वातावरणीय अभिसरण -५
१९ व्या शतकातील प्रगती
विषुववृत्तीय प्रदेशामधील तापलेली हवा उर्ध्वदिशेने जाते व त्यामुळे भूपृष्ठाजवळील हवेचा दाब कमी होऊन उत्तर व दक्षिण दिशांकडून विषुववृत्ताच्या दिशेने हवा वाहते. विषुववृत्तावरची उर्ध्वदिशेला गेलेली हवा ही पृष्ठालगतच्या हवेच्या विरुद्ध दिशेने, म्हणजे धृवाच्या दिशेने प्रवास करते. विषुववृत्तीय प्रदेशातून वर गेलेली तप्त हवा थंड होऊन ध्रुवीय प्रदेशापर्यंत न जाता साधारण ३० अंश अक्षवृत्तावर खाली उतरते. अशा पद्धतीने विषुववृत्त व ३० अंश अक्षवृत्तांदरम्यान हवेचे एक चक्र कार्यरत असते. ह्या चक्राचे नियमन हे औष्णिक स्वरूपाचे असते असा सिद्धांत जॉर्ज हॅडलीने मांडला होता.
 |
| आकृती २. वातावरणीय अभिसरणाचे त्रिचक्र प्रारूप. www.met.tamu.edu येथील आकृतीवरून सुधारित. |
एकोणिसाव्या शतकाच्या सुरुवातीस जॉन डाल्टन ने अंशी दाबाचा (partial pressure) नियम सिद्ध केला. जॉन डाल्टन (१७६६ ते १८४४) हा ब्रिटिश रसायन-भौतिकी तज्ज्ञ. अंशी दाबाचा नियम असे सांगतो की वायूच्या मिश्रणाचा दाब हा त्या मिश्रणातील वायूंनी स्वतंत्ररितीने दिलेल्या दाबाच्या बेरजे एवढा असतो. थोडक्यात,
वायूंच्या मिश्रणाचा एकूण दाब = वायू क्र. १ चा दाब + वायू क्र. २ चा दाब + ----- + वायू क्र. क्ष चा दाब
हवामानशास्त्रज्ञांना ह्या नियमाचा वापर हवेतील बाष्पाचे प्रमाण मोजण्यासाठी, तसेच वातावरणाबद्दलचे औष्णिकगतिविषयक (thermodynamic) ज्ञान वाढविण्यासाठी होऊ लागला.
ब्रिटिश शास्त्रज्ञ जेम्स प्रेस्कॉट ज्यूल्स (१८१८ ते १८८९) याने औष्णिक व गतिज उर्जा यांच्या परस्परसंबंधाचा अभ्यास केला. ह्या अभ्यासाचे निष्कर्ष त्याने नियमांच्या स्वरूपात मांडले, तेच औष्णिकगतिशास्त्राचे नियम (laws of thermodynamics). ह्या नियमांना हवामानशास्त्रामधे मोठेच महत्व आहे. वातावरणीय अभिसरण ह्या नियमांनुसार होत असते. औष्णिकगतिशास्त्राचा पहिला नियम हा ऊर्जा अक्षय्यतेचा नियम म्हणूनही ओळखला जातो, जो वातावरणीय अभिसरणाचे कोडे सोडविण्यात महत्वाची भूमिका बजावतो.
एकोणिसाव्या शतकाच्या सुरूवातील 'द्रव स्थितिगतिशास्त्र' (fluid dynamics) व 'जलस्थितिगतिशास्त्र' (Hydrodynamics) ह्या नवीन शास्त्रशाखा उदयास आल्या. ह्या शाखांच्या प्रगतीस हातभार लावणाऱ्या अनेक शास्त्रज्ञांनी वातावरणीय अभिसरणाच्या आकलनातील प्रगतीस प्रत्यक्ष-अप्रत्यक्षरित्या चालना दिलेली आहे. इंग्लिश भौतिकशास्त्रज्ञ व गणितज्ज्ञ सर ओसबॉर्न रेनोल्ड्स (१८४२ ते १९१२), फेंच पंडित क्लॉड लुइस मरी हेन्री नेवियर (१७८५ ते १८३६) आणि इंग्लिश शास्त्रज्ञ जॉर्ज गॅब्रिएल स्टोक्स (१८१९ ते १९०३) ह्या तीन शास्त्रज्ञांनी 'द्रव स्थितिगतिशास्त्र' शाखेमधे मोठे योगदान दिले आहे. नळीतून वाहणाऱ्या द्रवासंदर्भात रेनॉल्डने असे दाखवून दिले की द्रवाची घनता (घ), द्रवाची गती (ग) आणि नळीचा व्यास (न) ह्या तीन राशींच्या गुणाकाराचे त्या द्रवाच्या स्थितिज विष्यंदितेशी (व) (विष्यंदिता = viscosity, स्थितीज विष्यंदिता = dynamic viscosity) गुणोत्तर घेतल्यास मिळणारा अंक हा एक महत्वाचा अंक असून तो त्या द्रवाच्या वाहण्याविषयी महत्त्वाची माहिती पुरवतो. ह्या महत्त्वपूर्ण अंकाला रेनॉल्डचा अंक (र) असे म्हणतात. थोडक्यात,
र = (घ x ग x न) / (व)
'र' हा मितिविरहित (dimensionless) अंक आहे. एखाद्या वाहत्या द्रवासाठी 'र' ची किंमत ३० पेक्षा कमी असल्यास द्रवाचा प्रवाह संथ (मंद ह्या अर्थी नव्हे तर सलग, एका दिशेने अशा अर्थी, laminar अथवा Poiseuille प्रवाह), तर 'र' ची किंमत ३० पेक्षा अधिक असल्यास प्रवाह खळाळता, उसळणारा (Turbulant) असतो.
नेवियर व स्टोक्स ह्या दोन्ही शास्त्रज्ञांनी मांडलेली द्रवस्थितिगतिशास्त्रातील व हवामानशास्त्रातील दोन महत्वाची समीकरणे हा एकोणिसाव्या शतकातील हवामानशास्त्रातील प्रगतीचा एक महत्वाचा टप्पा वातावरण वा हवा हा एक प्रवाही पदार्थ असल्याने द्रवस्थितिगतिशास्त्रातील प्रगतीचा प्रत्येक टप्पा हा वातावरणीय अभिसरणाचे आकलन वाढविण्यास हातभार लावत असतो.
अठराव्या शतकापर्यंत हवामान नोंदी ह्या भूपृष्ठालगतच्या हवामानाच्या नोंदी असत. तप्तवायूच्या फुग्याची निर्मिती १८ व्या शतकाच्या अखेरीस झालेली असली तरी ह्या फुग्यांतून हवामानमापक उपकरणे पाठवणे शक्य झाले नव्हते. अशा फुग्यातून पाठवलेली उपकरणे वातावरणाच्या वरच्या स्तरांपर्यंत पोहोचल्यावर उपकरणांनी घेतलेल्या हवामानाच्या नोंदी ह्या उपकरणांमधे साठवणे, ही उपकरणे सुखरूप जमीनीवर आणणे, तशी आणता आल्यास उपकरणांनी साठवलेल्या नोंदी उतरवून घेता येणे, अशा असंख्य अडचणी त्यावेळी होत्या. तरीही फुग्यांमधून उपकरणे वातावरणाच्या वरच्या स्तरांत पाठवण्याचे काही प्रयत्न त्यावेळी लोकांनी केले होते. १९ व्या शतकामधे वातावरणाच्या वरच्या स्तरांतील हवामान नोंदींची आवश्यकता शास्त्रीय जगाला पटलेली होती. वातावरणीय अभिसरण जाणून घेण्यासाठी ह्या नोंदी अत्यावश्यक होत्या. फुग्यातून उपकरणे पाठवून अशा नोंदी मिळविण्याच्या पद्धतीत ह्या काळात अनेक सुधारणा झाल्या. १९ व्या शतकाच्या मध्यापर्यंत असे फुगे वातावरणात सोडून हवामाननोंदी मिळविण्याचे अनेक प्रयत्न यशस्वी ठरले आणि नियमितपणे हवेच्या वरच्या स्तरातील हवामानाच्या नोंदी ठेवण्याची परंपरा सुरू झाली. ब्रिटिश शास्त्रज्ञ जेम्स ग्लेइशर (१८४८ ते १९२८) यांनी १८६२ ते १८६६ च्या दरम्यान २८ फुग्यांच्या झेपा (flights) यशस्वी करून वातावरणीय घटकांच्या नोंदी मिळविल्या. वातावरणाच्या वरच्या स्तरांतील हवामान नोंदींबरोवरच सागरीपृष्ठावरील वातावरणाच्या नोंदी मिळविणेही आवश्यक आहे ह्याची शास्त्रज्ञांना खात्री पटली होती. त्यावेळी बोटींवर शात्रीय उपकरणे ठेवून बोटीवरील लोकांनी सागरी पाण्याच्या व सागरीपृष्ठावरील हवामानाच्या नोंदी ठेवणे हा एकमेव पर्याय उपलब्ध होता.
अमेरिकी हवामानतज्ञ विल्यम रेड्फील्ड (१७८९ ते १८५७) यांनी अमेरिका खंडाला धडक देणाऱ्या चक्रीवादळांची निरीक्षणे केली. त्यांचे निष्कर्ष १८३१ आणि १८३३ मधे दोन शोधनिबंधांद्वारे प्रसिद्ध झाले. त्यांच्या निष्कर्षांनुसार प्रत्येक चक्रिवादळाशी संबंधित असा वाऱ्याचा एक आकृतिबंध (wind system) असतो. चक्रीवादळाच्या मध्यभागी शांत प्रदेश (वादळाचा डोळा) असतो तर ह्या शांत प्रदेशाच्या भोवतीच्या प्रदेशात घड्याळाच्या विरुद्ध दिशेने वारे वाहत असतात. चक्रीवादळाची गती खूप नसली तरी ह्या वाऱ्यांची गती मात्र खूपच असते.
१८४८ मधे लॉर्ड विल्यम थॉमस केल्विन ने तापमान मोजण्याची नवीन निरपेक्ष (absolute) मापनश्रेणी तयार केली. आज ही मापनश्रेणी विशेषतः शास्त्रीय समीकरणांमधे व आकडमोडींमधे प्रमाणित तापमान परिस्थिती ठरविण्यासाठी वापरली जाते.
हॅडलीच्या वातावरणीय अभिसरणविषयक संकल्पनांमधे एकोणिसाव्या शतकामधे दोन मोठ्या सुधारणा करण्यात आल्या. ह्या सुधारणा फ्रेंच शास्त्रज्ञ गॅस्पार्ड-गुस्ताव कॉरिऑलिस (१७९२ ते १८४३) व अमेरिकी शास्त्रज्ञ विल्यम फेरेल (१८१७-१८९१) ह्या दोन शास्त्रज्ञांच्या वातावरणीय हालचालींवरील अभ्यासावर आधारित होत्या. १८५६ मधे फेरेलचा 'वारे व समुद्रपवाह यांविषयी' असे शीर्षक असलेला निबंध प्रसिद्ध झाला. हा निबंध म्हणजे हवामानशास्त्रज्ञांच्या हातात आलेली सोन्याची खाणच. फेरेल ने लागोपाठ १८८२, १८८४, १८८६ आणि १८८९ मधे वातावरण आणि हवामानविषयक शोधनिबंध प्रसिद्ध करून हवामानशास्त्रीय प्रगतीमधे मोठीच भर घातली. दोन्ही गोलार्धातील ३० अंश अक्षवृत्त आणि ६० अंश अक्षवृत्तांदरम्यान आढळणारे वातावरणीय अभिसरणचक्र हे फेरेल च्या नावाने ओळखले जाते. हे 'फेरेल चक्र' दुय्यम मानले जाते कारण ह्या चक्राचे सामर्थ्य आणि अस्तित्व हे 'हॅडली चक्र' आणि 'ध्रुवीय चक्रा'वर अवलंबून असते (आकृती २). फेरेल चक्राचे अस्तित्व हे उपविषुववृत्तीय अधिक दावाचा पट्टा (subtropical high) ते ध्रुवीय कमी दाबाचा पट्टा (polar low) ह्या दोन पट्ट्यांदरम्यान आढळते.
कॉरिऑलिस ने असे दाखवून दिले की न्यूटनचे स्थिर संदर्भचौकटीतील (frame of reference) नियम फिरत्या संदर्भचौकटीमधील (rotating frame of reference) वस्तूंसाठी वापरावयाचे असतील तर त्या गतिविषयक समीकरणांमधे जडत्वीय बलाचा (inertial force) अंतर्भाव करणे जरूरीचे आहे. पृथ्वी स्वतःभोवती फिरते. पृथ्वीवरील वस्तूंची पृथ्वीसापेक्ष हालचालींची समीकरणे मांडायची झाली तर त्या समीकरणांमधे पृथ्वी फिरत असल्याने घडत असणारे परिणाम दाखविणारा घटक अंतर्भूत केला पाहिजे.
 |
आकृती ३. कॉरिऑलिस बलामुळे हलणारी वस्तू |
एकोणिसाव्या शतकामधे निर्माण झालेल्या तारायंत्राचा वापर एखाद्या ठिकाणच्या हवामान नोंदी दुसऱ्या ठिकाणी पाठवण्यासाठी होऊ लागला आणि जागतिक हवामानाचा आढावा घेण्याचे प्रयत्न सुरू झाले. हवामान नोंदी जास्तीतजास्त अचूकतेने करण्याबरोबरच जगातील हवामानतज्ज्ञांचा एकमेकांशी होणारा संपर्कही हवामानशास्त्राच्या प्रगतीस मोठ्या प्रमाणात कारणीभूत ठरला. अठराव्या शतकाच्या अखेरीस मान्यता पावलेल्या वातावरणाभिसरणाच्या हॅडली प्रारूपामधे बदल होऊन एकोणिसाव्या शतकाच्या अखेरीपर्यंत वातावरणाभिसरणाचे 'त्रिचक्र प्रारूप - हॅडली, फेरेल व ध्रुवीय चक्र' (आकृती २) सर्वत्र मान्य झाले होते.
विसाव्या शतकामधे हवामानशास्त्राच्या प्रगतीने मोठी झेप घेतली, त्याबद्दल पुढिल लेखात विस्ताराने पाहू.