वातावरण

वातावरण : पृथ्वी आणि इतर ग्रह व मोठे उपग्रह यांच्या भोवतालचे अनेक वायूंच्या मिश्रणाचे (हवेचे) आवरण म्हणजे वातावरण होय. पुरेशा सामर्थ्यवान गुरुत्वाकर्षणामुळे वातावरण या स्वस्थ गोलांच्या पृष्ठभागाला चिकटून राहते. स्वस्थ गोल स्वतःभोवती आणि इतर तारे किंवा ग्रह यांच्याभोवती आपल्या आवरणासह निरनिराळ्या अंतरांवरून फिरत असतात. सूर्यकुलातील बुधाखेरीज बहुतेक सर्व ग्रहांभोवती कमीअधिक प्रमाणात वातावरण आहे. सूर्यापासून दूर असलेल्या ग्रहांभोवती फिरणारे मोठे उपग्रहसुद्धा याला अपवाद नाहीत.

पृथ्वीचा जन्म ज्या वायूच्या व धुळीच्या ढगापासून झाल्याचे मानतात. त्याच्याशी सध्याच्या वातावरणाचा फारसा संबंध राहिलेला नाही, असे आढळले आहे. पृथ्वीवर ज्वालामुखीतून उत्सर्जित झालेली बाष्पनशील (बाष्परूपात वर आलेली ) द्रव्ये, भूकवचातील खडक, पाणी व पृथ्वीवरील जीवसृष्टी यांनी एकमेकांवर वेळोवेळी केलेल्या रासायनिक व इतर प्रकारच्या प्रक्रियांचा परिणाम होऊन सध्याचे वातावरण निर्माण झालेले आहे.

वातावरणात बदल घडवणाऱ्या अशा प्रक्रिया सौर प्रारणाच्या (तरंगरूपी ऊर्जेच्या) तीव्रतेवर आणि गुरुत्वांकर्षणाच्या प्रभावावर अवलंबून असतात.

पृथ्वीच्या वातावरणाचे एकूण वजन ५.६×१०^१५ टन (५६ लक्ष अब्ज टन, १ टन = १,०१६ किग्रॅ.) असून ते पृथ्वीच्या वजनाच्या एक दशलक्षांश आहे. वातावरण पृष्ठभागापासून वर शेकडो किमी. उंचीपर्यंत पसरलेले आहे. वातावरणाची घनता व दाब वाढत्या उंचीनुसार कमी कमी होत जातात. पण तापमानात मात्र चढ उतार होत असलेले दिसतात. पृष्ठभागालगत वातावरणाची घनता १.२९ किग्रॅ./मी.³ असून ४० किमी. उंचीवर घनता फक्त ४ ग्रॅ./मी.^३ इतकी कमी होते. वातावरणाचा सु. ९९% भाग पृष्ठालगतच्या फक्त ३० किमी. जाडीच्या थरांत सामावलेला आहे. मानवावर प्रत्यक्ष परिणाम करणाऱ्या हवामानाच्या बहुतेक घटना यात थरांत घडतात. वातावरणाच्या अति-उच्च निर्वात सम विभागांत सौर प्रारण व चुंबकीय क्षेत्र यांच्या प्रभावाखाली वायुरेणूंच्या एकमेकांशी रासायनिक विक्रिया चालू असतात पण त्याचे परिणाम भूपृष्ठाजवळ सहजपणे प्रत्यक्ष अनुभवण्यास मिळत नाहीत. समुद्रसपाटीला सरासरी वातावरणीय दाब १,०१३ मिलिबार असतो (१ मिलिबार = १,००० डाइन/सेंमी.^२ = वातावरणीय दाबाचा हजारावा भाग). पृथ्वीसभोवार पाण्याचे १० मी. जाडीचे वेष्टन आहे, असे मानल्यास ते वातावरणाइतका दाब निर्माण करील. हवेचे तापमान, आर्द्रता, वारे व ऋतू यांसारख्या घटकांच्या परिणामामुळे भिन्न ठिकाणच्या दाबांत फरक असतो. वाढत्या उंचीनुसार कोणत्याही ठिकाणावरील वातावरणाच्या स्तंभाची उंची कमी होत असल्यामुळे वातावरणीय दाब उंचीनुसार घातीय प्रमाणात कमी कमी होतो.

पृथ्वीला सूर्यापासून ऊर्जा प्राप्त होते. या ऊर्जेचा जवळजवळ ४२% भाग वातावरणातील धुळीचे कण, वायुरेणू, ढग हिम तसेच वाळवंटी प्रदेश यांच्याकडून अवकाशात परावर्तित केला जातो. तसाच ऊर्जेचा काही थोडा भाग परावर्तनाने व प्रकीर्णनाने (विखुरला जाऊन) वातावरणात शोषिला जातो. मात्र प्रत्यक्ष सौर किरणामुळे वातावरण फारसे तापू शकत नाही म्हणजे वातावरण सौर ऊर्जेला बहुतांशी पारदर्शक असते. वातावरण पार करून भूपृष्ठावर आलेल्या सौर किरणांनी समुद्र, खडक व वन्यसृष्टी ही प्रथम तापतात आणि नंतर त्यांना चिटकून असलेली हवा संवहन व अभिसरण क्रियांनी तापते. तापलेली हवा हलकी होऊन वर उचलली जाते व तिच्या जागी थंड हवा येऊन तशीच क्रिया सुरू होते. विषुववृत्ताचा परिसर अधिक तापत असल्यामुळे विषुवृत्तापासून ध्रुवांकडे व भूपृष्ठापासून ऊर्ध्व (वरच्या) दिशेत तापमान कमी होत जाते. त्यामुळे वारे निर्माण होऊन त्यांच्याद्वारे उष्णतेचे वितरण होते. अशा तऱ्हेने सु. ५८% ऊर्जेचा विनिमय होतो. तापलेले भूपृष्ठ व उष्ण हवा दीर्घ तरंगलांबीचे अवरक्त (दृश्य वर्णपटातील तांबड्या रंगाच्या अलीकडील अदृश्य) प्रारण उत्सर्जित करू लागतात. यातील काही भाग ढगांवरून परत पृथ्वीकडे परावर्तित होतो. यामुळे ढग असतील त्या ठिकाणी भूपृष्ठ थंड होत नाही. सौर प्रारण शोषणाने पाण्याची वाफ होते व ती वातावरणांत मिसळून वातावरणाला ऊर्जा प्राप्त होते. वाफेचे संद्रवन (पाण्यात रूपांतर) झाल्यावर उष्णता बाहेर पडून परिसराचे तापमान वाढते. पाण्याची वाफ व कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू यांच्यातून लघू तरंगलांबीचे प्रकाश किरण आरपार जातात पण पृथ्वीकडून उत्सर्जित होणारे दीर्घ तरंगलांबीचे अवरक्त प्रारण त्याच्यात शोषले जातात. अशा तऱ्हेने वातावरण मुख्यतः तळाकडून वर तापत जाते. वातावरणातील हवेची स्थलांतरे (किंवा वारे) प्रक्षोभी (खळबळजनक) असण्याचे हे एक कारण आहे. समुद्रपृष्ठवरून तापत असल्यामुळे सागरातील पाण्याची स्थलांतरे (किंवा प्रवाह) तितकी प्रभावी असत नाहीत. दिवसभरात शोषलेल्या ऊर्जेचे वितरण गतिमान वाऱ्याकडून सर्वत्र होत राहते.

वातावरणात तरंगणारे जलबिंदू, धूलिकण व वायुरेणू यांमुळे आकाशातील ग्रह, ताऱ्यांचे वेध घेण्यास अडथळा होत असला, तरी त्यांच्यामुळे इंद्रधनुष्य, चंद्राला व सूर्याला पडणारी खळी, सूर्योदयापूर्वी व सूर्यास्तानंतर क्षितिजावर दिसणारे मनोवेधक रंग इ. सौंदर्यंपूर्ण आविष्कार पृथ्वीवरून पहावयास मिळतात.

वातावरणाने पृथ्वीवरील जीवांना संरक्षण मिळते. उच्च वातावरणातील ओझोन वायूचा थर सौर प्रारणातील जंबुपार (दृश्य वर्णपटातील जांभळ्या रंगापलीकडील अदृश्य) किरण शोषून घेतो. यामुळे या विनाशकारी प्रारणाचा पृथ्वीवरील सजीवांना उपद्रव होत नाही व पृथ्वीचे तापमान प्रमाणाबाहेर वाढत नाही. वातावरण नसते, तर दिवसा पृथ्वी ९४^० से. पर्यंत तापून रात्री-१८५^०से. इतकी थंड झाली असती व तापमानांतील इतका मोठा दैनंदिन फरक जीवसृष्टीस अपायकारक झाला असता. माणूस व इतर प्राण्यांनी निःश्वासित केलेल्या कार्बन डाय-ऑक्साइड वायूमुळे वनस्पतींचे संवर्धन होते. उलट मानव व अन्य प्राण्यांना वनस्पती ऑक्सिजन वायू उपलब्ध करून देतात. हवेतील पाण्याच्या वाफेमुळे पृथ्वीच्या पृष्ठभागाच्या तापमानाचे नियंत्रण होते. एखाद्या क्षेत्रातील भूपृष्ठ खूप तापल्यास त्यालगतची हवा उष्ण व हलकी होते आणि वर जाऊ लागते व चोहोअंगानी विविध गुणधर्मांच्या वायुराशी त्या क्षेत्रांत प्रवेश करतात आणि मेघनिर्मिती व पर्जन्यासारख्या अनेकविध वातावरणीय आविष्कारांची शृंखला निर्माण होते व शेवटी वातावरणाला त्याची पूर्वस्थिती प्राप्त होते. चंद्रावर वातावरण नसल्यामुळे तेथे अशा प्रकारचे वातावरणातील आविष्कार घडू शकत नाहीत. पृथ्वीच्या गुरूत्वाकर्षणामुळे प्रतिदिनी काही कोटी अशनी (पृथ्वीबाहेरून येणारे खडकाचे तुकडे) सेकंदाला १६ किमी. वेगाने पृथ्वीकडे खेचले जातात. त्यांच्या माऱ्यापासून पृष्ठभागाचे व सजीवांचे संरक्षण केवळ वातावरणामुळे होत असते. वातावरण प्रक्षोभी होते त्या वेळी पृष्ठभागावर अनेक बदल घडून येतात.

इतर ग्रहांवरील वातावरण : सूर्यापासून असलेल्या अंतरानुसार ग्रहास प्राप्त होणाऱ्या सौर प्रारणाची तीव्रता, ग्रहाच्या द्रव्य मानानुसार त्याच्या पृष्ठभागावर असणारा गुरुत्वकर्षणाचा प्रभाव, ग्रहाची स्वतःच्या आसाभोवती फिरण्याची गती, वायुरेणूंचे स्वरूप इ. घटक ग्रहावरील वातावरणाचे सध्याचे स्वरूप ठरविण्यास कारणीभूत झालेले आहेत. अंतर्ग्रहांवरील (पृथ्वीच्या कक्षेच्या आत कक्षा असलेल्या ग्रहांवरील) वातावरणात ऑक्सिजन, धातूंची ऑक्साइडे यांचे वैपुल्य आहे पण अभिजात वायूंचे (निऑन, आर्‌गॉन, क्रिप्टॉन व झेनॉन) प्रमाण खूपच कमी आहे. मिथेन, अमोनिया व पाणी ही हायड्रोजनाची संयुगे, हायड्रोजन व हीलियम वायू हे बहिर्ग्रहांच्या (पृथ्वीच्या कक्षेबाहेर कक्षा असलेल्या ग्रहांच्या) वातावरणाचे प्रमुख घटक आहेत. बहिर्ग्रहांच्या वातावरणात अभिजात वायूंचे प्रमाण अंतर्ग्रहांच्या वातावरणांतील प्रमाणाच्या मानाने बरेच आहे.

बुध : हा ग्रह सूर्याच्या सर्वांत जवळ व कमी द्रव्यमानाचा असल्यामुळे त्याच्या गाभ्यातून उत्सर्जित झालेले वायू त्याच्या धुलिकणांना किंवा पृष्ठभागाला चिकटून राहू शकले नाहीत. उच्च तापमान आणि कमी प्रभावी गुरुत्वाकर्षण यांमुळे वायुरेणूंना मुक्तिवेगापेक्षा (स्वस्थ पदार्थाच्या गुरुत्वाकर्षणातून मुक्त होऊन निसटून जाण्यासाठी लागणाऱ्या वेगापेक्षा) अधिक गती प्राप्त होऊन तेथील वातावरण जवळजवळ नष्ट झाले, शास्त्रज्ञांच्या मते तेथे वातावरण लेशमात्रच असावे व वातावरणाचा दाब एक मिलिबारपेक्षाही कमी असावा. हीलियम प्रमुख घटक व आर्‌गॉन, निऑन, कार्बन डाय-ऑक्साइड हे त्याचे इतर घटक असावेत. हीलियमाचे अणू चुंबकीय क्षेत्राने पकडून ठेवले जात असावेत.[⟶बुध].

शुक्र : कार्बनाची संयुगे याच्या वातावरणात प्रमुख घटक आहेत. नायट्रोजन आणि आर्‌गॉन यांचे प्रमाण फक्त २% आहे. पृथ्वीच्या वातावरणातील कार्बन डाय-ऑक्साइड वायूच्या ९० ते १०० पट वस्तुमानाचा हा वायू शुक्राच्या वातावरणात आहे. संद्रवण क्रिया (वायुचे द्रवात रूपांतर होण्याची क्रिया) शक्य नसल्यामुळे पृथ्वीवरील सागरासारखे सागर शुक्रावर नाहीत. ऑक्सिजन तेथे ऑक्साइडाच्या स्वरूपात आहे. सल्फ्युरिक अम्लाचा ढगांनी शुक्राला झाकून टाकले आहे. हे ढग ३५ ते ८० किमी. उंचीपर्यंत पसरलेले आहेत. ढग आणि कार्बन डाय-ऑक्साइड यांमुळे होत असलेल्या हरितगृह परिणामामुळे शुक्राच्या पृष्ठभागाचे तापमान अतिउच्च आहे (सु. ७५०^०के.) व ५५ किमी.वर तापमान २९५^०के. आहे. शुक्रपृष्ठावरील वारे मंद पण ढगांच्या वरील वारे अतिवेगवान आहेत. [⟶ शुक्र].

मंगळ : सूर्यापासूनच्या अंतराप्रमाणे पृथ्वीनंतर मंगळ हा ग्रह आहे. याच्या वातावरणात कार्बन डाय-ऑक्साइडाचे प्रमाण ९५.३ टक्के आहे. नायट्रोजन व आर्‌गॉन यांचे प्रमाण फक्त २ टक्के आहे. वातावरणाच्या पृष्ठभागाजवळील दाब ६.१ मिलिबारच्या जवळपास आहे. वातावरण बर्फमय ढग व धुकी यांनी व्यापलेले असते. मध्य अक्षांशावर पाण्याच्या बर्फाचे ढग बनतात आणि ध्रुव प्रदेशांवरील वातावरणात गोठलेल्या कार्बन डाय-ऑक्साइडाच्या कोरड्या बर्फाचे ढग असतात. वातावरणाच्या वरच्या थरांवर पडणाऱ्या जंबुपार किरणांमुळे कार्बन डाय-ऑक्साइड वातावरणात ढगांचे फक्त ५ टक्के आच्छादन व वातावरणाचा पातळ स्तर यांमुळे हरितगृहे परिमाण होत नाही. मंगळावर अधूनमधून धुळीची वादळे होतात. पाऊस नसल्यामुळे धुळीचे उच्चाटन होऊ शकत नाही. [⟶मंगळ].

⇨ गुरू, ⇨ शनी, ⇨ प्रजापती व ⇨ वरुण यांना स्पष्ट पृष्ठभाग नसल्यामुळे त्यांना राक्षसी वायुगोल असे संबोधले जाते. या ग्रहांच्या वातावरणांत हायड्रोजन व त्याची संयुगे व हीलियम हे मुख्य घटक असून ती मिथेन, अमोनिया व पाणी यांनी व्यापलेली आहेत. ⇨ कुबेर ग्रहावरील वातावरण खूप विरलावस्थेत आहे.

वातावरणाच्या पद्धतशीर अभ्यासाचा पूर्वेतिहास : मानवाचे दैनंदिन सर्व व्यवहार वातावरणाच्या तळाशी चालू असल्यामुळे हवामानाचे आकर्षण व कुतूहल मानवाला फार पूर्वीपासून वाटत आलेले आहे. हवामानातील बदलांच्या निरीक्षणावरून मानव आपल्या कार्यक्रमांची आखणी करू लागला. जमीन नांगरणे, बी पेरणे, धान्याची कापणी-मळणी करणे, प्रवासाला सुरुवात करणे, युद्धाच्या मोहिमांवर निघणे, मासेमारीला सुरुवात करणे इ. कामे करण्याचे कालखंड (वेळापत्रक) ठरविण्यासाठी निरनिराळे वातावरणीय आविष्कार विचारात घेतले जाऊ लागले पण प्रत्यक्ष वातावरणाची, त्याच्या संघटनाची किंवा संरचनेची त्याला यथायोग्य कल्पना नव्हती.

एकोणिसाव्या शतकाच्या शेवटी विविध उपकरणांच्या साहाय्याने वातावरणाच्या ऊर्ध्व मितीच्या (उभ्या दिशेतील) अभ्यासास सुरुवात झाली. पतंग व फुगे यांसारख्या साधनांनी वातावरणविज्ञानीय उपकरणे वर पाठवून ४-५ हजार मी. उंचीपर्यतच्या थरांत वातावरणीय निरीक्षणे केली गेली. फ्रान्समध्ये एल्. पी. तेसरां द बॉर या शास्त्रज्ञांनी स्वयमभिलेखी वातावरणविज्ञानीय उपकरणे बांबूंच्या सांगाड्याच्या मध्यभागी सुरक्षित ठेवून तो सांगाडा पाळण्यासारखा फुग्याला जोडून आकाशात सोडण्यास आरंभ केला. वातावरणाच्या विविध थरांतून जाताना उपकरणांतून विलेपित (विशिष्ट प्रकारचा थर दिलेल्या) काचांच्या पृष्ठभागावर आलेखाच्या स्वरूपात निरीक्षणे नोंदली जात. विशिष्ट उंचीवर गेल्यावर ते फुगे फुटत व उपकरणासहित सांगाडा खाली येऊन भूपृष्ठावर कोठेतरी पडे. नंतर अशी उपकरणे परत मिळवून उपकरणातील काचेवर रेखाटलेल्या आलेखावरून उंचीवरील तापमाने व दाब यांविषयीची माहिती जमा केली जाई. अशा अनेक फुग्यांच्या साहाय्याने वातावरणातील १४ किमी.पर्यंत निरनिराळ्या उंचीवर नोंदलेली तापमाने व दाब यांविषयीची माहिती असलेला संशोधनात्मक प्रबंध १९०४ मध्ये प्रसिद्ध झाला. यानंतर अधिक उंचीपर्यंत पोचणारे फुगे वापरून आणि उपकरणांच्या नोंदी रेडिओ प्रेषकाच्या साहाय्याने प्रयोगशाळेतील रेडीओ ग्राहीकडून मिळवून वातावरणीय थरांचे तापमान, वायुदाब व आर्द्रता यांसंबंधीची माहिती जलद संकलित होऊ लागली. वातावरणात विशिष्ट उंचीवर असलेल्या उष्णतर थरांकडून पृथ्वीवरील स्फोटापासून ऊर्ध्वदिशेत गेलेले ध्वनितरंग प्रणमन (वक्रीभवन) व परावर्तन होऊन पृथ्वीकडे परत येतात, असे आढळून आले होते. यासाठी मुद्दाम स्फोट करून स्फोट केल्याची वेळ, त्याचा आवाज दूर अंतरावर ऐकावयास आला ती वेळ व ध्वनितरंगांच्या गती यांवरून परावर्तक हवेच्या थराच्या उंचीचा अंदाज करण्यात आला. बाह्य अवकाशातून पृथ्वीकडे येणारे अशनी कोणत्या उंचीवर पेट घेतात व कोणत्या उंचीवर वातावरणात विलीन होतात यांच्या निरीक्षणांवरून १०० ते ५० किमी. उंचीमधील वातावरणीय थरांच्या घनतेबद्दल अनुमाने करण्यात येऊ लागली. उल्कांच्या तेजोरेषांवरून (उल्कांनी निर्मिलेल्या दीर्घ प्रज्वलित पथांवरून) उच्च वातावरणीय वाऱ्यांच्या दिशांची व वेगांची कल्पना येऊ लागली. सूर्यास्ताच्या वेळी उच्च वातावरणात घडून येणाऱ्या सूर्य किरणांच्या प्रकीर्णनाच्या लक्षणांवरून वातावरणीय घनतेबद्दल व तरंगणाऱ्या धूलिकणांच्या संख्येबद्दल तर्क करण्यात येऊ लागले.

इ.स. १९१३ साली सी. फाब्री आणि एम्. ब्यूईसाँ या शास्त्रज्ञांनी उच्च वातावरणात ओझोन असल्याचे सिद्ध केले. भूपृष्ठापासून ३० ते ७५ किमी. उंचीवरील थरांत ऑक्सिजन अणू, रेणू आणि सूर्यप्रकाश यांच्यामध्ये घडून येणाऱ्या प्रकाशरासायनिक विक्रियांमुळे ओझोन निर्माण होतो. सूर्यापासून निघालेले जंबुपार प्रारण ओझोनाच्या थरात शोषले जातात व तेथील वातावरणीय स्तर अधिक उष्ण होतात. ओझोनाचे कमाल प्रमाण २५ ते ३० किमी. उंचीवर दिसून येते (दशलक्ष कोरड्या हवेच्या भागांत फक्त १२ ओझोन असतो).

१०० किमी.पेक्षा अधिक उंचीवरची जंबुपार व क्ष-किरणासारखी प्रारणे तेथील थरांनी शोषल्यामुळे ते भाग विद्युत् वाहक होतात व १० मेगॅहर्ट्‌झचे किंवा त्याहून सूक्ष्म रेडिओ तरंग त्यात शोषले जातात किंवा त्यांच्याकडून परावर्तित होतात. हे अमेरिकेतील ए. ई. केन्ली आणि इंग्लडमधील ओ. हेव्हिसाइड यांनी १९०१ साली सूचित केले.

रेडिओ तरंगांचा अंतर्भाव असलेल्या उपकरणांच्या साहाय्याने वातावरणाच्या अभ्यासाला खूपच चालना मिळून आयनांबराच्या संघटनाची, संरचनेची व विविध गुणधर्मांची माहिती मिळू लागली. [⟶ आयनांबर] .

इ. स. १९४६ नंतर उच्च वातावरणाचे तापमान, वितरण, संघटन व घनता यांच्या अभ्यासासाठी व्ही-२ रॉकेटांचा उपयोग करण्यात येऊ लागला . पहिले रॉकेट अमेरिकेच्या न्यू मेक्सिको राज्यातील व्हाइट सॅन्ड्‌स येथून वातावरणात प्रक्षेपित केले. ऑक्टोबर १९५७ पासून पृथ्वीभोवती फिरणाऱ्या अनेक वातावरणवैज्ञानिक कृत्रिम उपग्रहांकडून पृथ्वीभोवतालच्या वातावरणातील मेघविस्तार व तापमाने यांविषयीची माहिती मिळू लागली [⟶उपग्रह, कृत्रिम] .

पृथ्वीभोवतालच्या वातावरणाचे संघटन : अनेक रासायनिक आणि प्रकाशरासायनिक प्रक्रियांमुळे आणि पृथ्वीपृष्ठापासून खूप दूर असलेले व द्रव्यमानाने हलके असलेले द्रुतगतिमान वायुरेणू पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणाचे बंधन तोडून अवकाशात निघून गेल्यामुळे पृथ्वीभोवतालच्या वातावरणाला गेल्या ५० कोटी वर्षापासून सध्याचे स्थायी स्वरूप प्राप्त झाले आहे. पृथ्वीच्या वातावरणात हायड्रोजन व हीलियम वायू अतिबाह्य थरांत अल्पांशाने आढळतात. पृथ्वीभोवतालचे वातावरण अत्यंत ऑक्सिडीकृत अवस्थेत आहे. वन्यसृष्टीमुळे प्रकाशसंश्लेषण (सूर्यप्रकाशाच्या ऊर्जेचा वापर करून हरितद्रव्याच्या मदतीने हवेतील कार्बन डाय-ऑक्साइड व पाण्याची वाफ यांपासून कार्बोहायड्रेटे-अन्नघटक-निर्माण करण्याची क्रिया) होऊन ऑक्सिजन वायु विपुल प्रमाणात निर्माण होतो.

पृथ्वीच्या वातावरणात नायट्रोजन (७८.१ टक्के), ऑक्सिजन (२०.९ टक्के), आर्‌गॉन (१ टक्क्याहून कमी) ह्या मुख्य घटकांबरोबर कार्बन डाय-ऑक्साइड, जलबाष्प आणि ओझोन यांसारखे प्रारणशील (प्रारणाचे शोषण वा उत्सर्जन करणारे) घटकही अल्प प्रमाणात आहेत. नायट्रोजन उदासीन व पाण्यात न विरघळणारा आहे. ज्वालामुखीपासून अगदी अल्प प्रमाणात मिसळलेला ऑर्‌गॉन उदासीन आहे. ह्यामुळे वातावरणातील नायट्रोजन व आर्‌गॉन यांचे प्रमाण फारसे बदलत नाही. कार्बन डाय-ऑक्साइडाचे माध्य (सरासरी) प्रमाण दशलक्षभाग कोरड्या हवेत ३४० भाग असे असते. जलबाष्पात खूप मोठे बदल होतात. जलबाष्पाचा मुख्य साठा समुद्र असून जलबाष्पाचे हवेतील प्रमाण हे हवेचे सागरावरील वास्तव्य व तापमान यांवर बहुतांशी अवलंबून रहाते. यांशिवाय पृथ्वीच्या वातावरणात निऑन, हीलियम, क्रिप्टॉन, झेनॉन, मिथेन, हायड्रोजन व नायट्रीक ऑक्साइड (NO) हे वायूही अल्प प्रमाणात असतात. अत्यल्प प्रमाणात कार्बन मोनॉक्साइड (CO), नायट्रस ऑक्साइड (N₂O) व नायट्रोजन डाय-ऑक्साइड (NO₂) यांसारखे वायूही असतात. अत्यल्प प्रमाणातील ओझोन वातावरणाचा अत्यंत महत्त्वाचा घटक आहे. तो सौर प्रारणातील अतितापदायक जंबुपार किरणांपासून पृथ्वीवरील जीवसृष्टीचे संरक्षण करतो. वातावरणाच्या खालच्या थरांत कोरड्या हवेच्या मिश्रणातील घटकांच्या प्रमाणात फारसे बदल घडत नाहीत. उच्च वातावरणात सौर प्रारणाच्या परिणामामुळे घटकांत बदल होतात. रेणवीय ऑक्सिजनाचे आणवीय ऑक्सिजनामध्ये रूपांतर होते.

जलबाष्प, ओझोन व कार्बन डाय-ऑक्साइड हे प्रमाण बदलणारे वायू सोडल्यास भूपृष्ठालगतच्या १०० किमी. जाडीच्या थरात उंचीप्रमाणे वातावरणाची घनता कमी होत गेली, तरी इतर वायूंचे प्रमाण प्रत्येक पातळीवर स्थिर असते. यामुळे ह्या थरास समांगावरण हे नाव देण्यात आले आहे . हा वातावरणातील व्यवस्थितपणे ढवळला जात असलेला संमिश्र थर आहे.

१०० किमी.पेक्षा अधिक उंचीवरच्या वातावरणात संमिश्रणक्रिया घडून येत नाही. ६० किमी.च्या उंचीनंतर संपूर्ण वातावरणात सूर्यकिरणातील जंबुपार भाग आणि क्ष-किरण यांची तीव्रता प्रकर्षाने प्रतीत होऊ लागते. त्यामुळे विविध प्रकारांच्या वायुरेणूंचे विच्छेदन होऊन आयन (विद्युत् भारित अणू) निर्माण होतात. १०० किमी. नंतर प्रसरणक्रियेमुळे विविध वातावरणीय घटकांचे विभक्तीकरण होते. हलके वायूरेणू वर उंच फेकले जातात. वाढत्या उंचीप्रमाणे त्यांची संख्या, प्रभाव व वर्चस्व वाढते. अधिक जड वायुरेणू खाली ओढले जातात. तीव्र सौर प्रारणामुळे जलबाष्प व कार्बन डाय-ऑक्साइड या घटकांचे विच्छेदन होते. ३०० किमी.च्या उंचीवर व त्यानंतर आणवीय ऑक्सिजन वायूचे वर्चस्वी परिणाम प्रत्ययास येतात. ८०० किमी.च्या उंचीनंतर प्रथम हीलियम व त्यानंतर हायड्रोजन वायूंचे प्रमाणधिक्य व प्रभाव वाढतो. १०० ते ८०० किमी. उंचीपर्यंतच्या या थराला सातत्याने बदलत्या संघटनामुळे विषमांगावरण ही संज्ञा मिळाली आहे. बहुतेक सर्वच घटक आयनीकृत अवस्थेत असतात. पृथ्वीवरील एका ठिकाणाहून ऊर्ध्व दिशेत गेलेले रेडिओ तरंग या आयनांच्या थरावरून परावर्तित होऊन भूपृष्ठाकडे परत येतात व रेडिओ संदेशवहन सुलभ होते.

६०० ते ८०० किमी. उंचीवरील थरांत वातावरण अतिविरलावस्थेत असते. अनेक वातावरणीय कण इतस्ततः द्रुतवेगाने भ्रमण करीत असले, तरी क्वचितच ते एकमेकांवर आघात करतात. काही कण तर पृथ्वीचे बंधन तोडून अवकाशात निसटतात. ८०० किमी.हून अधिक उंचीच्या वातावरणीय थरांना बाह्यावरण म्हणतात. (आ. १ व कोष्टक क्र.१ मध्ये वातावरणाचे संघटन दिले आहे).

खनिज तेल, नैसर्गीक वायू, दगडी कोळसा यांसारखी खनिज इंधने वाढत्या प्रमाणात जाळल्यामुळे व निर्वनीकरण, सिमेंटनिर्मितीतील वाढ आणि कृषिविज्ञानातील बदल यामुळे कार्बन डाय-ऑक्साइड अधिकाधिक प्रमाणात वातावरणात सोडला जात आहे. या वायूचे वाढते प्रमाण पृथ्वीचे माध्य तापमान वाढविण्यास कारणीभूत ठरेल व त्यामुळे वातावरणातील वायूच्या स्थलांतरात व पर्जन्यात बदल होतील, असा अंदाज केला आहे. काही औद्योगिक क्षेत्रांवरील किंवा शहरांतील हवेत स्थानिक रीत्या कार्बन डाय-ऑक्साइडाचे प्रमाण यापेक्षा अनेक पटींनी वाढल्याचे दिसते.

जीवन आणि ज्वलन-क्रियांसाठी आवश्यक असणारा ऑक्सिजन वायू वातावरणात, जीवसृष्टी व खडक यांमधून संचार करीत अनेक संयुगे निर्माण करू शकतो.

निरनिराळ्या वेळी व निरनिराळ्या ठिकाणी सदोदित बदलत्या प्रमाणात आढळणारा वातावरणाचा मुख्य व महत्त्वाचा घटक म्हणजे जलबाष्प होय. सुमारे तीन चतुर्थांश पृष्ठभागावर वातावरणाच्या तळाशी महासागराचे पाणी आहे. जलबाष्पाचे महत्तम प्रमाण असताना ते वातावरणात केवळ ४ टक्के व ते क्वचित प्रसंगी ९ टक्क्यापर्यंत असते. क्षोभावरणाच्या खालील थरात जलांशाचे प्रमाण एक ग्रॅ. कोरड्या हवेत १०^-३ ते १०^-२ ग्रॅ. इतके असते. यानंतरच्या वरील थरांत ते कमी होत जाते. पृथ्वीपृष्ठाजवळही जलबाष्पाचे प्रमाण सर्वत्र सारखे नसते. उष्ण कटिबंधीय प्रदेशांत समुद्रसपाटीवर ते एक ग्रॅ. कोरड्या हवेत ०.०२ ग्रॅ. इतके, तर ध्रुवीय शीततम भूप्रदेशात एक ग्रॅ. कोरड्या हवेत ०.०००५ ग्रॅ. इतके स्वल्पतम असते. वातावरणाची जलबाष्प धारण करण्याची क्षमता मर्यादित असून ती वातावरणाच्या तापमानानुसार बदलते. वातावरणात पाणी थोड्या प्रमाणात असले, तरी ते पृथ्वीवरील हवामानात अनेक चमत्कृतिपूर्ण बदल घडवून आणू शकते. मुख्यतः बाष्पीभवनामुळे जलबाष्प वातावरणात शिरते व पर्जन्य, हिमवृष्टी, करकापात (गारांची वृष्टी), दव किंवा तुहिन (हिमतुषार) यांसारख्या आविष्कारांच्या माध्यमाने वातावरणातून बाहेर येते. जलबाष्प वातावरणात घन, द्रव आणि वायू अशी तीन अवस्थांत आढळते. निरनिराळ्या अवस्थांत असताना जलबाष्प सौर वर्णपटातील काही विशिष्ट भाग शोषून घेते, परावर्तित करते किंवा त्यांचे प्रकीर्णन करते. पृथ्वीपासून उत्सर्जित होणाऱ्या दीर्घ तरंगलांबीच्या प्रारणातील काही भाग वातावरणातील जलबाष्प शोषते.

कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू ज्वलनक्रियेतून निर्माण होतो. काही अंशी प्राणिमात्राच्या श्वसनक्रियेमुळेही तो निर्माण होतो. ह्या वायूचा उपयोग वनस्पती स्वसंवर्धनासाठी करून घेतात.

वातावरणातील आणखी एक महत्त्वाचा प्रमाण बदलणारा घटक म्हणजे ओझोन होय. ओझोन हा अतितीव्र ऑक्सिडीकारक आहे पण वातावरणात तो इतक्या स्वल्प प्रमाणात आढळतो की, ह्या बाबतीत ओझोनाचे क्रियाशीलत्व सीमित आहे. वातावरणातील उच्च पातळ्यांवर म्हणजे मध्यावरणात लघुतरंगलांबीचे सौर प्रारण तीव्रतर होत जाते. २,४०० अँगस्ट्रॉम (१ अँगस्ट्रम = १०-^८ सेंमी.) पेक्षा कमी तरंगलांबी असलेल्या ऊष्मीय तरंगसमूहाच्या सान्निध्यात रेणवीय ऑक्सिजनाचे विच्छेदन होते व ऑक्सिजनाचे अणू बहुसंख्येने निर्माण होतात. ते वेगाने इतस्ततः भ्रमण करीत असताना ऑक्सिजनाच्या रेणूंवर आदळतात. यासारख्या प्रक्रियेने वातावरणात ओझोन तयार होतो. ओझोनाचे अधिकतम प्रमाण स्तरावरणात २५ ते ३२ किमी. उंचीवर आढळते. ते एक ग्रॅ. हवेत १०-^५ ग्रॅ. ओझोन एवढे असते. एका विशिष्ट आडव्या छेदाच्या स्तंभात सामाविलेला वातावरणातील संपूर्ण ओझोन जर समुद्रसपाटीवर (समुद्राच्या पातळीवर) आणला, तर त्या ओझोनाच्या थराची जाडी ०.२ ते ०.४ सेंमी. इतकी भरेल (हवेतील संपूर्ण ओझोनाचे प्रमाण ह्याच एककात देण्यात येते). उच्च अक्षवृत्तीय प्रदेशांत ओझोनाच्या थराची जाडी जवळजवळ ०.४ सेंमी. असते, तर विषुववृत्ताजवळील प्रदेशांत ती सु. ०.२ सेमी. इतकी असते.

इ.स. १९७५ नंतरच्या निरीक्षणांवरून असे दिसून आले आहे की, दक्षिण गोलार्धाच्या वसंत ऋतूत अंटार्क्टिका खंडावरील वातावरण १९७७ ते १९८४ या काळात ओझोनाचे प्रमाण ४० टक्क्यांनी कमी झाले आहे. ओझोनाच्या ह्या अवस्थेला अंटार्क्टिका ‘ओझोन छिद्र’ असे संबोधिले जाते. १२ ते २४ किमी. उंचीच्या स्तरात वसंत ऋतूमध्ये कमी होत जाणारे ओझोनाचे प्रमाण अंटार्क्टिका खंडापेक्षाही जास्त व्यापक प्रदेशावर आढळते. या भागावरील ओझोनाचे प्रमाण ऑगस्टअखेर ते सप्टेबरची सुरुवात या सुमारास घटू लागते आणि ऑक्टोबरमध्ये ते घटलेल्या स्थितीत स्थिर होऊन नोव्हेंबरमध्ये ते वाढते. ओझोनाची ही अवस्था मुख्यत्वे दक्षिण गोलार्धातील वसंत ऋतूंत अंटार्क्टिका खंडावर आढळते. ह्या अवस्थेची कारणे शास्त्रज्ञांना अद्याप कळलेली नाहीत. त्यासाठी कसून संशोधन चालू आहे. ही अवस्था निर्माण होण्यासंबंधी सध्या तरी दोन सिद्धांत आहेत. पहिला सिद्धांत वातावरण प्रदुषकासंबंधी आहे. मानवी उद्योगामुळे वातावरणात पसरणाऱ्या क्लोरोफ्ल्युओरोकार्बन (सीएफसी) या प्रदूषकांमुळे ओझोन नष्ट होतो. हे प्रदूषक पदार्थ २५ ते ५० किमी. उंचीपर्यंत पोहोचतात. यांचे क्लोरीन, फ्ल्युओरीन व कार्बन हे घटक आहेत. यांतील क्लोरीन ओझोनाच्या संपर्कात येतो तेव्हा प्रकाशरासायनिक विक्रियांमुळे ओझोनाचे रूपांतर ऑक्सिजनामध्ये होते आणि क्लोरिनाचे रूपांतर क्लोरीन मोनॉक्साइडामध्ये होते (Cl + O₃ → ClO + O₂) प्रशीतन उद्योगात थंड करण्याचा शीतनक पदार्थ, फेस निर्माण करण्याचे साधन म्हणून वायुकलिक पदार्थाचा फवारा आणि इलेक्ट्रॉनिक यंत्रणेतील भाग साफ करण्याचे साधन म्हणून सीएफसी पदार्थाचा उपयोग केला जातो. उत्तर गोलार्धाच्या उच्च अक्षांशांत (७०-७५) देखील ओझोनाचे प्रमाण वसंत ऋतूत (म्हणजे मार्च महिन्यात) कमी होते (आ. २) पण उत्तर गोलार्धातील ओझोनाचे प्रमाण दक्षिण गोलार्धातील प्रमाणाच्या मानाने बरेच जास्त असते.

दुसरा सिद्धांत दक्षिण ध्रुवाच्या भोवती वातावरणात वाहणाऱ्या वाऱ्यांच्या तीव्र प्रवाहासंबंधी आहे. हे प्रवाह तीव्र असतात तेव्हा दक्षिण गोलार्धाच्या कमी अक्षांशांकडून दक्षिणेकडे वाहणाऱ्या प्रवाहाबरोबर येणारा ओझोन अंटार्क्टिका खंडापर्यंत पोहोचू शकत नाही. त्यामुळे ओझोनाचे प्रमाण कमी होते. दक्षिण ध्रुवाभोवती वाऱ्यांचा तीव्र प्रवाह जेव्हा कमजोर होतो (साधारणतः नोव्हेंबरमध्ये) तेव्हा दक्षिणेकडून येणारे हवेचे प्रवाह अंटार्क्टिका खंडावर येतात आणि ओझोनाच्या प्रमाणात वाढ होते. तिकडील उन्हाळ्यात म्हणजे जानेवारी महिन्यात ओझोनाचे प्रमाण सर्वसाधारण पातळीपर्यंत पोहोचते.

यांपैकी कोणता सिद्धांत खरा आहे हे कळण्यास काही वर्षे लागतील. या काळात सीएफसी वापराचे प्रमाण आहे असेच चालू राहिले, तर अंटार्क्टिका खंडावर आणि इतरत्रही ओझोनाचे प्रमाण बरेच कमी होईल आणि त्याचे मानवावर भयंकर दुष्परिणाम होतील. मानव अशा अवस्थेत येऊन पोहोचेल की, त्या वेळी ओझोनाचे प्रमाण पूर्ववत करण्यासाठी त्याच्याजवळ कोणताही उपाय शिल्लक राहणारा नाही. अशी अवस्था येऊ नये, असे सर्व विकसित व विकसनशील देशांना प्रामाणिकपणे वाटते, म्हणून सीएफसीचा उपयोग करणाऱ्या उद्योगांवर विशेष नियंत्रण आणण्यासाठी कसून प्रयत्न केले जात आहेत.

जलबाष्प कार्बन डाय-ऑक्साइड आणि ओझोन यांसारखे वायू वातावरणात स्वल्पतर प्रमाणात उपस्थित असताना ते हवामानाच्या दृष्टीने प्रधान घटक असावेत व त्यांच्यामुळे काही सौम्य होतात. पृथ्वी कमी तापते आणि पृथ्वीवरील जीवसृष्टीचे संरक्षण होऊन तिचे सातत्य टिकून रहाते. वातावरणातील इतर वायू किंवा घटक हवामानातील फेरबदलांच्या दृष्टीने महत्त्वाचे नाहीत.

वातावरणात अनेक कारणांमुळे घन कण निर्माण होतात. शुष्क मृत्तिकेचे कण, वाळवंटातील अतिसूक्ष्म धूलिकण, वनस्पतींचे परागकण आणि बीजूक (लाक्षणिक प्रजोत्पादक अंग) सूक्ष्मजीवजंतू, कारखान्यांतून निघालेला धूर, समुद्रतुषारांतील लवणकण इ. वेगवान वाऱ्यांमुळे किंवा अभिसारणाच्या प्रक्रियांमुळे वर जाऊन वातावरणात मिसळतात. कधीकधी ज्वालामुखीच्या उद्रेकांमुळे अनेक घन वस्तूंचे अनंत कण वातावरणात बऱ्याच उंचीपर्यंत फेकले जातात, तर कधीकधी बाहेरील अवकाशापासून मोठ्या प्रमाणात उल्कापातांमध्ये निर्माण झालेले घन कण पृथ्वीच्या वातावरणात येऊन मिसळतात. वातावरणातील घन कणांचे प्रमाण वाढत्या उंचीबरोबर कमीकमी होत जाते. अशा तरंगत्या कणांमुळे वातावरणाची पारदर्शकता कमी होऊन कणांच्या संख्येनुसार व आकारमानानुसार दृश्यमानतेची कमाल व किमान मर्यादा बदलत जाते. क्षोभावरणातील आर्द्रताशोषक कण जलबाष्पाचे जलबिंदूत रूपांतर करण्यास अतिशय उपयुक्त ठरतात.

वातावरणाची तापमान संरचना : तापमानावर आधारित वातावरणाची बहिर्सीमा कोठे संपते आणि अवकाशाला प्रारंभ कोठे होत हे सांगणे कठीण आहे. विषुववृत्तावर सु. ३३,२०० किमी. उंचीवर पृथ्वीचे गुरुत्वाकर्षण आणि पृथ्वीच्या परिभ्रमणामुळे निर्माण होणारी केंद्रोत्सारी (केंद्रापासून दूर नेणारी) प्रेरणा साधारणपणे समप्रमाणात असतात. ह्या उंचीनंतरची हवा इतकी विरल असते की, पृथ्वीचे वातावरण आणि अवकाश यांना विभागणारी सीमारेषा निश्चित स्वरूपाची असू शकत नाही. त्यामुळे ३३,००० किमी. नंतर आत्यंतिक विरलतेमुळे वातावरणीय गुणधर्मच लोप पावतात. प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉनयुक्त सौरवात (सूर्यापासून उत्सर्जित होणारा प्रोटांनांचा प्रवाह) पृथ्वीच्या चुंबकीय क्षेत्राभोवतालून पृथ्वीपलीकडे जाताना एक लांबट गोल पोकळी तयार होते तीमध्ये पृथ्वीचे वातावरण समावून रहाते. भूचुंबकीय क्षेत्र सूर्याकडील अंगास दबलेले असून विरुद्ध अंगास शेपटासारखे पसरलेले असते. त्यामुळे भूचुंबकीय क्षेत्र-सीमा हीच वातावरणाची बाह्य सीमा मानता येईल. [⟶ भूचुंबकत्व] .

पृथ्वीच्या वातावरणाची संरचना बहुतांशी सूर्यापासून मिळणाऱ्या उष्णतेच्या शोषणामुळे वातावरणात ज्या क्रियाप्रक्रिया घडतात त्यांवर अवलंबून असते. हे ऊष्मीय शोषण वातावरणातील वायूंमध्ये विच्छेदन, आयनीभवन, तापन आणि गतिशीलता निर्माण करते. कधीकधी द्वि-आणवीय ऑक्सिजन वायूचे विशिष्ट उंचीवरच एक आणवीय ऑक्सिजनामध्ये विच्छेदन होते. काही प्रक्रिया ठराविक उंचीवरच होत असल्यामुळे काही थरांत वाढत्या उंचीप्रमाणे तापमान वाढते काही थरांचे वाढत्या उंचीप्रमाणे तापमान घटते. तापमानाच्या बदलांच्या दृष्टीने वातावरणाच्या थरांचे निरनिराळे भाग करणे सोईस्कर ठरले आहे. वातावरणाचे क्षोभावरण, स्तरावरण, मध्यावरण, आयनांबर किंवा ऊष्मावरण असे चार विभाग करता येतात. ह्या चार विभागांशिवाय आयनांबराच्या पलीकडे अतिबाह्यावरण नावाचा एक पाचवा विभाग मानता येण्यासारख्या आहे. (आ.३).

क्षोभावरण : वातावरणाचा हा सर्वांत खालचा भाग आहे. संपूर्ण वातावरणाच्या वजनाचा ७५ टक्के भाग, बहुतेक सर्व जलबाष्प व धूलिकण ह्या विभागात सामाविलेले असतात. हवामानाचे बहुतेक सर्वच आविष्कार येथे घडतात. घर्षण तसेच पृष्ठभागाच्या तापमानांतील दैनिक फरक हे पृष्ठभागापासून सु. २ किमी. उंचीपर्यंतच्या वातावरणाच्या सूक्ष्म थरांवर अधिक परिणाम करतात. या थरांत तापमान कधीकधी उंचीनुसार वाढत जाऊन मग कमी होते. याचा अंतर्भाव क्षोभावरणात केला जातो. या स्तरावरील हवेचे सरासरी तापमान पृथ्वीपृष्ठापासून वाढत्या उंचीप्रमाणे कमी कमी होत जाऊन जेथे प्रथम किमान होते ती क्षोभावरणाची वरची सीमा ठरते. कमी अक्षवृत्ताच्या प्रदेशात पृष्ठभागाचे सरासरी तापमान २७^० से. असते. उच्च अक्षवृत्ताच्या प्रदेशात ते -१३^० से. असते. उष्ण कटिबंधात क्षोभावरण सीमा १६ किमी. उंचीवर आढळते. त्या उंचीवरचे तापमान केव्हा केव्हा -९३^० से. इतके असते. ध्रुवीय प्रदेशांवर क्षोभावरण-सीमा १० किमी.उंचीवर आढळते व तेथील तापमान -४३^० से. असते. सौर प्रारणामुळे पृथ्वीपृष्ठ तापून निघते व निकटवर्ती वातावरणात ऊर्ध्व प्रवाह निर्माण होतात. त्यामुळे पृथ्वीपृष्ठाजवळच्या उष्णतेचे संक्षोभजन्य मिश्रणक्रियेमुळे व संनयनी प्रवाहांमुळे उच्चतर वातावरणीय थरांत स्थानांतर होते. तसेच ध्रुवीय प्रदेशांपेक्षा विषुववृत्तीय प्रदेश अधिक तापतात. ह्या ऊष्मीय विषमतेमुळे वातावरणात क्षैतिज व ऊर्ध्व प्रवाह निर्माण होऊन विषुववृत्तीय प्रदेशांतील उष्णता ध्रुवीय प्रदेशांकडे व उच्चस्तरांकडे वाहून नेली जाते. ऊष्मीय प्रक्रियामुळे पृथ्वीपृष्ठावरील पाण्याचे बाष्पीभवन,संद्रवण, सुप्त उष्णतेची मुक्तता, मेघनिर्मिती, पर्जन्यवृष्टी, हिमवर्षाव, गडगडाटी वादळे, गारांचा वर्षाचा, धुळी वादळे, विध्वंसक चक्री वादळे, द्रुतगतिमान वायुस्त्रोत, धुके, तुहिन इ. आविष्कार क्षोभावरणातच प्रत्ययास येतात.

क्षोभावरण-सीमेची सर्वसाधारण उंची ११ किमी. धरण्यात येते. अनेक कारणांमुळे या सीमेच्या उंचीत कमीअधिक बदल घडून येतात. खालच्या थरांचे तापमान किंवा दाब अधिकतर झाल्यास या सीमेची उंची वाढते. क्षोभावरणात उंचीनुसार सरासरी तापमान ऱ्हास ६.५^० से./किमी. प्रमाणे असतो. तापमान ऱ्हास १०^० से./किमी. पेक्षा अधिक झाल्यास वातावरणात उलथापालथ घडून लहान मोठे आवर्त (भोवरे) निर्माण होतात.

स्तरावरण : क्षोभावरणाच्या सीमेनंतरच्या काही थरांत वाढत्या उंचीप्रमाणे तापमान जवळजवळ स्थिर राहते व त्यानंतर वाढत्या उंचीप्रमाणे तेही थोडथोडे वाढू लागते. क्षोभावरणात उद्‌भवणारे ऊर्ध्व प्रवाह स्तरावरणापर्यंत सहसा पोचत नाहीत. ज्वालामुखींच्या उद्रेकांमुळे आणि प्रभावी चक्रवातांत उद्‌भवणाऱ्या उंच राशिमेघांमुळे जलबाष्प व धूलिकण स्तरावरणात शिरतात. वातावरणातील बहुतेक सर्व ओझोन स्तरावरणात व मध्यावरणातील लगतच्या थरांत सामाविलेला आहे. ओझोनाचे महत्तम प्रमाण सु. २५ किमी. उंचीच्या जवळपास आढळते. सौर प्रारणातील लघुतरंगलांबीचा भाग (२,०००–३,००० अँगस्ट्रॉम) ऑक्सिजन व ओझोन शोधून घेत असल्यामुळे उच्च स्तरावरणात वाढत्या उंचीप्रमाणे तापमान वाढलेले आढळते. स्तरावरणात ऊर्ध्व प्रवाह निर्माण होत नाहीत व त्यामुळे संक्षोभकारक घटना तेथे जवळजवळ आढळत नाहीत. उच्च अक्षवृत्तांवरील स्तरावरणात हिवाळ्यात अधूनमधून ३० किमी. उंचीवर मोत्यासारखे चकाकणारे मेघ निर्माण झालेले दिसतात. त्यांना मुक्ताद्रव्यी मेघ म्हणतात. स्तरावरणाचा विस्तार क्षोभावरण-सीमेपासून ५५ किमी.पर्यंत असतो. स्तरावरणसीमेवर तापमान -२३^० ते १७^० से.पर्यंत वाढलेले असते. कधीकधी काही अक्षवृत्तांत पृथ्वीपृष्ठावर आढळते त्यापेक्षा अधिक तापमान स्तरावरण-सीमेवर प्रस्थापित होते. संपूर्ण स्तरावरणात क्षैतिज वारे मंदावलेले असतात. ह्या कारणांमुळे व वातावरणीय संक्षोभ नसल्यामुळे आवाजाच्या वेगापेक्षा अधिक गतीने जाणाऱ्या विमानांची वाहतूक स्तरावरणात सुकर होते. कधीकधी स्तरावरण व लगतच्या मध्यावरणाला ओझोनावरण असेही नाव देतात.

मध्यावरण : स्तरावरणाच्या वरच्या सीमेपासून किंवा पृथ्वीपृष्ठापासून ५५ किमी. उंचीपासून सु. ८० किमी.पर्यंत विस्तार असलेल्या वातावरणाच्या भागाला मध्यावरण म्हणतात. या विभागात वाढत्या उंचीप्रमाणे तापमानात घट होत असते. सबंध वातावरणातील न्यूनतम तापमान ह्याच थरांत आढळते. मध्यावरण-सीमेवरील तापमान उन्हाळ्यात सु. -१२३^० से. (१५०^०के.) व हिवाळ्यात -५३^० से. (२२०^० के.) असते. संपूर्ण वातावरणात सर्वांत कमी तापमान उन्हाळ्यात प्रत्ययाला यावे ही एक लक्षवेधी घटना आहे. ह्याच विभागात सु. ८५ किमी. उंचीवर उन्हाळ्यात सूर्योदयापूर्वी व सूर्यादयानंतर चमकदार मेघ निर्माण होतात. आयनांबराचा सर्वांत खालचा भाग (डी-थर) मध्यावरणातच ६० ते ८५ अशा २५ किमी.जाडीच्या भागात आढळतो. विच्छेदन व आयनीभवन क्रियेमुळे मुक्त झालेल्या इलेक्ट्रॉनांची संख्या दिवसा प्रत्येक घ.मी. मध्ये १०^८ – १०^९ एवढी असते.

नीच स्तरावरण आणि उच्च स्तरावरण व मध्यावरण यांतील हवेचे अभिसरण भिन्न प्रकारच्या कारणांमुळे निर्माण होते . नीच स्तरावरणातील अभिसरण क्षोभावरणात घडणाऱ्या ऊष्मीय क्रिया-प्रक्रियांमुळे निर्माण झालेल्या अभिसरणाचाच एक भाग असतो. उच्च स्तरावरणातील व मध्यावरणातील वातावरणीय अभिसरण वेगळ्या परिस्थितीतून निर्माण होते. उन्हाळ्यात या विभागातील ओझोन सौर प्रारणातील लघुतरंगलांबीचे किरण शोषून घेतो व तेथील वातावरण तापते. त्यातील काही ऊर्जा स्थानिक वातावरणातील ओझोन व कार्बन डाय-ऑक्साइड हे घटक दीर्घतरंगलांबीच्या अवरक्त प्रारणांच्या रूपाने उत्सर्जित करतात. त्यामुळे ध्रुवावर उन्हाळ्यात परिणामी ऊर्जाधिक्य आढळते. ध्रुवावर हिवाळ्यात ऊर्जात्रुटी प्रत्ययास येते. दोन ध्रुवांवरील ऊर्जांमधील या फरकाने उच्च स्तरावरण व मध्यावरण यांतील वातावरणाला गती मिळते व तेथे विशिष्ट प्रकारचे वातावरणीय अभिसरण निर्माण होते. स्तरावरणात व लगतच्या मध्यावरणात असलेल्या ओझोनाकडून सौर प्रारणाचा प्रखर भाग शोषिला जातो. याच थरात प्राथमिक व द्वितीयक विश्वकिरणांच्या (बाह्य अवकाशातून येणाऱ्या भेदक किरणांच्या) ऊर्जेचे प्रकर्षाने उष्णतेत रूपांतरण होते. काही उष्णता उल्कांमुळे मिळते. ह्या सर्व घटनांमुळे पृथ्वीपृष्ठापासून ४० ते ६५ किमी. उंचीमधील थर खूप उष्ण होतात व मध्यावरणात अनेक प्रकाशरासायनिक विक्रिया घडून येतात. या कारणांमुळे मध्यावरणाला काही शास्त्रज्ञांनी रसायनवरण हे नाव दिले आहे.

ऊष्मावरण : ८० किमी. नंतरच्या काही वातावरणीय थरांत उंचीप्रमाणे तापमान झपाट्याने वाढत जाते. सु. १५० किमी. उंचीवर तापमान १००^० से. (३७३^० के.) असते. ५०० किमी.उंचीवर तापमान १,२२३^० से. (१,४९६^० के.) असल्याचे आढळले आहे. त्यानंतर उंची वाढली तरी तापमान जवळजवळ स्थिरच राहते . ह्या कारणांमुळे मध्यावरणापासून वातावरणाच्या बहिःसीमेपर्यंतच्या आवरणाला ऊष्मावरण हे नाव दिले आहे. ह्या आवरणाला सौर वर्णपटातील २,००० अँगस्ट्रॉमपेक्षा कमी असलेल्या लघुतरंगलांबीच्या प्रारणापासून ऊर्जा मिळते. तसेच इलेक्ट्रॉन, प्रोट्रॉन व आयन यांच्यासारखे सूर्यापासून निघालेले कण, आंतरतारकीय अवकाशातून येणारे वैश्चिक कण व व्हॅन ॲलन कण [पृथ्वीच्या चुंबकीय क्षेत्रात अडकून पडलेले इलेक्ट्रॉन व प्रोटॉन ⟶प्रारण पट्ट] यांच्यासारखे अतिशय गतिमान कणही उच्चतर वातावरणात प्रवेश करून वातावरणीय द्रव्यांबरोबर ऊर्जा-विनिमय करतात. त्यामुळे या द्रव्यांचे आयनीकरण, पुनःसंयोग, विच्छेदन, त्यांची गतिशीलता, विसरण, ऊष्मीय विसरण इ. आविष्कार ऊष्मावरणात घडून येतात. मध्यावरणानंतरच्या वातावरणात घडणाऱ्या भौतिक चमत्कृतींवर ऊष्मागतिक संतुलनापेक्षा (यांत्रिक, रासायनिक व ऊष्मीय समतोल असणाऱ्या गुणधर्मांपेक्षा) सूर्याचेच अधिक नियंत्रण असते. सौर प्रारण व कणप्रारण (सूर्यापासून येणारा कणांचा प्रवाह) यांमुळे 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 विसरणक्रिया सुरू होते. तीमुळे हलके वायू अधिक उंचीवर व जड वायू कमी उंचीवर जमू लागतात. याहूनही अधिक उंच पातळीवर हीलियम व हायड्रोजन यांसारख्या हलक्या वायूंचे विशेष आधिक्य निर्माण होते.

आयनांबर : सु. ८० ते ३०० किमी. उंचीमधील हवेच्या आवरणाला आयनांबर असे म्हणतात. सूर्य प्रारणाचा शक्तिशाली जंबुपार भाग व कणप्रारण ह्या आवरणातील विरल हवेत शिरल्यामुळे घटक वायूंच्या रेणूंचे अणूंत आणि अणूंचे मूलघटकांत विच्छेदन होते. त्यामुळे अगणित धन विद्युत् भारित आयन (अणू, रेणू किंवा अणुगट) व मुक्त इलेक्ट्रॉन या स्तरात परिभ्रमण करीत असतात. असे आयन व मुक्त इलेक्ट्रान असल्यामुळे वातावरणाच्या ह्या भागाला विद्युत् संवाहकाचा गुण प्राप्त झाला आहे.

आयनांबरात वाढत्या उंचीप्रमाणे तापमान अतित्वरेने वाढते. तेथील वायुकणांच्या गतीवर व पर्यायाने आयनांबराच्या संरचनेवर मुख्यत्वेकरून सौर प्रारणाचे वर्चस्वी परिणाम होतात. यांशिवाय चंद्रसूर्यामुळे निर्माण झालेल्या वातावरणीय वेला (भरती-ओहोटीसारख्या गती), विश्वकिरण, उल्का, सौरशिखा [सूर्याच्या वर्णगोलातून होणारा तेजस्वी उद्रेक ⟶ सूर्य], सौरवात, सौर चक्र (सौर ऊर्जेत ११ वर्षांच्या आवर्तनामुळे होणारे बदल), चुंबकीय वादळे, वातावरणाची गती इत्यादींमुळे आयनांबरात विक्षोभ (खळबळ) निर्माण होतात. त्यामुळे पृथ्वीवरून येणाऱ्या रेडिओ तरंगांचे शोषण होऊन संदेशवहनात व्यत्यय येतो. कधीकधी ते पूर्णपणे बंद पडते.

आयनांबराचे मुक्त इलेक्ट्रॉन असलेले डी, ई आणि एफ असे तीन मुख्य विभाग केले जातात. सुमारे ६० ते ८५ किमी. उंचीमध्ये डी-थर आढळतो. ह्या थरांचा वरचा भाग वातावरणातील नायट्रिक ऑक्साइड या वायुघटकाच्या रेणूंचे हायड्रोजनाच्या लघुतरंगलांबीच्या प्रारणामुळे विच्छेदन व आयनीभवन झाल्याने अस्तित्वात येतो. ह्याच थराचा खालचा भाग विश्वकिरणाद्वारे वायुकणांचे विच्छेदन झाल्यामुळे अस्तित्वात येतो. हा थर मुख्यत्वेकरून दिवसा आढळतो, रात्री लुप्तप्राय होतो. सौर शिखा, क्ष-किरण, उद्रेक (विस्फोट) व ध्रुवीय प्रकाश (ध्रुवीय प्रदेशांतून आकाशांत दिसणारे विविध रंगी प्रकाशीय आविष्कार) यांसारख्या सौर घटनांचे डी-थराच्या क्रियाशीलतेवर विघातक परिणाम होतात. ८५ पासून १४० किमी. उंचीमधील वातावरणीय थरात सूर्यापासून उत्सर्जित झालेले दीर्घतरंगलांबीचे क्ष-किरण व तीव्र जंबुपार प्रारण शोषिले गेल्यामुळे दिवसाच्या वेळी मुक्त इलेक्ट्रॉनांची संख्या दर घ.मी. मध्ये १०^११ किंवा तत्सम मूल्यांइतकी वाढते व रेडिओ तरंग परावर्तित करू शकणारा ई-थर अस्तित्वात येतो. धन विद्युत् भारित ऑक्सिजनाचे रेणू व अणू (O₂⁺, O⁺) व घन विद्यूत् भारित नायट्रिक ऑक्साइडाचे रेणू (NO⁺) हे ई-थरांतील प्रमुख आयन होत. एफ-थर १४० किमी. उंचीपासून सुरू होतो. त्याचे एफ-१ आणि एफ-२ असे दोन भाग केले जातात. एफ-१ भाग १४० ते २०० किमी. उंचीमध्ये सामाविलेला असतो. एफ-२ भाग २०० किमी. नंतर सुरू होतो. सूर्यापासून उत्सर्जित होणारे वर्णपटाचे २०० ते ९०० अँगस्ट्रॉम तरंगलांबी असलेले अतिजंबुपार प्रारण प्रकर्षाने शोषिले गेल्यामुळे एफ-थर निर्माण होतात.

रेडिओ तरंगांच्या संवहनाच्या दृष्टीने आयनांबराचा ऊर्ध्व दिशेने विस्तार साधारणपणे ३०० किमी.पर्यंत असतो. ३०० किमी. उंचीनंतर होणाऱ्या प्रकाश-आयनीभवनात (दृश्य वा जंबुपार किरणातील फोटॉन शोषला जाऊन अणू वा रेणूतून एक वा अनेक इलेक्ट्रॉन निघून जाण्याच्या क्रियेत) आणवीय ऑक्सिजनाचाच भाग अधिक असतो. ५०० किमी. उंचीनंतर हीलियम आणि आणवीय हायड्रोजन असलेल्या भागांना अनुक्रमे हीलियमावरण आणि प्रोटॉनावरण अशी नावे दिली आहेत. विषुववृत्तीय भागात सु. ४०० किमी. उंचीवर एक वेगळाच ‘जी’ नावाचा थर क्वचितच अस्तित्वात येतो.

उच्चतर वातावरणात बहुसंख्येने निर्माण होणारे आयन इतस्ततः फिरत असतात. या आयनांच्या समूहांच्या [आयनद्रायूच्या म्हणजे पूर्णतया आयनीकृत झालेल्या ⟶ आयनद्रायु भौतिकी] गतीवर भूचुंबकीय क्षेत्राचे नियंत्रण व वर्चस्व असते. वातावरणाच्या अशा आयनद्रायूच्या भागाला चुंबकावरण असे म्हणतात. एफ-१ थरापासून किंवा १५० किमी. उंचीपासून तो सुरू होतो. त्याची बाह्य सीमा दिवसा पृथ्वीच्या त्रिज्येच्या दहापट उंच असलेल्या पातळीपर्यंत असावी. रात्रीच्या वेळी चुंबकावरण अवकाशात शेपटासारखे अतिदूर अंतरापर्यंत पसरलेले असते. [⟶ आयनांबर].

बाह्यावरण : आयनांबरानंतर किंवा सु. ६०० किमी.नंतर बाह्यावरण सुरू होते. तेथील आयन, अणू व रेणू इतस्ततः दूरदूरच्या अंतरावर पसरलेले असतात. त्यामुळे ते एकत्र येऊन किंवा त्यांचा संयोग होऊन एखादी विक्रिया घडून येण्याचे प्रसंग कमीच घडतात. त्या झाल्या तरी त्यांचे परिणाम पृथ्वीवर जाणवत नाहीत.

वाढत्या उंचीप्रमाणे वातावरणाचा दाब, तापमान, घनता व सरासरी रेणुभार हे घटक (गुणधर्म) कसे बदलतात ते कोष्टक क्र. २ मध्ये दाखविले आहे.

जागतिक वैमानिक वाहतुकीसाठी वापरल्या जाणाऱ्या यंत्रांचे व उपकरणांचे अंशशोधन करण्याच्या (प्रमाणभूत मापक्रमाने मापन करून वा त्याच्याशी तुलना करून उपकरणावरील प्रत्येक मापक खुणेचे नेमके मूल्य निश्चित करण्याच्या) दृष्टीने वातावरणीय गुणधर्मांची सरासरी मूल्ये गृहीत धरणे आवश्यक असते. अशा सरासरी किंवा प्रमाणित वातावरणाचा समुद्रपृष्ठावरील दाब १,०१३.२५ मिलिबार (पाऱ्याच्या ७६० मिमी. उंचीच्या स्तंभाइतका), तापमान १५^०से. (५९^० फॅ.) आणि घनता १.२२५ किग्रॅ./मी.^३ व वाढत्या उंचीप्रमाणे क्षोभावरणात तापमान ऱ्हास ६^०.५ से./ किमी. असतो, असे मानण्यात येते.

संदर्भ : 1. Anthes, R. and others, The Atmosphere, New York, 1981.

2. Battan, L. J. Radar Observations of Atmosphere, London, 1981.

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

4. Dobson, G. M. B. Exploring the Atmosphere, Oxford, 1963.

5. Goody, R. M. Walker, J. C. C. Atmosphere, New York, 1972.

6. Hare, F. K. The Restless Atmosphere, London, 1966.

7. Kuiper, G. P. Ed., The Atmosphere of Earth and Planets, Chicago, 1952.

8. Lorenze, E. N. The Nature and Theory of General Circulation of the Atmosphere, Geneva, 1967.

9. Palmer, E. Newton, C. W. Atmospheric Circulation Systems, London, 1969.

10. Wallace, J. M. Hobbs, P. V. Atmospheric Science, an Introductory Survey, New York, 1978.

चौरघडे, शं. ल. मुळे, दि. आ. नेने, य. रा.

“