાટી પર સૂર્યાતપની ચલનશીલતા

સૂર્યાતપની માત્રા અને તીવ્રતા એક દિવસ દરમિયાન, એક ઋતુમાં અને એક વર્ષમાં બદલાય છે. સૂર્યાતપમાં આ વિવિધતાઓ ઉત્પન્ન કરતા પરિબળો છે: (i) પૃથ્વીનું તેની ધરી પર પરિભ્રમણ; (ii) સૂર્યની કિરણોના ઝુકાવનો કોણ; (iii) દિવસની લંબાઈ; (iv) વાતાવરણની પારદર્શિતા; (v) તેના પાસાઓની દ્રષ્ટિએ જમીનનું રૂપરેખાંકન. છેલ્લા બે પરિબળોનો, જો કે, ઓછો પ્રભાવ હોય છે.

પૃથ્વીની ધરી સૂર્યની આસપાસના તેના કક્ષાના સમતલ સાથે $66^{1 / 2}$ નો કોણ બનાવે છે એ હકીકતનો વિવિધ અક્ષાંશો પર પ્રાપ્ત થતા સૂર્યાતપની માત્રા પર વધુ પ્રભાવ પડે છે.

સૂર્યાતપની માત્રા નક્કી કરતું બીજું પરિબળ છે કિરણોના ઝુકાવનો કોણ. આ સ્થળના અક્ષાંશ પર આધારિત છે. અક્ષાંશ જેટલો વધારે હોય તેટલો ઓછો કોણ તેઓ પૃથ્વીની સપાટી સાથે બનાવે છે જેના પરિણામે ત્રાંસા સૂર્યકિરણો પડે છે. ઊભી કિરણો દ્વારા આવરિત કરાયેલો વિસ્તાર હંમેશા ત્રાંસી કિરણો કરતાં ઓછો હોય છે. જો વધુ વિસ્તાર આવરિત થાય છે, તો ઊર્જા વિતરિત થાય છે અને પ્રતિ એકમ વિસ્તારે પ્રાપ્ત થતી ચોખ્ખી ઊર્જા ઘટે છે. વધુમાં, ત્રાંસી કિરણોએ વાતાવરણની વધુ ઊંડાઈમાંથી પસાર થવાની જરૂર પડે છે જેના પરિણામે વધુ શોષણ, પ્રકીર્ણન અને વિસરણ થાય છે.

આકૃતિ 8.1 : ઉનાળુ અયનાંત

વાતાવરણમાંથી સૌર કિરણોત્સર્ગનો પસાર

વાતાવરણ ટૂંકી તરંગ સૌર કિરણોત્સર્ગ માટે મોટાભાગે પારદર્શક છે. આવતું સૌર કિરણોત્સર્ગ પૃથ્વીની સપાટી પર આઘાત કરતા પહેલા વાતાવરણમાંથી પસાર થાય છે. ક્ષોભમંડલની અંદર પાણીની વરાળ, ઓઝોન અને અન્ય વાયુઓ નજીકના ઇન્ફ્રારેડ કિરણોત્સર્ગનો મોટો ભાગ શોષી લે છે.

ક્ષોભમંડલમાં ખૂબ જ નાના-સસ્પેન્ડેડ કણો દૃશ્યમાન સ્પેક્ટ્રમને અવકાશ અને પૃથ્વીની સપાટી તરફ બંને તરફ પ્રકીર્ણિત કરે છે. આ પ્રક્રિયા આકાશમાં રંગ ઉમેરે છે. ઉગતા અને અસ્ત થતા સૂર્યનો લાલ રંગ અને આકાશનો વાદળી રંગ વાતાવરણની અંદર પ્રકાશના પ્રકીર્ણનનું પરિણામ છે.

પૃથ્વીની સપાટી પર સૂર્યાતપનું અવકાશી વિતરણ

સપાટી પર પ્રાપ્ત થતો સૂર્યાતપ ઉષ્ણકટિબંધમાં લગભગ $320 \mathrm{Watt} / \mathrm{m}^{2}$ થી ધ્રુવો પર લગભગ 70 વોટ $/ \mathrm{m}^{2}$ સુધી બદલાય છે. મહત્તમ સૂર્યાતપ ઉપઉષ્ણકટિબંધીય રણ પર પ્રાપ્ત થાય છે, જ્યાં વાદળછાયો સૌથી ઓછો હોય છે. વિષુવવૃત્તને ઉષ્ણકટિબંધ કરતાં તુલનાત્મક રીતે ઓછો સૂર્યાતપ મળે છે. સામાન્ય રીતે, સમાન અક્ષાંશ પર મહાસાગરો કરતાં ખંડ પર સૂર્યાતપ વધુ હોય છે. શિયાળામાં, મધ્ય અને ઉચ્ચ અક્ષાંશોને ઉનાળા કરતાં ઓછું કિરણોત્સર્ગ મળે છે.

વાતાવરણનું ગરમ અને ઠંડું થવું

વાતાવરણના ગરમ અને ઠંડા થવાની વિવિધ રીતો છે.

સૂર્યાતપ દ્વારા ગરમ થયા પછી પૃથ્વી લાંબી તરંગ રૂપમાં ઉષ્માને પૃથ્વીની નજીકના વાતાવરણીય સ્તરોમાં પ્રસારિત કરે છે. જમીન સંપર્કમાં રહેલી હવા ધીમે ધીમે ગરમ થાય છે અને નીચલા સ્તરો સંપર્કમાં રહેલા ઉપલા સ્તરો પણ ગરમ થાય છે. આ પ્રક્રિયાને વહન (કંડક્શન) કહેવામાં આવે છે. વહન ત્યારે થાય છે જ્યારે અસમાન તાપમાનવાળા બે પદાર્થો એકબીજાના સંપર્કમાં હોય છે, ત્યાં ગરમ શરીરથી ઠંડા શરીરમાં ઊર્જાનો પ્રવાહ થાય છે. ઉષ્માનું સ્થાનાંતરણ ત્યાં સુધી ચાલુ રહે છે જ્યાં સુધી બંને પદાર્થો સમાન તાપમાન પ્રાપ્ત ન કરે અથવા સંપર્ક તૂટી ન જાય. વાતાવરણના નીચલા સ્તરોને ગરમ કરવામાં વહન મહત્વપૂર્ણ છે.

પૃથ્વી સંપર્કમાં રહેલી હવા ગરમ થવાથી ઊભી રીતે પ્રવાહના રૂપમાં ઉપર ઉઠે છે અને વાતાવરણની ઉષ્માને આગળ પ્રસારિત કરે છે. વાતાવરણના ઊભા ગરમ થવાની આ પ્રક્રિયાને સંવહન (કન્વેક્શન) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. ઊર્જાનું સંવહનીય સ્થાનાંતરણ માત્ર ક્ષોભમંડલ સુધી જ સીમિત છે.

હવાની આડી ગતિ દ્વારા ઉષ્માના સ્થાનાંતરણને અભિસરણ (એડવેક્શન) કહેવામાં આવે છે. હવાની આડી ગતિ ઊભી ગતિ કરતાં પ્રમાણમાં વધુ મહત્વપૂર્ણ છે. મધ્ય અક્ષાંશોમાં, દૈનિક હવામાનમાં મોટાભાગની દિવસ-રાતની વિવિધતા માત્ર અભિસરણ દ્વારા જ થાય છે. ઉષ્ણકટિબંધીય પ્રદેશોમાં ખાસ કરીને ઉનાળાની ઋતુ દરમિયાન ઉત્તર ભારતમાં ‘લૂ’ નામની સ્થાનિક પવનો અભિસરણ પ્રક્રિયાનું પરિણામ છે.

પાર્થિવ કિરણોત્સર્ગ

પૃથ્વી દ્વારા પ્રાપ્ત થતો સૂર્યાતપ ટૂંકી તરંગોના રૂપમાં હોય છે અને તેની સપાટીને ગરમ કરે છે. સ્વયં ગરમ થયા પછી પૃથ્વી એક કિરણોત્સર્ગી પદાર્થ બને છે અને તે લાંબી તરંગ રૂપમાં ઊર્જાને વાતાવરણમાં વિકિરણ કરે છે. આ ઊર્જા નીચેથી વાતાવરણને ગરમ કરે છે. આ પ્રક્રિયાને પાર્થિવ કિરણોત્સર્ગ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

લાંબી તરંગ કિરણોત્સર્ગ વાતાવરણીય વાયુઓ દ્વારા ખાસ કરીને કાર્બન ડાયોક્સાઈડ અને અન્ય ગ્રીનહાઉસ વાયુઓ દ્વારા શોષાય છે. આમ, વાતાવરણ પરોક્ષ રીતે પૃથ્વીના કિરણોત્સર્ગ દ્વારા ગરમ થાય છે.

વાતાવરણ બદલામાં અવકાશમાં ઉષ્માનું વિકિરણ અને પ્રસારણ કરે છે. અંતે, સૂર્ય પાસેથી પ્રાપ્ત થતી ઉષ્માની માત્રા અવકાશમાં પાછી ફરે છે, જેના દ્વારા પૃથ્વીની સપાટી અને વાતાવરણમાં સતત તાપમાન જાળવી રાખવામાં આવે છે.

ગ્રહ પૃથ્વીનું ઉષ્મા બજેટ

આકૃતિ 9.2 ગ્રહ પૃથ્વીના ઉષ્મા બજેટને દર્શાવે છે. પૃથ્વી એક સમગ્ર તરીકે ઉષ્મા સંચિત કરતી નથી અથવા ગુમાવતી નથી. તે તેનું તાપમાન જાળવી રાખે છે. આ ત્યારે જ થઈ શકે છે જો સૂર્યાતપના રૂપમાં પ્રાપ્ત થતી ઉષ્માની માત્રા પૃથ્વી દ્વારા પાર્થિવ કિરણોત્સર્ગ દ્વારા ગુમાવેલી માત્રા જેટલી હોય.

ધારો કે વાતાવરણની ટોચ પર પ્રાપ્ત થતો સૂર્યાતપ 100 ટકા છે. વાતાવરણમાંથી પસાર થતી વખતે ઊર્જાની કેટલીક માત્રા પરાવર્તિત, પ્રકીર્ણિત અને શોષાય છે. માત્ર બાકીનો ભાગ પૃથ્વીની સપાટી સુધી પહોંચે છે. લગભગ 35 એકમો પૃથ્વીની સપાટી સુધી પહોંચ્યા પહેલાં જ અવકાશમાં પરાવર્તિત થાય છે. આમાંથી, 27 એકમો વાદળોની ટોચ પરથી પરાવર્તિત થાય છે અને 2 એકમો પૃથ્વીના બરફ અને બરફથી ઢંકાયેલા વિસ્તારોમાંથી પરાવર્તિત થાય છે. પરાવર્તિત કિરણોત્સર્ગની માત્રાને પૃથ્વીની પ્રતિબિંબિતા (એલ્બેડો) કહેવામાં આવે છે.

બાકીના 65 એકમો શોષાય છે, 14 એકમો વાતાવરણની અંદર અને 51 એકમો પૃથ્વીની સપાટી દ્વારા. પૃથ્વી પાર્થિવ કિરણોત્સર્ગના રૂપમાં 51 એકમો પાછું વિકિરણ કરે છે. આમાંથી, 17 એકમો સીધા અવકાશમાં વિકિરણ થાય છે અને બાકીના 34 એકમો વાતાવરણ દ્વારા શોષાય છે (6 એકમો સીધા વાતાવરણ દ્વારા શોષાય છે, 9 એકમો સંવહન અને અશાંતતા દ્વારા અને 19 એકમો ઘનીકરણની ગુપ્ત ઉષ્મા દ્વારા). વાતાવરણ દ્વારા શોષાયેલા 48 એકમો (સૂર્યાતપમાંથી 14 એકમો + પાર્થિવ કિરણોત્સર્ગમાંથી 34 એકમો) પણ અવકાશમાં પાછા વિકિરણ થાય છે. આમ, પૃથ્વી અને વાતાવરણમાંથી અનુક્રમે પરત ફરતું કુલ કિરણોત્સર્ગ $17+48=65$ એકમો છે જે સૂર્ય પાસેથી પ્રાપ્ત થતા 65 એકમોના કુલ સંતુલન રાખે છે. આને પૃથ્વીનું ઉષ્મા બજેટ અથવા ઉષ્મા સંતુલન કહેવામાં આવે છે.

આ સમજાવે છે કે, થતા વિશાળ ઉષ્મા સ્થાનાંતરણ છતાં પણ પૃથ્વી ગરમ કે ઠંડી શા માટે થતી નથી.

આકૃતિ 8.2 : પૃથ્વીનું ઉષ્મા બજેટ

પૃથ્વીની સપાટી પર ચોખ્ખા ઉષ્મા બજેટમાં વિવિધતા

પહેલા સમજાવ્યા પ્રમાણે, પૃથ્વીની સપાટી પર પ્રાપ્ત થતા કિરણોત્સર્ગની માત્રામાં વિવિધતાઓ છે. પૃથ્વીના કેટલાક ભાગમાં વધારાનું કિરણોત્સર્ગ સંતુલન હોય છે જ્યારે બીજા ભાગમાં ખાધ હોય છે.

આકૃતિ 8.3 પૃથ્વી-વાતાવરણ પ્રણાલીના ચોખ્ખા કિરણોત્સર્ગ સંતુલનમાં અક્ષાંશીય વિવિધતા દર્શાવે છે. આકૃતિ દર્શાવે છે કે 40 ડિગ્રી ઉત્તર અને દક્ષિણ વચ્ચે ચોખ્ખા કિરણોત્સર્ગ સંતુલનની વધારાની માત્રા છે અને ધ્રુવોની નજીકના પ્રદેશોમાં ખાધ છે. ઉષ્ણકટિબંધમાંથી વધારાની ઉષ્મા ઊર્જા ધ્રુવો તરફ પુનઃવિતરિત થાય છે અને પરિણામે ઉષ્ણકટિબંધ વધારાની ઉષ્માના સંચયને કારણે ક્રમિક રીતે ગરમ થતા નથી અથવા ઉચ્ચ અક્ષાંશો વધારાના ખાધને કારણે કાયમી રીતે સ્થિર થતા નથી.

આકૃતિ 8.3 : ચોખ્ખા કિરણોત્સર્ગ સંતુલનમાં અક્ષાંશીય વિવિધતા

તાપમાન

સૂર્યાતપની વાતાવરણ અને પૃથ્વીની સપાટી સાથેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઉષ્મા ઉત્પન્ન કરે છે જે તાપમાનના સંદર્ભમાં માપવામાં આવે છે. જ્યારે ઉષ્મા કોઈ પદાર્થ બનાવતા કણોની આણ્વીય ગતિનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, ત્યારે તાપમાન એ ડિગ્રીમાં માપ છે કે કોઈ વસ્તુ (અથવા સ્થળ) કેટલી ગરમ (અથવા ઠંડી) છે.

તાપમાન વિતરણ નિયંત્રિત કરતા પરિબળો

કોઈપણ સ્થળે હવાનું તાપમાન (i) સ્થળના અક્ષાંશ દ્વારા; (ii) સ્થળની ઊંચાઈ દ્વારા; (iii) સમુદ્રથી અંતર, હવાપુંજ પરિભ્રમણ દ્વારા; (iv) ગરમ અને ઠંડા સમુદ્રીય પ્રવાહોની હાજરી દ્વારા; (v) સ્થાનિક પાસાઓ દ્વારા પ્રભાવિત થાય છે.

અક્ષાંશ : સ્થળનું તાપમાન પ્રાપ્ત થતા સૂર્યાતપ પર આધારિત છે. તે પહેલા સમજાવવામાં આવ્યું છે કે સૂર્યાતપ અક્ષાંશ અનુસાર બદલાય છે તેથી તાપમાન પણ તે મુજબ બદલાય છે.

ઊંચાઈ : વાતાવરણ પરોક્ષ રીતે નીચેથી પાર્થિવ કિરણોત્સર્ગ દ્વારા ગરમ થાય છે. તેથી, સમુદ્ર સપાટીની નજીકના સ્થળો ઊંચા ઉન્નતિવાળા સ્થળો કરતાં વધુ તાપમાન રેકોર્ડ કરે છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, તાપમાન સામાન્ય રીતે ઊંચાઈ વધારવાથી ઘટે છે. ઊંચાઈ સાથે તાપમાનમાં ઘટાડાના દરને સામાન્ય પતન દર (નોર્મલ લેપ્સ રેટ) કહેવામાં આવે છે. તે $6.5 \mathrm{C}$ પ્રતિ $1,000 \mathrm{~m}$ છે.

સમુદ્રથી અંતર : તાપમાનને પ્રભાવિત કરતું બીજું પરિબળ સમુદ્રની સાપેક્ષે સ્થળનું સ્થાન છે. જમીનની તુલનામાં, સમુદ્ર ધીમે ધીમે ગરમ થાય છે અને ઉષ્મા ધીમે ધીમે ગુમાવે છે. જમીન ઝડપથી ગરમ અને ઠંડી થાય છે. તેથી, જમીનની તુલનામાં સમુદ્ર પર તાપમાનમાં ફેરફાર ઓછો હોય છે. સમુદ્રની નજીક આવેલા સ્થળો સમુદ્ર અને જમીનની લહેરના મધ્યસ્થ પ્રભાવ હેઠળ આવે છે જે તાપમાનને મધ્યસ્થ કરે છે.

_હવાપુંજ અ