सौर्यताप और तापमान का वितरण | संघ लोक सेवा आयोग (UPSC) भूगोल

भौतिक भूगोल की लगभग हर प्रक्रिया, व्यापारिक पवन, मानसून, महासागरीय धाराएँ, मरुस्थल, हिमनद और दिल्ली व चेन्नई की जनवरी सुबह का अंतर, एक असमान तथ्य से शुरू होती है: सूर्य पृथ्वी को बराबर गरम नहीं करता। सूर्य से आने वाली ऊर्जा को सौर्यताप (insolation) कहते हैं, जो आगत सौर विकिरण (incoming solar radiation) का छोटा नाम है। यही तापमान, वायुदाब, पवन और वर्षा की मुख्य चालक है। इसे समझ लें तो जलवायु विज्ञान अलग-अलग तथ्यों की सूची नहीं, कारण-परिणाम की शृंखला बन जाता है।

वायुमंडल का अध्ययन यहीं से शुरू होना चाहिए। पहले वायुमंडल की ऊपरी सीमा से जमीन तक ऊर्जा का मार्ग और ऊष्मा बजट में उसका बँटवारा देखेंगे। फिर तापमान तय करने वाले सात कारक, ऊँचाई के साथ ताप का बदलाव, मानचित्र पर क्षैतिज वितरण और अंत में आर्द्रता समझेंगे। ताप और नमी जुड़े हैं और परीक्षा अक्सर इनके संबंध को पूछती है।

सौर्यताप और ऊष्मा बजट का संतुलन

सौर्यताप पृथ्वी की सतह पर प्रति इकाई क्षेत्र मिलने वाली सौर ऊर्जा है। सूर्य इसे लघु-तरंग विकिरण के रूप में देता है, जिसमें दृश्य प्रकाश और पराबैंगनी किरणें शामिल हैं। वायुमंडल की ऊपरी सीमा पर सूर्य किरणों के लंबवत रखी सतह को लगभग 1.94 कैलोरी प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति मिनट ऊर्जा मिलती है। इसे सौर स्थिरांक (solar constant) कहते हैं। ऊपर यह लगभग स्थिर है, लेकिन जमीन तक पहुँचते समय वायुमंडल, पृथ्वी की गोलाई, झुकाव और घूर्णन के कारण हर स्थान को अलग मात्रा मिलती है।

आगत ऊर्जा को 100 इकाई मानें तो लगभग 35 इकाई अवशोषित हुए बिना अंतरिक्ष में लौट जाती हैं। करीब 27 बादलों के ऊपरी भाग से, 6 धूल व गैस के अणुओं से बिखरकर और 2 चमकदार हिम व बर्फ से परावर्तित होती हैं। यह परावर्तित अंश पृथ्वी का ऐल्बीडो (albedo) यानी परावर्तन क्षमता है। बाकी 65 इकाई अवशोषित होती हैं: 14 वायुमंडल और 51 पृथ्वी की सतह लेती है।

पृथ्वी यह ऊष्मा जमा नहीं रखती। सतह 51 इकाई को दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण के रूप में ऊपर भेजती है। यह अवरक्त ऊर्जा है, जिसे जलवाष्प और कार्बन डाइऑक्साइड जैसी गैसें अच्छी तरह रोकती हैं। इसमें 17 इकाई सीधे अंतरिक्ष जाती और 34 वायुमंडल अवशोषित करता है। वायुमंडल के पास पहले की 14 जोड़कर 48 इकाई होती हैं, जिन्हें वह आखिर अंतरिक्ष में विकिरित करता है। इस तरह 17 + 48 = 65 इकाई बाहर जाती हैं, ठीक उतनी ही जितनी अवशोषित हुईं। यही वायुमंडलीय ऊष्मा बजट है। वैश्विक स्तर पर संतुलन रहता है, लेकिन हर क्षेत्र में नहीं। क्षेत्रीय असंतुलन ही पवन और महासागरीय धाराएँ चलाता है।

तापमान वितरण नियंत्रित करने वाले सात कारक

पहला और सबसे शक्तिशाली कारक अक्षांश, यानी किरणों का आपतन कोण है। भूमध्यरेखा के पास दोपहर का सूर्य लगभग सिर के ऊपर होता है। किरणें छोटे क्षेत्र में ऊर्जा केंद्रित करती और कम वायुमंडल पार करती हैं। ध्रुवों की ओर वही किरण तिरछी पड़कर बड़े क्षेत्र में फैलती और अधिक वायु से गुजरती है। इसीलिए उष्ण कटिबंध गरम और ध्रुव ठंडे हैं। कारण सूर्य से दूरी नहीं, किरणों की ज्यामिति है।

दूसरा कारक ऊँचाई है। वायुमंडल मुख्यतः नीचे से गरम होता है, क्योंकि जमीन सौर्यताप लेकर संपर्क की हवा गरम करती है। सतह से ऊपर जाने पर ताप घटता है, इसलिए समान अक्षांश पर शिमला चंडीगढ़ से ठंडा है। तीसरा कारक समुद्र से दूरी या महाद्वीपीयता है। जमीन जल्दी गरम-ठंडी होती है, पानी धीरे, क्योंकि वह पारदर्शी है, धाराओं से मिलता है और वाष्पीकरण में ऊष्मा खर्च करता है। तट का वार्षिक तापांतर छोटा रहता है, जबकि महाद्वीप के भीतर गर्मियाँ बहुत गरम और सर्दियाँ बहुत ठंडी होती हैं।

बाकी चार कारक बदलाव को और मोड़ते हैं। गल्फ स्ट्रीम जैसी गरम महासागरीय धारा उष्ण ऊष्मा ध्रुव की ओर ले जाकर उत्तर-पश्चिम यूरोप को अपेक्षा से गरम रखती है। लैब्राडोर या बेंगुएला जैसी ठंडी धारा तट ठंडा करती है। प्रचलित पवन अपने स्रोत क्षेत्र का ताप लाती है। बादल दिन में किरणें लौटाकर सतह ठंडी और रात में पार्थिव विकिरण रोककर गरम रखते हैं, इसलिए बादल वाले स्थान का दैनिक तापांतर साफ मरुस्थल से कम है। ढाल की दिशा भी महत्त्वपूर्ण है। उत्तरी गोलार्ध में दक्षिणमुखी ढाल अधिक धूप लेकर गरम होती है, इसलिए बस्ती और बाग वहाँ अधिक मिलते हैं; उत्तरमुखी छायादार ढाल ठंडी रहती है।

ऊँचाई के साथ तापमान: तापह्रास दर और उत्क्रमण

ऊपर जाने पर ताप सामान्यतः घटता है। औसत गिरावट लगभग 6.5°C प्रति किलोमीटर है, जिसे सामान्य या पर्यावरणीय तापह्रास दर (normal lapse rate) कहते हैं। लगभग हर 165 मीटर पर 1°C की कमी होती है। इसीलिए पर्वत-शिखर पर हिम और नीचे घाटी में हरियाली हो सकती है। समुद्र तल के ताप से ऊँचाई का ताप अनुमान लगाने में यही संख्या काम आती है।

मुख्य अपवाद तापमान उत्क्रमण (temperature inversion) है, जिसमें ऊपर जाने पर ताप घटने के बजाय बढ़ता है। लंबी, शांत, साफ और सूखी शीतकालीन रात में जमीन तेजी से विकिरण छोड़कर ठंडी होती है। उसके संपर्क की हवा ऊपर की हवा से भी ठंडी हो जाती है। घाटी में भारी ठंडी हवा जमा हो तो उत्क्रमण और मजबूत होता है। स्थिर ठंडी परत ढक्कन की तरह ऊर्ध्व मिश्रण रोकती है, इसलिए धुआँ, कोहरा और प्रदूषक जमीन के पास फँसते हैं। इसी कारण उत्तर भारतीय शहरों में शांत सर्द सुबह घना धुआँ-कोहरा होता है।

गरम हवा ठंडी हवा से अधिक जलवाष्प धारण कर सकती है। सुबह सूर्य से ताप बढ़ता है तो हवा की नमी क्षमता बढ़ती और सापेक्ष आर्द्रता घटती है। भोर से ठीक पहले सबसे ठंडे समय में क्षमता सबसे कम और सापेक्ष आर्द्रता सबसे अधिक होती है। संतृप्ति पर ओस या कोहरा बन सकता है। दिन में तापमान और सापेक्ष आर्द्रता सामान्यतः विपरीत दिशा में चलते हैं।

क्षैतिज वितरण: समताप रेखाएँ और गोलार्ध

मानचित्र पर समान ताप वाले स्थानों को समताप रेखा (isotherm) जोड़ती है। अक्षांश प्रमुख नियंत्रण होने से वे मोटे तौर पर अक्षांश रेखाओं के समानांतर पूर्व-पश्चिम चलती हैं। लेकिन हर मोड़ किसी कारक की कहानी बताता है: गरम या ठंडी धारा, पर्वत या सबसे अधिक जमीन-समुद्र की सीमा।

जमीन जल्दी गरम और ठंडी होती है। इसलिए गर्मी में समताप रेखाएँ गरम महाद्वीपों पर ध्रुव की ओर और सर्दी में ठंडे महाद्वीपों पर भूमध्यरेखा की ओर मुड़ती हैं। महासागर पर वे अधिक स्थिर रहती हैं। उत्तरी गोलार्ध में जमीन और दक्षिणी में महासागर अधिक हैं। जमीन के बड़े ताप परिवर्तन के कारण समान अक्षांश पर उत्तरी गोलार्ध का वार्षिक तापांतर दक्षिणी से अधिक है। 45° उत्तर और 45° दक्षिण जलवायु के दर्पण नहीं हैं; उत्तर में गरम गर्मी और ठंडी सर्दी, दक्षिण में समुद्री प्रभाव से हल्का मौसम मिलता है। कारण महाद्वीपीयता है, अक्षांश नहीं।

ऊर्ध्व और क्षैतिज वितरण अलग विषय नहीं हैं। दोनों एक ही सौर्यताप और नियंत्रणों से बनते हैं। तट पर समताप रेखा का मोड़ उसी महाद्वीपीयता का मानचित्र रूप है जो उत्तरी गोलार्ध का वार्षिक तापांतर बढ़ाती है।

आर्द्रता: निरपेक्ष, विशिष्ट और सापेक्ष

आर्द्रता हवा में जलवाष्प की मात्रा है, लेकिन इसे तीन तरह मापते हैं। निरपेक्ष आर्द्रता (absolute humidity) प्रति इकाई आयतन हवा में जलवाष्प का वास्तविक द्रव्यमान है, ग्राम प्रति घन मीटर। ताप और दाब से हवा फैलने या सिकुड़ने पर बिना जलवाष्प बदले यह संख्या बदल सकती है।

विशिष्ट आर्द्रता (specific humidity) प्रति इकाई वायु-द्रव्यमान जलवाष्प का द्रव्यमान, ग्राम प्रति किलोग्राम है। आयतन बदलने पर यह स्थिर रहती है, इसलिए मौसम वैज्ञानिक चलती वायु राशि के लिए इसे पसंद करते हैं। सापेक्ष आर्द्रता (relative humidity) उस तापमान पर हवा में मौजूद जलवाष्प और अधिकतम धारण क्षमता का प्रतिशत अनुपात है। हवा गरम करें तो क्षमता बढ़ती और वही नमी कम प्रतिशत भरती है; ठंडा करें तो प्रतिशत बढ़ता है। 100 प्रतिशत पर हवा संतृप्त होती है और आगे ठंड से ओस, कोहरा या बादल बनते हैं। इसी कारण दिन के सबसे ठंडे समय सापेक्ष आर्द्रता सबसे अधिक होती है।

मुख्य परीक्षा के उत्तर में कैसे लिखें?

यह सामान्य अध्ययन प्रश्नपत्र 1 (GS Paper 1) के भौतिक भूगोल और महत्त्वपूर्ण भूभौतिक घटनाओं का मूल विषय है। मानसून, वायुदाब और पवन पट्टियों में भी यही असमान ताप काम करता है। उत्तर को सौर्यताप से बजट, फिर नियंत्रण और देखे गए वितरण तक कारण-शृंखला में लिखें।

उत्तर की रचना

सौर्यताप को चालक और ऊष्मा बजट को वैश्विक संतुलन का प्रमाण बताएँ। फिर सात कारक लिखें: अक्षांश, ऊँचाई, महाद्वीपीयता, धाराएँ, पवन, बादल और ढाल-दिशा। ऊर्ध्व रूप में तापह्रास व उत्क्रमण, क्षैतिज रूप में समताप रेखा और गोलार्ध अंतर दिखाएँ। अंत में ताप को आर्द्रता से जोड़ें। चालक, संतुलन, नियंत्रण, वितरण और नमी का क्रम अधिकतर प्रश्नों पर लागू होता है।

आम गलतियाँ

उष्ण कटिबंध को सूर्य के “पास” होने से गरम न बताएँ; कारण आपतन कोण है। निरपेक्ष आर्द्रता द्रव्यमान प्रति आयतन, विशिष्ट द्रव्यमान प्रति द्रव्यमान और सापेक्ष क्षमता का प्रतिशत है। ठंडी सुबह सापेक्ष आर्द्रता अधिक होती है, कम नहीं। उत्तरी गोलार्ध का अधिक वार्षिक तापांतर अक्षांश नहीं, अधिक जमीन और महाद्वीपीयता के कारण है।

संक्षिप्त उत्तर-ढाँचा

सौर्यताप = लघु तरंग, सौर स्थिरांक लगभग 1.94 कैलोरी/वर्ग सेंटीमीटर/मिनट → 100 में 35 परावर्तित + 65 अवशोषित, 14 वायुमंडल + 51 सतह; वापसी 17 + 48 = 65 → सात कारक → सामान्य तापह्रास लगभग 6.5°C/किमी, शांत-साफ-सूखी शीत रात में उत्क्रमण → समताप रेखाएँ तट पर मुड़तीं, महाद्वीपीयता से उत्तरी गोलार्ध का तापांतर अधिक → आर्द्रता: निरपेक्ष ग्राम/घन मीटर, विशिष्ट ग्राम/किलोग्राम, सापेक्ष क्षमता का प्रतिशत और ताप घटने पर वृद्धि।

आरेख कैसे बनाएँ?

ऊष्मा बजट बनाइए: ऊपर 100 इकाई आगत, 35 परावर्तित, 14 वायुमंडल और 51 जमीन को; फिर 17 और 48 की वापसी। 65 अंदर और 65 बाहर साफ दिखना चाहिए। सरल ऊर्जा-प्रवाह चित्र जल्दी अंक दिलाता है।

संतुलित निष्कर्ष

पृथ्वी का ताप अदृश्य लेखे का दृश्य परिणाम है: ऊर्जा आती, परावर्तित, अवशोषित और लगभग बराबर लौटती है। वैश्विक संतुलन के बावजूद अक्षांश, जमीन और समुद्र में असमान बँटवारा दुनिया की हर पवन और धारा को गति देता है।

आँकड़ों का सही उपयोग

तीन आधार पर्याप्त हैं: सौर स्थिरांक लगभग 1.94 कैलोरी प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति मिनट, बजट में 35 परावर्तित, 51 सतह व 14 वायुमंडल, और सामान्य तापह्रास 6.5°C प्रति किलोमीटर। इन्हें मानक ऊष्मा-संतुलन मॉडल कहकर लिखें।

सामान्य प्रश्न

सौर्यताप और सौर स्थिरांक में क्या अंतर है? सौर्यताप किसी स्थान पर प्रति इकाई क्षेत्र मिलने वाली लघु-तरंग ऊर्जा है, जो अक्षांश, ऋतु, समय और वायुमंडल से बदलती है। सौर स्थिरांक वायुमंडल की ऊपरी सीमा पर लंबवत सतह को मिलने वाली लगभग 1.94 कैलोरी प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति मिनट ऊर्जा है।

ऊँचाई पर ताप क्यों घटता और सामान्य तापह्रास कितना है? जमीन सौर्यताप लेकर हवा को नीचे से गरम करती है, इसलिए सतह से दूर ऊपर हवा ठंडी होती है। औसत गिरावट लगभग 6.5°C प्रति किलोमीटर है। इसी कारण समान अक्षांश पर पहाड़ी नगर मैदान से ठंडे होते हैं।

तापमान उत्क्रमण क्या है? इसमें ऊँचाई के साथ ताप बढ़ता है। साफ, शांत, सूखी लंबी शीत रात में जमीन जल्दी ठंडी होकर पास की हवा को ऊपर की हवा से ठंडा कर देती है। स्थिर परत कोहरा और प्रदूषण जमीन के पास रोकती है।

सुबह सापेक्ष आर्द्रता सबसे अधिक क्यों होती है? ठंडी हवा की नमी धारण क्षमता कम है। भोर से पहले ताप सबसे कम होने पर वही जलवाष्प क्षमता का बड़ा प्रतिशत भरती है, इसलिए सापेक्ष आर्द्रता अधिक और ओस या कोहरा संभव होता है।

अभ्यास प्रश्न

प्रारंभिक परीक्षा बहुविकल्पीय प्रश्न

1. 100 इकाई आगत सौर्यताप में अवशोषित ऊर्जा कैसे बँटती है?
   (a) वायुमंडल 51, सतह 14
   (b) वायुमंडल 14, सतह 51
   (c) सतह 35, वायुमंडल 30
   (d) सतह 65, वायुमंडल शून्य
   उत्तर: (b) 35 परावर्तित और 65 अवशोषित होती हैं, जिनमें 14 वायुमंडल और 51 सतह लेती है।
2. उष्ण कटिबंध ध्रुवों से अधिक गरम मुख्यतः क्यों है?
   (a) सूर्य के पास है
   (b) भूमध्यरेखा पर किरणें अधिक लंबवत पड़ती हैं
   (c) ध्रुवीय हवा में जलवाष्प नहीं
   (d) सूर्य भूमध्यरेखा की ओर अधिक ऊर्जा देता है
   उत्तर: (b) लंबवत किरण छोटी जगह में ऊर्जा केंद्रित और कम वायुमंडल पार करती है।
3. सामान्य तापह्रास के बारे में सही कथन क्या है?
   (a) हर किलोमीटर ताप 6.5°C बढ़ता है
   (b) हर किलोमीटर ताप लगभग 6.5°C घटता है
   (c) क्षोभमंडल में ताप स्थिर रहता है
   (d) हर किलोमीटर केवल 1°C घटता है
   उत्तर: (b) वायुमंडल सतह से गरम होने के कारण औसत गिरावट 6.5°C प्रति किलोमीटर है।
4. समान अक्षांश पर उत्तरी गोलार्ध का वार्षिक तापांतर अधिक क्यों है?
   (a) उसे अधिक सौर्यताप मिलता है
   (b) वहाँ जमीन का अनुपात अधिक और गरम-ठंडा होना तीव्र है
   (c) महासागरीय धाराएँ नहीं हैं
   (d) दक्षिणी गोलार्ध सूर्य से झुका है
   उत्तर: (b) जमीन पानी से जल्दी गरम-ठंडी होती है; इसे महाद्वीपीयता कहते हैं।
5. विशिष्ट आर्द्रता क्या है?
   (a) प्रति आयतन वायु जलवाष्प द्रव्यमान
   (b) प्रति वायु-द्रव्यमान जलवाष्प द्रव्यमान
   (c) क्षमता के सापेक्ष नमी प्रतिशत
   (d) संतृप्ति ताप
   उत्तर: (b) यह ग्राम जलवाष्प प्रति किलोग्राम हवा है और हवा के फैलने-सिकुड़ने पर स्थिर रहती है।

मुख्य परीक्षा अभ्यास प्रश्न

1. वायुमंडल का ऊष्मा बजट समझाइए और बताइए कि सतह के असमान ताप के बावजूद पृथ्वी समग्र तापीय संतुलन कैसे रखती है। (15 अंक, 250 शब्द)
2. “अक्षांश तापमान का व्यापक ढाँचा बनाता है, लेकिन उसे मोड़ने वाले कारक असली कहानी बताते हैं।” पृथ्वी की सतह पर क्षैतिज ताप वितरण नियंत्रित करने वाले कारकों की समीक्षा कीजिए। (15 अंक, 250 शब्द)
3. सामान्य तापह्रास और तापमान उत्क्रमण में अंतर कीजिए। उत्क्रमण किन दशाओं में बनता है और उत्तर भारत में शीतकालीन वायु प्रदूषण क्यों बढ़ाता है? (10 अंक, 150 शब्द)
4. समान अक्षांश पर दक्षिणी गोलार्ध की तुलना में उत्तरी गोलार्ध का वार्षिक तापांतर अधिक होने के कारण बताइए। (10 अंक, 150 शब्द)
5. निरपेक्ष, विशिष्ट और सापेक्ष आर्द्रता में अंतर कीजिए तथा सुबह के शुरुआती घंटों में सापेक्ष आर्द्रता अधिक होने का कारण समझाइए। (15 अंक, 250 शब्द)