सूर्यातप, ऊष्मा बजट और तापमान: परीक्षा नोट्स

सूर्यातप वह आगत सौर विकिरण है जो पृथ्वी तक पहुंचता है। सूर्य प्रत्येक दिशा में ऊर्जा बिखेरता है और पृथ्वी, बड़ी दूरी पर एक छोटा लक्ष्य, उसका केवल लगभग दो अरबवां भाग रोकती है, फिर भी वही अंश ग्रह की प्रत्येक पवन, प्रत्येक धारा और प्रत्येक जलवायु को चलाता है। यह अध्याय बताता है कि यह ऊर्जा कैसे आती है, उसका कितना भाग लौटा दिया जाता है, वायुमंडल ऊपर से नहीं बल्कि नीचे से कैसे गर्म होता है, और किसी स्थान का तापमान भूमध्य रेखा से उसकी दूरी के अतिरिक्त किन बातों पर निर्भर करता है। परीक्षक इस अध्याय को पसंद करते हैं, क्योंकि इसके तथ्य संख्यात्मक और निश्चित हैं: ऊष्मा बजट की इकाइयां, सामान्य ह्रास दर, उपसौर और अपसौर की तिथियां, तथा ऊष्मा स्थानांतरण की चार प्रक्रियाओं के नाम।

सूर्यातप और उसे नियंत्रित करने वाले कारक

पृथ्वी को मिलने वाली ऊर्जा लघु तरंगदैर्ध्य विकिरण है, जो मुख्यतः दृश्य और निकट अवरक्त भाग में होती है। किसी स्थान पर प्राप्त मात्रा पांच बातों से नियंत्रित होती है: अपनी कक्षा के तल से लगभग छियासठ और आधा अंश झुकी धुरी पर पृथ्वी का घूर्णन, सूर्य की किरणों के धरातल पर पड़ने का कोण, दिन की अवधि, वायुमंडल की पारदर्शिता, तथा स्थल की बनावट। जहां किरणें लंबवत पड़ती हैं, वही पुंज कम क्षेत्र पर फैलता है और कम वायुमंडल से गुजरता है, इसलिए तापन अधिक होता है; जहां वे तिरछी पड़ती हैं, वही पुंज अधिक क्षेत्र पर फैलता है और मार्ग में अधिक ऊर्जा खोता है। इसलिए सूर्यातप भूमध्य रेखा से ध्रुवों की ओर घटता है। परंतु धरातल पर अधिकतम मात्रा भूमध्य रेखा पर नहीं, उपोष्ण मरुस्थलों में प्राप्त होती है, क्योंकि भूमध्यरेखीय पेटी वर्ष के बड़े भाग में मेघाच्छादित रहती है जबकि मरुस्थल का आकाश स्वच्छ रहता है। पृथ्वी सूर्य के निकटतम, उपसौर स्थिति में, लगभग तीन जनवरी को और दूरतम, अपसौर स्थिति में, लगभग चार जुलाई को होती है; यह लगभग पचास लाख किलोमीटर का अंतर हमारी ऋतुओं के लिए धुरी के झुकाव से बहुत कम महत्व रखता है।

वायुमंडल कैसे गर्म होता है

• विकिरण: सूर्य पृथ्वी को लघु तरंग विकिरण से गर्म करता है, और पृथ्वी बदले में दीर्घ तरंग अवरक्त ऊर्जा विकीर्ण करती है, जिसे पार्थिव विकिरण कहते हैं।
• चालन: गर्म धरातल के संपर्क में रहने वाली वायु की परत उससे स्पर्श द्वारा ऊष्मा लेती है, इसी कारण वायुमंडल की निचली परतें सबसे गर्म होती हैं।
• संवहन: गर्म वायु फैलती है, हल्की होकर स्तंभ के रूप में ऊपर उठती है और ऊष्मा को लंबवत ऊपर ले जाती है; यह मुख्यतः क्षोभमंडल तक सीमित है।
• अभिवहन: वायु का क्षैतिज संचलन ऊष्मा को एक स्थान से दूसरे स्थान ले जाता है, और मध्य अक्षांशों में दैनिक तापमान परिवर्तन का बड़ा भाग अभिवहन से आता है, जैसे उत्तर भारत की ग्रीष्मकालीन लू।

परीक्षा के लिए महत्वपूर्ण बात यह है कि वायुमंडल आगत लघु तरंगों के लिए बहुत कुछ पारदर्शी है, परंतु कार्बन डाइऑक्साइड, जलवाष्प, मेथेन और अन्य हरितगृह गैसों के माध्यम से निर्गत दीर्घ तरंगों को सोख लेता है। इसलिए वायु नीचे से, पृथ्वी से गर्म होती है, सीधे सूर्य से नहीं।

पृथ्वी का ऊष्मा बजट

पृथ्वी दीर्घकाल में न गर्म होती है न ठंडी, अर्थात उसे अंतरिक्ष में उतनी ही ऊर्जा लौटानी पड़ती है जितनी वह प्राप्त करती है। वायुमंडल की ऊपरी सीमा पर सूर्यातप को सौ इकाई मानें, तो लगभग पैंतीस इकाई धरातल तक पहुंचने से पहले लौटा दी जाती हैं, सत्ताईस मेघों के शिखर से, दो हिम और बर्फ से ढके धरातल से, और शेष वायुमंडल द्वारा प्रकीर्णित। यही परावर्तित भाग पृथ्वी का एल्बिडो कहलाता है। शेष पैंसठ इकाइयों में से चौदह वायुमंडल के भीतर सोखी जाती हैं और इक्यावन स्थल तथा महासागरों द्वारा। धरातल सभी इक्यावन इकाइयां लौटाता है: सत्रह पार्थिव विकिरण के रूप में सीधे अंतरिक्ष में जाती हैं, और चौंतीस वायुमंडल को मिलती हैं, जिनमें छह दीर्घ तरंगों के सीधे अवशोषण से, नौ चालन और संवहन से, तथा उन्नीस संघनन की गुप्त ऊष्मा के रूप में, जो जलवाष्प के मेघ बनने पर मुक्त होती है। वायुमंडल, अपनी चौदह और धरातल से मिली चौंतीस इकाइयों के साथ, अड़तालीस इकाइयां अंतरिक्ष में विकीर्ण करता है। सत्रह और अड़तालीस मिलकर पैंसठ होते हैं, ठीक उतने ही जितने सोखे गए थे, और बजट संतुलित हो जाता है।

बजट संपूर्ण पृथ्वी के लिए संतुलित है, प्रत्येक अक्षांश के लिए नहीं। लगभग चालीस अंश उत्तर और चालीस अंश दक्षिण के बीच ऊष्मा का आधिक्य है, और उन अक्षांशों से आगे न्यूनता। पवनें और महासागरीय धाराएं इस आधिक्य को ध्रुवों की ओर ले जाती हैं, और यही स्थानांतरण वायुमंडल के सामान्य संचरण का इंजन है।

किसी स्थान का तापमान क्या नियंत्रित करता है

• अक्षांश: सूर्य की किरणों का कोण भूमध्य रेखा से दूर घटता है, इसलिए औसत तापमान अक्षांश के साथ गिरता है।
• ऊंचाई: क्षोभमंडल में तापमान ऊंचाई के साथ प्रति हजार मीटर लगभग साढ़े छह अंश सेल्सियस की सामान्य ह्रास दर से गिरता है, इसी कारण मैदानों के समान अक्षांश पर पर्वतीय स्थल ठंडे रहते हैं।
• समुद्र से दूरी: जल स्थल की तुलना में धीरे गर्म और धीरे ठंडा होता है, इसलिए तटों पर तापांतर कम और आंतरिक भागों में अधिक रहता है, जिसे महाद्वीपीयता कहते हैं।
• वायुराशि और महासागरीय धाराएं: गर्म धारा या उष्ण वायुराशि जिस तट को छूती है उसका तापमान बढ़ाती है, और ठंडी धारा घटाती है।
• स्थानीय कारक: ढाल की दिशा, वनस्पति का आवरण, मिट्टी का स्वरूप और नगर की उपस्थिति, सभी तापमापी के अंक को बदलते हैं।

समताप रेखा, तापांतर और प्रतिलोमन

नक्शे पर समान तापमान वाले स्थानों को जोड़ने वाली रेखाएं समताप रेखाएं कहलाती हैं, और वे लगभग पूर्व से पश्चिम चलती हैं तथा जहां महाद्वीप महासागर से मिलता है वहां मुड़ जाती हैं। दिन के उच्चतम और निम्नतम तापमान का अंतर दैनिक तापांतर है, और सबसे गर्म तथा सबसे ठंडे महीने का अंतर वार्षिक तापांतर; भीतरी भाग की ओर बढ़ने पर दोनों बढ़ते हैं। सामान्यतः तापमान ऊंचाई के साथ घटता है, परंतु लंबी, स्वच्छ और शांत शीत रात्रि में धरातल शीघ्र ऊष्मा खो देता है, उसके ठीक ऊपर की वायु ऊपर की वायु से अधिक ठंडी हो जाती है, और ह्रास दर उलट जाती है। इसे तापमान का प्रतिलोमन कहते हैं। यह पर्वतीय घाटियों में सामान्य है, जहां रात में ठंडी भारी वायु ढालों से नीचे सरककर तल पर जमा हो जाती है, जिससे घाटी का तल उसके ऊपर की ढाल से अधिक ठंडा रहता है; इसलिए ऐसी घाटियों में बाग और बस्तियां तल पर नहीं, ढाल पर बसाई जाती हैं। प्रतिलोमन धुएं और धूल को धरातल के पास रोक लेता है और उत्तर भारत के नगरों में शीत प्रभातों के धुंधले रहने का एक कारण यही है।