वातावरणीय प्रारण

वातावरणीय प्रारण : उत्सर्जित ऊर्जेला, तिच्या प्रेषण व प्रसारणक्रियेला प्रारण म्हणतात. वातावरणाशी निगडित असणाऱ्या अशा तरंगरूपी ऊर्जेला म्हणजे प्रारणाला वातावरणीय प्रारण म्हणतात. अवकाशाकडून पृथ्वीकडे येणारे सौर (सूर्याचे) प्रारण वातावरणाच्या बाह्य सीमेवरील परावर्तनामुळे काही प्रमाणात अवकाशात परत जाते. बाकीच्या प्रारणाचा वातावरणात शिरकाव होतो त्यापैकी काही भागाचे वातावरणात शोषण होऊन राहिलेले प्रारण पृथ्वीपृष्ठावर पडते. पृथ्वीपृष्ठावर पडणाऱ्या प्रारणापैकी एक भाग परावर्तित होऊन वातावरणात जातो आणि वातावरणातील शोषणानंतर राहिलेले अवशिष्ट प्रारण अवकाशात जाते. पृथ्वीपृष्ठापासून उत्सर्जित होणारे दीर्घ तरंगलांबीचे पार्थिव प्रारण वातावरणात काही प्रमाणात शोषले जाते आणि बाकी राहिलेले पार्थिव प्रारण अवकाशात जाते. वातावरणातून उत्सर्जित होणारे दीर्घ तरंगलांबीचे प्रारण काही प्रमाणात पृथ्वीपृष्ठाकडे येते व बाकीचे अवकाशात जाते. अशा परिस्थितीत लघू तरंगलांबीचे सौर प्रारण, पार्थिव प्रारण आणि वातावरणापासून उत्सर्जित होणारे दीर्घ तरंगलांबीचे प्रारण या सर्वांचा विचार वातावरणीय प्रारण म्हणून केला आहे.

सौर प्रारण : सूर्य एक कृष्ण पदार्थ आहे. माक्स प्लांक नियमाप्रमाणे प्रत्येक कृष्ण पदार्थ तापमानाप्रमाणे निरनिराळ्या तरंगलांबीचे प्रारण उत्सर्जित करीत असतो. सौर प्रारणाचा प्रत्यक्ष प्रयोगागत वणपट ६,०००^० के. तापमान असलेल्या कृष्ण पदार्थाच्या गणितागत वर्णपटाशी जुळतो. यावरून सूर्याचे तापमान अंदाजे ६,०००^० के. आहे, असे अनुमान काढले आहे. सौर वर्णपट ०.१५ मायक्रोमीटर (१ मायक्रोमीटर= १०^-६  मीटर) आणि ४ मायक्रोमीटर या सीमांमध्ये सामावलेला आहे. तसेच प्रारणाची कमाल तीव्रता ०.४७ मायक्रोमीटर या तरंगलांबीजवळ आहे. सौर प्रारणास लघू तरंगलांबी प्रारण असे संबोधिले जाते.

पृथ्वी सूर्यापासून सरासरी अंतरावर असताना वातावरणाच्या बाह्य सीमेवर सौर प्रारणास लंब असलेल्या एक चौरस क्षेत्रावर पडणाऱ्या सौर प्रारणास सौर स्थिरांक किंवा सौरांक असे संबोधिले जाते. उपग्रहावरून घेतलेल्या मापनाप्रमाणे सौरांकाचे मूल्य १.९६ कॅलरी /चौ.सेंमी./मिनिट (१,३६७ वॉट/चौ.मी.) एवढे आले आहे. यावरून वातावरणाच्या बाह्य सीमेवर प्रत्येक क्षैतिज चौ.सेंमी. क्षेत्रास सु. ०.५ कॅलरी/ मिनिट एवढे सरासरी सौर प्रारण प्राप्त होते.

पृथ्वी-वातावरण प्रणालीकडून परावर्तित होणाऱ्या सौर प्रारणाच्या प्रमाणास परावर्तन गुणोत्तर म्हणतात. कृत्रिम उपग्रहावरून घेतलेल्या जागतिक निरीक्षणांच्या आधारे काढलेले संपूर्ण पृथ्वी-वातावरण प्रणालीचे सरासरी परावर्तन गुणोत्तर ०.३० आले आहे.

वातावरणात शिरणाऱ्या सौर प्रारणावर वातावरणातील वायूंचा पुढे दिल्याप्रमाणे परिणाम होतो : (अ) १०० किमी. उंचीच्या वर ऑक्सिजनामुळे प्रारणाचे शोषण होते. (आ) १० ते ४० किमी. उंचीवर ओझोनाच्या थरांमुळे जंबुपार (दृश्य वर्णपटातील जांभळ्या रंगापलीकडील अदृश्य प्रारणाच्या) भागातील ०.३ मायक्रोमीटरपेक्षा कमी तरंगलांबीच्या प्रारणाचे शोषण होत असल्यामुळे ते पृथ्वीपृष्ठावर पोहोचत नाही. हे प्रारण जीवसृष्टीला फार अपायकारक आहे. (इ) कोरड्या वातावरणातील इतर वायूंमुळे प्रारणाचे शोषण फार कमी होते. (ई) जलबाष्पामुळे होणारे शोषण अत्यल्प असते. (उ) कोरड्या हवेतील रेणू तसेच जलबाष्पाचे रेणू यांमुळे होणाऱ्या प्रकीर्णनाचा (विखुरले जाण्याचा) सौर प्रारणावर थोडाच परिणाम होतो. (ऊ) वातावरणात तरंगणाऱ्या घन व द्रव कणांमुळे होणाऱ्या प्रकीर्णन, विसरित (सर्व बाजूंस होणारे) परावर्तन, शोषण या क्रियांमुळे प्रारणाचे प्रमाण बरेच कमी होते. विशेषतः ढग जेव्हा मोठ्या प्रमाणात असतात अथवा धुळी वादळ किंवा ज्वालामुखीचा उद्रेक या कारणांमुळे धुळीचे मोठे कण बरेच उंच उधळले जातात तेव्हा प्रारणाचे प्रमाण बरेच घटते. ढगाचे तसेच हिमाच्छादित प्रदेशाचे परावर्तन गुणोत्तर उच्च असते.

आकाश निरभ्र, असेल तर क्षोभावरणामुळे (वातावरणाच्या पृथ्वीपृष्ठालगतच्या थरांमुळे) सौर प्रारणाचा बऱ्याच कमी प्रमाणात ऱ्हास होतो. ढगाचा प्रकार, ढगाची जाडी आणि ढगाचे प्रमाण यांवर ढगांमुळे कमी होणारे प्रारणाचे प्रमाण अवलंबून असते. साधारणपणे आपाती (पडणाऱ्या) सौर प्रारणांपैकी ३० टक्के प्रारणाचे परावर्तन होते. १७ टक्के प्रारण वातावरण शोषून घेते आणि ५३ टक्के भूपृष्ठास मिळते.

पार्थिव प्रारण : प्रारणशीलतेच्या बाबतीत पृथ्वी कृष्ण पदार्थाप्रमाणे पूर्ण प्रारक आहे. पाणी, हिम व ढग हेदेखील पूर्ण प्रारक आहेत. पृथ्वीपृष्ठाचे सरासरी तापमान सु. २८८^० के. आहे. पृथ्वीपृष्ठापासून उत्सर्जित झालेले प्रारण साधारणपणे ४ ते ८० मायक्रोमीटर या सीमांमधील असते. ह्या प्रारणास अवरक्त (दृश्य वर्णपटातील तांबड्या रंगाच्या अलीकडील अदृश्य) प्रारण, तसेच उष्णता प्रारण असे संबोधिले जाते. पार्थिव प्रारणाच्या वर्णपटात १० मायक्रोमीटर तरंगलांबीच्या प्रारणाची तीव्रता महत्तम असते. वातावरणातील कार्बन डाय-ऑक्साइड, जलबाष्प व ओझोन पार्थिव प्रारणाच्या वर्णपटातील काही भागांचे शोषण करतात. हे भाग याप्रमाणे आहेत. कार्बन डाय-ऑक्साइड १३.५ ते १७ मायक्रोमीटर (तीव्र शोषण) जलबाष्प ७ मायक्रोमीटरपेक्षा कमी (तीव्र शोषण), १४ मायक्रोमीटरपेक्षा जास्त (तीव्र शोषण), ७-८.५ मायक्रोमीटर (सौम्य शोषण), ११-१४ मायक्रोमीटर (सौम्य शोषण) व ओझोन ९.६ मायक्रोमीटर (तीव्र शोषण). क्षोभावरणातील हे वायू सौर प्रारणाचे शोषण फारच कमी प्रमाणात करतात. त्यामुळे सौर प्रारण पृथ्वीपर्यंत येऊन भूपृष्ठ चांगले तापते. हे वायू पार्थिव प्रारणाचे शोषण मोठ्या प्रमाणात करतात. शोषणाचे प्रमाण ह्या वायूंच्या संहतीवर (हवेतील प्रमाणावर) अवलंबून असते. संहती ऋतुमानाप्रमाणे बदलत असल्यामुळे अवरक्त प्रारणाच्या शोषणाचे प्रमाण ऋतुमानाप्रमाणे बदलते. पार्थिव प्रारणाच्या वर्णपटात ८.५ ते ११ मायक्रोमीटर या भागातील प्रारणाचे वातावरणात शोषण होत नाही म्हणजे वातावरण ह्या पट्ट्यातील प्रारणास पारदर्शक आहे. यामुळे ह्या भागास वातावरणीय गवाक्ष (खिडकी) असे संबोधिले जाते. ह्या भागातील सर्व पार्थिव प्रारण अवकाशात जाते. या गवाक्षातून अवकाशात जाणारे प्रारण कृत्रिम उपग्रहावरील प्रारणमापकाने मोजतात आणि त्यावरून पृथ्वीपृष्ठाचे तापमान निश्चित करतात. याप्रमाणे पार्थिव प्रारणाचा काही भाग वातावरण शोषून घेते आणि काही भाग शोषण न होता अवकाशात जातो.

वातावरणातील प्रारणाचे उत्सर्जन व शोषण : भूपृष्ठालगतच्या वातवरणाच्या थरांचे तापमान सु. २८८^० के. असते. आणि क्षोभावरणातील सर्वांत वरच्या थराचे तापमान सु २२०^० के. असते. वातावरणातील बाष्पाची संहती उंचीबरोबर झपाट्याने कमी होते, तसेच तापमानही उंचीबरोबर कमी होते. त्यामुळे भूपृष्ठालगतचा वातावरणातील थर पार्थिव प्रारणाचे सर्वांत जास्त शोषण करतो. त्याचप्रमाणे हा थर बरेच अवरक्त प्रारण खाली आणि वर उत्सर्जित करतो. उंचीप्रमाणे अवरक्त प्रारणाचे शोषण व उत्सर्जन दोन्हीही कमी होत जातात. वातावरण क्षैतिज स्तरांमध्ये विभागले, तर प्रत्येक थराला वरून व खालून उष्णता प्रारण मिळेल, तर प्रत्येक थराकडून खाली जाणारे उष्णता प्रारण ह्या थराकडे खालून वर येणाऱ्या प्रारणापेक्षा कमी असते. प्रत्येक थराने उत्सर्जित केलेल्या अवरक्त प्रारणाचा ८.५ ते ११ मायक्रोमीटर ह्या तरंगलांबीमधील भाग वर अवकाशात जातो आणि खाली पृथ्वीकडे येतो. कारण ह्या भागातील प्रारणास वातावरण पारदर्शक आहे. अवरक्त प्रारणाशिवाय वातावरण १७% सौर प्रारणाचे शोषण होते.

वातावरणाचा पादपगृह परिणाम : हवा उबदार ठेवण्यासाठी ⇨पादपगृहाचा अथवा हरितगृहाचा उपयोग करतात. योग्य वाढ होण्यासाठी काही वनस्पतींना उबदार हवेची आवश्यकता असते. अशा वनस्पती पादपगृहात ठेवतात. पादपगृहाचे छप्पर व भिंती काचेच्या असतात. काच सौर प्रारणास पारदर्शक असल्यामुळे सौर प्रारण पादपगृहात येऊ शकते. काच अवरक्त प्रारण शोषून घेते, त्यामुळे अवरक्त प्रारण पादपगृहाबरोबर जाऊ शकत नाही. त्यामुळे पादपगृहातील हवा उबदार राहते. त्याचप्रमाणे वातावरणातून सौर प्रारण पृथ्वीवर येते, तेव्हा वातावरणाकडून त्याचे अल्प प्रमाणात शोषण होते पण जलबाष्प, कार्बन डाय-ऑक्साइड व ओझोन या वायूंमुळे पृथ्वीपृष्ठपासून उत्सर्जित झालेले अवरक्त पार्थिव प्रारण मोठ्या प्रमाणात शोषिले जाते. त्यामुळे वातवरणातील खालचे थर चांगले उबदार राहतात. अवरक्त प्रारणाचे शोषण करणाऱ्या ह्या वायूंस पादपगृहवायू असेही म्हणतात. वातावरण नसते, तर पृथ्वीपृष्ठाचे तापमान बरेच कमी राहिले असते. चंद्रावर वातावरण नसल्यामुळे तेथे दिवसा तापमान अत्युच्च असते, तर रात्री ते अत्यल्प असते. दगडी कोळसा, खनिज तेल, नैसर्गिक वायू या इंधनांचा वाढता जागतिक वापर, वाढती लोकसंख्या, वाढती जंगलतोड या कारणांमुळे वातावरणातील कार्बन डाय-ऑक्साइडाचे प्रमाण झपाट्याने वाढत आहे. त्यामुळे पृथ्वीचे तापमान वाढत जाऊन पृथ्वीपृष्ठावरील बर्फ वितळेल आणि अखेर समुद्रकिनाऱ्यावरील गावे जलमय होतील. त्यामुळे मानवाचे अतोनात नुकसान होईल, अशी भीती निर्माण झाली आहे. अर्थात असेही शक्य आहे की, ज्या कारणांमुळे तापमान कमी होते अशी कारणे उद्‌‌भवून कार्बन डाय-ऑक्साइडाचे वाढते प्रमाण असूनही पृथ्वीपृष्ठाचे, तसेच वातावरणातील खालच्या थरांचे तापमान वाढणार नाही.

पृथ्वी-वातावरण प्रणालीचे प्रारण संतुलन : पृथ्वी-वातावरण प्रणालीचे सरासरी जागतिक उष्णता संतुलन आ. १ मध्ये दाखविले आहे. वातावरणाच्या बाह्यसीमेवर एक चौ.सेंमी. क्षैतिज क्षेत्रफळावरील आपाती सौर प्रारण ०.५ कॅलरी/ मिनिट (अथवा ०.१४ वॉट) असते. याप्रमाणे प्राप्त होणारी ऊर्जा १०० एकक आहे असे गृहीत धरले, तर ह्या ऊर्जेचे अनेक प्रकारे संक्रमण व स्थानांतरण होऊन शेवटी ती अवकाशात परत जाते. १०० एककांपैकी २४ एकक ऊर्जा वातावरणातील वायूंकडून आणि ढगांकडून प्रकीर्णित होते. त्याचप्रमाणे ६ एकक पृथ्वीकडून परावर्तित होते. पृथ्वी-वातावरण प्रणालीपासून ३० एकक सौर प्रारण अवकाशात जाते. पृथ्वी-वातावरण प्रणालीला मिळणाऱ्या ७० एकक ऊर्जेपैकी १७ एकक मेघ व वातावरण यांच्याकडून, तर राहिलेली ५३ एकक ऊर्जा पृथ्वीकडून शोषिली जाते. पृथ्वीने उत्सर्जित केलेल्या १०० एकक अवरक्त प्रारणापैकी ८७ एकक वातावरणातील काही घटक वायूंकडून शोषिले जातात. बाकीचे १३ एकक प्रारण अवकाशात जाते. ऊर्जाशोषणामुळे वातावरण तप्ततर होते. वातावरणाने उत्सर्जित केलेल्या अवरक्त प्रारणापैकी ५७ एकक अवकाशात जाते आणि ७६ एकक प्रारण पृथ्वीपृष्ठाकडे पुनर्प्रकीर्णित होते. अशा प्रकारे वातावरण ८७+१७=१०४ एकक ऊर्जा शोषून घेते पण ५७+७६=१३३ एकक ऊर्जा वातावरणाच्या बाहेर जाते. वातावरणाची २९ एककांची ही ऊर्जात्रुटी (१०४-१३३) एकक पृथ्वीपृष्ठ भरून काढते. पृथ्वीपृष्ठापासून निघालेली सुप्त आणि संवेद्य (सुप्त उष्णतेव्यतिरिक्त इतर) उष्णता संवहन, अभिसरण, बाष्पीभवन व संद्रवण (वाफेचे पाण्यात रूपांतर) या क्रियांनी मुक्त होऊन ही २९ एकक उष्णता वातावरणास प्राप्त होते आणि अशा प्रकारे वातावरणीय प्रारणाचे संतुलन राखले जाते. दीर्घ काळाचा विचार केला म्हणजे असे जागतिक प्रारण संतुलन आढळते.

निरनिराळ्या अक्षांशीय पट्ट्यांचा विचार केला, तर कोणत्याही अक्षांशीय पट्ट्यांत प्रारण संतुलन आढळत नाही. उष्ण कटिबंधीय पट्ट्यात आपाती सौर प्रारण अवकाशाकडे जाणाऱ्या पार्थिव प्रारणापेक्षा बरेच जास्त असते पण उच्च अक्षांशीय पट्ट्यात आपाती सौर प्रारण अवकाशाकडे जाणाऱ्या पार्थिव प्रारणापेक्षा बरेच कमी असते. आ. २ मध्ये वार्षिक अक्षांशीय सरासरी सौर प्रारण व पार्थिव प्रारण दाखविले आहे. यावरून हे स्पष्ट होते की, अक्षांश ३८ च्या आसपास आपाती सौर प्रारण आणि अवकाशाकडे जाणारे पार्थिव प्रारण यांचे संतुलन असते. या अक्षांशाला ‘ज्या अक्षांश’ म्हणतात ३८^० उ. ते ३८^० द. या पट्ट्यात सौर प्रारण पार्थिव प्रारणापेक्षा जास्त असते आणि पृथ्वीच्या बाकीच्या भागांत सौर प्रारण पार्थिव प्रारणापेक्षा बरेच कमी असते. जुलै आणि जानेवारी ह्या महिन्यांसाठी अक्षांशीय सरासरी सौर व पार्थिव प्रारण दर्शविणाऱ्या आकृत्या तयार केल्या आहेत. ह्या आकृत्या असे दर्शवितात की, जुलैमध्ये ६५ उ. व १५ द. या अक्षांशांवर प्रारण संतुलन असते आणि जानेवारीमध्ये २० उ. व ६०. द. या अक्षांशांवर संतुलन असते. ह्यावरून असे दिसून येते की, साधारणपणे पृथ्वीच्या अर्ध्या भागात सौर प्रारणाधिक्यामुळे तापमान वाढत जाईल आणि बाकीच्या अर्ध्या भागात पार्थिव प्रारणाधिक्यामुळे तापमान कमी होत जाईल पण अशी परिस्थिती वातावरणात जास्त काळ टिकू शकत नाही. वातावरणात अभिसरण सुरू होऊन ऊर्जाधिक्य भागांतून अल्प ऊर्जा असलेल्या भागांकडे ऊर्जा वाहून नेली जाते.

कोणत्याही अक्षांशीय पट्ट्यात पृथ्वीपृष्ठ एकसारखे नाही. साधारणपणे अशा पट्ट्यात काही भाग वाळवंट, काही भाग हिमाच्छादित, काही भाग महासागर, काही भाग जंगल, काही भाग पिके याप्रमाणे असतो. त्यामुळे पृथ्वीपृष्ठापासून ह्या भिन्न भागांतून अवकाशात जाणारे पार्थिव प्रारण एकसारखे राहणार नाही. वातावरणाच्या बाह्य सीमेवर पृथ्वीच्या भिन्न भागांतून प्रत्येक क्षैतिज चौ.सेंमी. क्षेत्रफळावरून दर मिनिटाला किती प्रारण अवकाशात गेले, तसेच दर चौ.सेंमी. वर दर मिनिटाला किती सौर प्रारण प्राप्त झाले ही दोन्हीही कृत्रिम उपग्रहांवर बसविलेल्या उपकरणांच्या साहाय्याने मापिली जातात. या मापनांवरून नक्त प्रारणाचे गणन केले जाते. कृत्रिम उपग्रहाद्वारे प्राप्त झालेल्या १६३२ ते १९७० ह्या कालातील १७ ऋतूंचे सरासरी नक्त प्रारणाचे वितरण आ. ३ मध्ये दाखिवले आहे. या आकृतीत उणे चिन्ह ऊर्जा त्रुटी दर्शविते आणि अधिक चिन्ह ऊर्जाधिक्य दर्शविते. ऊर्जेच्या अशा विषम वितरणातून वातावरण अभिसरण व सागरी प्रवाह निर्माण होतात आणि त्यामुळे उष्ण कटिबंधातील ऊर्जा ध्रुवीय प्रदेशांकडे पोहोचविण्याचे काम केले जाते. या ऊर्जावहनाच्या क्रियेत वातावरणात अनेक घडामोडी होऊन अनेक आविष्कारांची निर्मिती होते.

वातावरण हे बाष्पित्र (वाफ निर्माण करण्यासाठी असलेले पाणी तापविण्याचे साधन) व संधारित्र (वाफेचे पाण्यात रूपांतर करणारे साधन) असलेल्या ऊष्मीय एंजिनासारखे (उष्णतेचे यांत्रिक ऊर्जेत रूपांतर करणाऱ्या साधनासारखे) आहे. उष्ण कटिबंधीय प्रदेश बाष्पित्राची भूमिका बजावतात, तर ध्रुवीय प्रदेश संधारित्राची भूमिका बजावतात. ऊष्मीय एंजिनातील उष्णतेचे उगमस्थान म्हणजे विषुववृत्तीय प्रदेश आणि उष्णतेचे लयस्थान म्हणजे ध्रुवीय प्रदेश ह्यांच्यातील कार्यकारण संबंधानुसार ऊर्जाप्रवाह सुरू होतात व पवनव्यूह अस्तित्वात येतात. हे वारे व सागरी प्रवाह यांमुळे ऊर्जेचे योग्य प्रमाणात स्थानांतरण होऊन पृथ्वी-वातावरण प्रणालीचे उष्णता संतुलन टिकून राहते.

पहा : उष्णता प्रारण प्रारण.

संदर्भ : 1. Budyko, M. I. Heat Balance of the Earth’s Surface, Leningrad, 1958.

           2. Hanwell, J, Atmospheric Processes, London, 1980.

           3. Houghton, H. G. Phisical Meteorology, Cambridge mass., 1985.

           4. Johnson, J. C. Physical Meteorology, Cambridge, Mass., 1974.

           5. Kondratyev, K. Y. Radiation in the Atmosphere, New York, 1969.

गोडबोले, र. वि. मुळे, दि. आ.

“