نیروی جاذبه، کششی است که بین همه اشیا به خاطر جرمشان به وجود می آید. جرم یک شیء مقدار ماده آن است. به خاطر نیروی جاذبه، شیئی که نزدیک سیاره زمین است به سوی سطح سیاره می افتد.

بر شیئی که روی سطح زمین است، به خاطر نیروی جاذبه، یک نیروی روبه پایین به وجود می آید. ما نیروی جاذبه را بر بدنمان به صورت وزنمان احساس می کنیم. همچنین نیروی جاذبه، گازهای داغی را که خورشید را تشکیل می دهد با هم نگه می دارد و سیارات نیز به خاطر نیروی جاذبه در مدارهای اطراف خورشید باقی می مانند.

انسان ها برای قرن های متمادی درباره نیروی جاذبه دچار سوء تفاهم بودند و آن را درست نمی فهمیدند. در قرن چهارم پیش از میلاد، ارسطو فیلسوف و دانشمند یونانی این ایده نادرست را تدریس می کرد که اشیای سنگین سریع تر از اشیای سبک می افتند.

مردم این ایده را تا ابتدای قرن 17 میلادی قبول داشتند. یعنی تا زمانی که گالیله دانشمند ایتالیایی آن را تصحیح کرد. گالیله گفت که همه اشیا با شتابی یکسان سقوط می کنند مگر این که مقاومت هوا یا برخی نیروهای دیگر روی آنها اثر بگذارد. شتاب یک شیء میزان تغییر سرعت آن در واحد زمان است. او گفت یک شیء سنگین و یک شیء سبک که از ارتفاعی یکسان می افتند همزمان به زمین می رسند.l

پوسته خارجی تر زمین، میلیاردها سال قبل بلافاصله بعد از این که زمین شکل گرفت سخت و محکم شد. پوسته زمین یک پوسته خاکی صرف نیست. این پوسته به صورت صفحات بسیار بزرگ و ضخیم شکسته شده ای است که روی پوشش زیرین و کم استقامت و نرمی به نام گوشته (mantle) حرکت می کند.

صفحات از سنگ و خاک ساخته شده اند و در سراسر کره زمین حرکت می کنند. آنها هم به شکل افقی (پهلوها) و هم به صورت عمودی (بالا و پایین) حرکت می کنند. همچنین پس از طی دوره های طولانی زمانی، اندازه صفحات تغییر می کند. مثلاً به حاشیه هایشان اضافه می شود، به همدیگر برخورد می کنند یا به سمت پایین و به سوی گوشته زمین هل داده می شوند. این صفحات از 50 تا 250 مایل یا 80 تا 400 کیلومتر ضخامت دارند.

به این ترتیب نقشه زمین همیشه تغییر می کند. صفحات زیرین حرکت می کنند، اندازه صفحات هم تغییر می کند. همچنین سطح دریاها در طول زمان تغییر می کند (چون دما روی زمین متفاوت است و یخ قطب ها ذوب می شود یا منجمد می شود) در نتیجه یا حجم دریا بیشتر می شود یا برعکس دریا از پوسته عقب نشینی می کند.

دانشمندان نمی توانند به طور مستقیم داخل زمین را مطالعه کنند. عمیق ترین چاه هایی که حفر شده اند تنها به کمتر از عمق هشت مایلی یا 13 کیلومتری زیر سطح می رسند. زمین شناسان می دانند که ترکیبات داخل زمین با ترکیبات پوسته خارجی تر باریکش متفاوت است.

در عمق زمین فشار به قدری زیاد است که مواد معدنی به شکل متراکمی فشرده می شوند. مواد به این شکل در سطح زمین یافت نمی شوند.
به این ترتیب لایه های عمیق تر زمین از مواد سنگین تری تشکیل شده اند.  آنها نسبت به لایه های خارجی تر داغ تر، متراکم تر و زیر فشار خیلی بیشتری هستند.

دانشمندان با  مطالعه این که چگونه امواج ناشی از زلزله، زیر پوسته جامد زمینحرکت می کنند، درباره داخل زمین مطالبی می آموزند. طرح از سایت ناسا

یک راه برای تعیین ترکیب کل زمین، تجزیه و تحلیل شیمیایی شهاب سنگ ها است. انواع مشخصی از اجرام به نام “کندریت” ها که از بقایای منظومه شمسی اولیه هستند، بدون تغییر در فضا باقی مانده اند و بعضی از آنها روی زمین افتاده اند.

زمین شناسان از کندریت ها استفاده می کنند تا ترکیب شیمیایی اصلی داخل زمین را به دست آورند.

جدا از کندریت ها، زمین از لایه هایی تشکیل شده که حاوی عناصر شیمیایی مختلف است.

زمین شناسان با مطالعه لرزه های تولید شده به وسیله زمین لرزه ها که با استفاده از ابزاری به نام “سیسموگراف” انجام می شود، درباره داخل زمین اطلاعاتی به دست می آورند. سرعت حرکت لرزه ها در داخل زمین به ترکیب و تراکم موادی که این لرزه ها از میانشان عبور می کنند بستگی دارد. زمین شناسان می توانند بسیاری از نسبت های ترکیبات داخل زمین را با تجزیه و تحلیل این لرزه ها تعیین کنند.

فصل ها به خاطر تفاوت فاصله زمین از خورشید در طول سال به وجود نمی آیند (این تفاوت ها به شدت کم است). فصل ها نتیجه کج بودن محور زمین هستند.

زمین یک بار در سال به دور خورشید می گردد. ولی چهار فصل در زمین به وجود می آید و درازی شب ها و روزها در هر فصل متفاوت است. این تفاوت را کجی محور زمین باعث شده. محور زمین خطی فرضی است که قطب های شمال و جنوب را به هم وصل می کند. اما محور زمین مستقیم از بالا به پایین کشیده نشده. بلکه با حدود 23.45 درجه در مقایسه با صفحه مداری کج شده. این کجی و حرکت زمین به دور خورشید باعث تغییر فصل می شود.

درابتدای پاییز نیمه شمالی زمین به شکل کج از خورشید رو برمی گرداند. در نتیجه نور خورشید به شکل کمرنگی بر سراسر نیمه شمالی زمین گسترش پیدا می کند و نیکره شمالی زمستان را تجربه می کند. در همان زمان نور خورشید به شدت روی نیمه جنوبی زمین می افتد که در حال گذراندن تابستان است. در ابتدای بهار، زمین به شکل کج به سمت دیگر خورشید رو می کند. حالا نیمه شمالی زمین به جانب خورشید کج شده. نور خورشید به شدت روی نیمه شمالی زمین می افتد و نیمکره شمالی تابستان را تجربه می کند. در همان زمان نور خورشید روی نیمه جنوبی زمین که زمستان را می گذراند، کم شدت تر است.

به این ترتیب موقعی که قطب شمال به سمت خورشید کج می شود بخش شمالی زمین تابستان است با روزهای بلند و شب های کوتاه. بعد از شش ماه زمین به سمت دیگر خورشید حرکت کرده است. نیمه شمالی حالا نسبت به خورشید کج شده است و بخش شمالی زمین روزهای کوتاه و شب های بلندی دارد.

این کج بودن محور، به ما چهار فصل سال یعنی بهار، تابستان، پاییز و زمستان را داده. چون محور کج شده، بخش های مختلف زمین در زمان های مختلف به جانب خورشید جهت گیری می کنند.

تابستان گرم تر از زمستان است. چون اشعه خورشید در طول تابستان نسبت به زمستان در یک زاویه مستقیم تر به زمین می رسد و همچنین به خاطر این که در تابستان روزها خیلی طولانی تر از شب ها هستند. در طول زمستان، اشعه خورشید با زاویه زیاد به زمین برخورد می کند و روزها خیلی کوتاه هستند. این تأثیرات ادامه نتایج کج بودن محور زمین هستند.

مدار زمین کاملاً گرد نیست. زمین در ابتدای پاییز اندکی به خورشید نزدیک تر است (زمستان در نیمکره شمالی) و در ابتدای بهار دورتر است. در ابتدای پاییز زمین در 91.4 میلیون مایلی یا 147.1 میلیون کیلومتری از خورشید قرار دارد و در ابتدای بهار 94.5 میلیون مایل یا 152.1 میلیون کیلومتر از خورشید فاصله دارد. این تفاوت فاصله در مقایسه با گرم شدن و سرد شدنی که به خاطر کج بودن محور زمین به وجود می آید تأثیر خیلی کوچک تری در ایجاد فصل ها دارد.

انقلاب تابستانی و زمستانی

انقلاب زمستانی در شروع زمستان که کوتاه ترین روز سال است رخ می دهد. انقلاب تابستانی نیز در شروع تابستان که بلند ترین روز سال است رخ می دهد. که این امر به دلیل زاویه محور دوران زمین به دور خود، نسبت به سطح مدار گردش زمین به دور خورشید است.

اعتدال بهاری و پاییزی

اعتدال بهاری و پاییزی روزهایی هستند که طول روز و شب مساوی است. دو اعتدال سالانه موقعی رخ می دهد که خورشید، استوا را به شکل صلیب قطع می کند.

اعتدال بهاری با شروع بهار در نیمکره شمالی و شروع پاییز در نیمکره جنوبی رخ می دهد. اعتدال پاییزی با شروع پاییز در نیمکره جنوبی و شروع بهار در نیمکره جنوبی شکل می گیرد.

برای این که بفهمیم چرا آسمان در طول روز آبی است اول باید مفهوم نور را بدانیم. نوری که در زمین است بیشتر از ستاره ما، خورشید تأمین می شود که مانع از این می شود تا زمین کره خیلی تاریکی شود.

نور از مبدأ خورشید با سرعت 186282 مایل در ثانیه (299791 کیلومتر در ثانیه) در خلأ یا بی هوایی حرکت می کند. با این سرعت، کمی بیش از هشت دقیقه طول می کشد تا نور خورشید مسافت 100 میلیون مایلی (160 میلیون کیلومتری) را بپیماید و به زمین برسد. موقعی که نور به جو زمین برخورد می کند سرعتش کند می شود و به 186225 مایل در ثانیه (299700 کیلومتر در ثانیه) می رسد. نور ماه، نوری است که از خورشید آمده ولی از سطح ماه به زمین منعکس شده. این نور درست در سه ثانیه به ما می رسد. این نشان می دهد که چقدر نور سریع حرکت می کند.

نور سفیدی که ما می بینیم فقط بخش کوچکی از دسته پخش کننده تشعشع خورشید، یعنی طیف الکترومغناطیسی است. همه تشعشع الکترومغناطیسی شامل انرژی نورانی قابل رؤیتی است که به صورت موج حرکت می کند. هر نوع موجی، یک طول موج بی همتا و فرکانسی دارد.

با استفاده از یک منشور می توان نور قابل مشاهده را به رنگین کمانی از شش رنگ تجزیه کرد. نور خورشید از همه رنگ های رنگین کمان یعنی قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، و بنفش تشکیل شده. مولکول های گاز موجود در جو، با نور خورشید، پیش از این که به چشمان ما برسد، واکنش انجام می دهند و شش رنگ را به وجود می آورند. این شش رنگ عبارتند از: قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی و بنفش. هر رنگ در طیف قابل مشاهده، طول موج و فرکانس خودش را دارد. قرمز طولانی ترین طول موج و پایین ترین فرکانس را دارد و بنفش کوتاه ترین طول موج و بالاترین فرکانس را دارد.

هنگامی که نور وارد جو می شود، معمولاً به خاطر وجود مولکول های هوا و افشانه ها و ذرات ریز گرد و غبار و بخار آب در همه جهات پخش می شود. آنهایی که طول موج کوتاه تری دارند، بیشتر پراکنده می شوند. برای همین نور آبی که طول موج کوتاه تری دارد، ده برابر بیشتر از نور قرمز پراکنده می شود. اگرچه رنگ بنفش نسبت به رنگ آبی طول موج کوتاه تری دارد، اما چون چشمان ما نسبت به رنگ بنفش تحریک پذیر و حساس نیست، آسمان به نظرمان آبی می رسد. موقعی که در نهایت نور به چشمان ما می رسد نور آبی در سراسر آسمان پخش شده است و به همین دلیل آسمان به نظر آبی می رسد.

آب برای حفظ حیات بر روی زمین ضروری است. زمین تنها سیاره منظومه شمسی است که آب مایع روی سطحش وجود دارد. آب مواد شیمیایی و فیزیکی دارد که با هیچ ماده دیگری قابل قیاس نیست و برای زندگی بر روی زمین ضروری است.

آب توانایی ویژه ای در نگهداشتن گرما دارد. اقیانوس ها مقدار بسیار زیادی از گرمایی که از خورشید به زمین می رسد را ذخیره می کنند. بار الکتریکی مولکول های آب به آن این توانایی را می دهد که اتم های مواد دیگر را جذب کند. این کیفیت به آب اجازه می دهد که خیلی چیزها را در خود حل کند. توانایی آب برای حل مواد، قدرت آن را برای شکستن سنگ ها افزایش می کند. آب مایع روی زمین، نه فقط بر سطح زمین اثر می گذارد بلکه بر داخل زمین هم تأثیر می گذارد. آب در سنگ ها، دمای ذوب سنگ را پایین تر می آورد. آب، سنگ ها را ضعیف می کند و در نتیجه در زیر سطح زمین آنها آسان تر ذوب می شوند.

حدود 71 درصد سطح زمین با آب پوشیده شده. بیشتر این آب در اقیانوس ها جمع شده. آب اقیانوس ها آن قدر شور است که نمی توان آن را نوشید. فقط حدود سه درصد آب زمین آب تازه و مناسب برای نوشیدن است. بیشتر آبی که قابل استفاده بشر است، به آسانی برای مصرف در دسترس نیست. چون یا به شکل منجمد شده در کلاه های یخی قطب است یا زیر سطح زمین است. مناطق قطبی و کوه های بلند آن قدر سرد هستند که آب برای همیشه در آنها منجمد باقی می ماند. منطقه یخ دایمی روی زمین گاهی کرایوسفر نامیده می شود.

چرخه آب

چرخه آب که چرخه آب شناسی هم نامیده می شود، سفری است که آب انجام می دهد. در طی این سفر، آنها از زمین به آسمان می روند و دوباره به زمین برمی گردند. آب از ابرها به زمین می آید، به اقیانوس ها می رسد و دوباره به ابرها برمی گردد. بارش برف و باران، تبخیر، انجماد، ذوب شدن و تقطیر همه بخشی از چرخه آب شناسی هستند.

گرمای خورشید، انرژی لازم برای تبخیر آب را از سطح زمین (اقیانوس ها، دریاچه ها و غیره) فراهم می کند. گیاهان هم آبشان را به سوی هوا از دست می دهند. بخار آب در نهایت به هم فشرده می شود و قطرات ریزی را در ابرها تشکیل می دهد. موقعی که ابرها در هوای بالای زمین خنک می شوند، می بارند (به صورت باران، برف، تگرگ) و به زمین یا دریا برمی گردند. بعضی از بارش ها به داخل زمین فرو می روند. بعضی از آب هایی که به زیر زمین می روند بین صخره ها یا لایه های خاک رس گیر می افتند. این آب، آب زیرزمینی نامیده می شود. اما بیشتر آب در نهایت روی زمین یا زیر زمین به سراشیبی می افتد و در نهایت به دریاها که نمکدار هستند برمی گردد.

جو زمین لایه باریکی از گازها است که دور زمین را فرا گرفته. برای بیشتر مردم سخت است که در بیش از دو مایلی یا سه کیلومتری بالاتر از سطح دریا تنفس کنند. در حدود 100 مایلی یا 160 کیلومتری بالای سطح دریا، هوا به قدری رقیق است که ماهواره ها می توانند بدون تحمل مقاومت زیادی سفر کنند.

بیشتر جو یعنی 80 درصد آن در داخل محدوده 10 مایلی یا 16 کیلومتری بالای سطح زمین است این در حالی است که ذرات کشف شده جو را تا ارتفاع 370 مایلی یا 600 کیلومتری بالای زمین هم می توان پیدا کرد. به هر حال جو هیچ مرز مشخصی ندارد و معلوم نیست که کجا به پایان می رسد.  اما به تدریج که به سوی فضا می رود باریک تر و باریک تر می شود تا ناپدید می شود و با فضای خارجی تر یکی می شود.

ترکیب جو

جو از 78 درصد نیتروژن، 21 درصد اکسیژن، 0.9 درصد آرگون، 0.03 درصد دی اکسید کربن و مقادیر اندکی از گازهای دیگر تشکیل شده. جو همچنین بخار آب، قطرات آب، ذرات گرد و غبار و مقادیر اندکی از انواع  مواد شیمیایی نیز دارد. این مواد شیمیایی بر اثر آتشفشان ها، آتش ها، موجودات زنده و فعالیت های بشر آزاد شده.

کارکرد جو

جو از زمین در مقابل دماهای بسیار بالا و بسیار پایین محافظت می کند. جو گرما را در داخلش نگه می دارد، آب و مواد شیمیایی دیگر را دوباره به گردش در می آورد، با کمک نیروهای مغناطیسی و الکتریکی کاری می کند تا آب و هوای معتدلی برای زمین مهیا شود. همچنین جو جلوی مقادیر زیادی از اشعه ماورای بنفشی که از خورشید ساطع می شود را سد می کند تا همه آن به زمین نرسد.

با مطالعه جو می توانیم درباره آب و هوا، تغییر رنگ زیبای خورشید هنگام غروب و طلوع و چشمک زدن ستاره ها اطلاعاتی به دست بیاوریم. با ابزارهای حساسی که در فضا نصب شده، می توان دید بهتری نسبت به عملکرد جو به دست آورد.

فشار هوا

در سطح دریا، فشار هوا حدود 14.7 پوند بر اینچ مربع (1.0335 کیلوگرم-فشار بر سانتی متر مربع) است. هنگامی که ارتفاع افزایش می یابد (برای مثال اگر از یک کوه بالا بروید)، فشار هوا کاهش می یابد. در ارتفاع 10000 پایی (3048 متری) فشار هوا 10 پوند در اینچ مربع (0.07 کیلوگرم-فشار بر سانتی متر مربع) است (و اکسیژن کمتری برای نفس کشیدن وجود دارد).