१९ व्या शतकातील प्रगती

ह्यापूर्वी – भाग १- प्रस्तावना‎
भाग २- प्राचीन काळातील वाराविचार‎
भाग ३- मध्ययुगीन अभिसरणविचार
भाग ४- १५वे ते १८वे शतक

वातावरणीय अभिसरण -५
१९ व्या शतकातील प्रगती

उष्णकटिबंधातील (Tropical Region) प्रदेशामधील तापलेली हवा उर्ध्वदिशेने जाते व त्यामुळे भूपृष्ठाजवळील हवेचा दाब कमी होऊन उत्तर व दक्षिण दिशांकडून विषुववृत्ताच्या दिशेने हवा वाहते. उष्णकटिबंधातील ऊर्ध्वदिशेला गेलेली हवा ही वातावरणाच्या वरच्या स्तरांमध्ये पृष्ठालगतच्या हवेच्या विरुद्ध दिशेने, म्हणजे ध्रुवाच्या दिशेने प्रवास करते. ही 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 (cell) कार्यरत असते. ह्या चक्राचे नियमन हे औष्णिक (thermal) स्वरूपाचे असते असा सिद्धांत जॉर्ज हॅडलीने मांडला. हॅडलीच्या स्मृतीप्रीत्यर्थ हवेच्या ह्या चक्रास हॅडली चक्र (Hadley Cell) असे म्हटले जाते (आकृती २). उषणकटिबंधातील अभिसरणाचे स्पष्टीकरण अशाप्रकारे देणे शक्य झाले असले तरी समशीतोष्ण तसेच ध्रुवीय प्रदेशातील अभिसरणाचे स्पष्टीकरण करण्याचे आव्हान एकोणीसाव्या शतकातील शास्त्रज्ञांपुढे होते.

आकृती २. वातावरणीय अभिसरणाचे त्रिचक्र प्रारूप. www.met.tamu.edu येथील आकृतीवरून सुधारित.

एकोणीसाव्या 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) ह्याने औष्णिक व गतिज उर्जा यांच्या परस्परसंबंधाचा अभ्यास केला. ह्या अभ्यासाचे निष्कर्ष त्याने नियमांच्या स्वरूपात मांडले, तेच औष्णिकगतिशास्त्राचे नियम (laws of thermodynamics). ह्या नियमांना हवामानशास्त्रामध्ये मोठेच महत्त्व आहे. वातावरणीय अभिसरण ह्या नियमांनुसार होत असते. औष्णिकगतिशास्त्राचा पहिला नियम हा ऊर्जा अक्षय्यतेचा नियम (Law of Conservation of Energy) म्हणूनही ओळखला जातो, जो वातावरणीय अभिसरणाचे कोडे सोडविण्यात महत्त्वाची भूमिका बजावतो.

एकोणीसाव्या शतकाच्या सुरूवातील ‘द्रव स्थितिगतिशास्त्र’ (fluid dynamics) व ‘जलस्थितिगतिशास्त्र’ (Hydrodynamics) ह्या नवीन शास्त्रशाखा उदयास आल्या. ह्या शाखांच्या प्रगतीस हातभार लावणा-या अनेक शास्त्रज्ञांनी वातावरणीय अभिसरणाच्या आकलनातील प्रगतीस प्रत्यक्ष-अप्रत्यक्षरित्या चालना दिली. इंग्लिश भौतिकशास्त्रज्ञ व गणितज्ञ सर ओसबॉर्न रेनोल्ड्स (१८४२ ते १९१२), फ्रेंचच 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 वाहणा-या 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 महत्त्वाचा 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-सलग ( 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 महत्त्वाची समीकरणे हा एकोणीसाव्या शतकातील हवामानशास्त्रातील प्रगतीचा एक महत्त्वाचा 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 झाली असली तरी ह्या फुग्यांतून हवामानमापक उपकरणे पाठवणे शक्य झाले नव्हते. अशा फुग्यातून पाठवलेली उपकरणे वातावरणाच्या वरच्या स्तरांपर्यंत पोहोचल्यावर उपकरणांनी घेतलेल्या हवामानाच्या नोंदी ह्या उपकरणांमध्ये साठवून ठेवणे, ही उपकरणे सुखरूप जमीनीवर आणणे, तशी आणता आल्यास उपकरणांनी साठवलेल्या नोंदी उतरवून घेता येणे, अशा असंख्य अडचणी त्यावेळी होत्या. तरीही फुग्यांमधून वातावरणाच्या वरच्या स्तरांत उपकरणे पाठवण्याचे काही प्रयत्न त्यावेळी लोकांनी केले होते. १९ व्या शतकामध्ये 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 एव्हाना खात्री पटली होती. त्यावेळी बोटींवर शास्त्रीय उपकरणे ठेवून बोटीवरील लोकांनी सागरी पाण्याच्या व सागरीपृष्ठावरील हवामानाच्या नोंदी ठेवणे हा एकमेव पर्याय उपलब्ध होता.

अमेरिकी हवामानतज्ञ विल्यम रेड्फील्ड (१७८९ ते १८५७) ह्यांनी अमेरिका खंडाला धडक देणा-या चक्रीवादळांची निरीक्षणे केली. त्यांचे निष्कर्ष १८३१ आणि १८३३ मधे दोन शोधनिबंधांद्वारे प्रसिद्ध झाले. त्यांच्या निष्कर्षांनुसार प्रत्येक चक्रीवादळाशी संबंधित असा वा-याचा 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 वा-यांची गती मात्र खूपच असते.

१८४८ मधे लॉर्ड विल्यम थॉमस केल्विन ने तापमान मोजण्याची नवीन निरपेक्ष (absolute) मापनश्रेणी तयार केली. आज ही मापनश्रेणी विशेषतः शास्त्रीय समीकरणांमध्ये व आकडमोडींमध्ये प्रमाणित तापमान परिस्थिती ठरविण्यासाठी वापरली जाते.

हॅडलीच्या वातावरणीय अभिसरणविषयक संकल्पनांमध्ये एकोणीसाव्या शतकामध्ये 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 हालचालींच्या 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 प्रगतीमध्ये 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 उप-उष्णकटिबंधीय अधिक दाबाचा 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) गतिविषयक नियम फिरत्या संदर्भचौकटीमधील (rotating frame of reference) वस्तूंसाठी वापरावयाचे असतील तर त्या समीकरणांमध्ये जडत्वीय बलाचा (inertial force) अंतर्भाव करणे जरूरीचे आहे. पृथ्वी स्वतःभोवती फिरते. पृथ्वीवरील वस्तूंच्या पृथ्वीसापेक्ष हालचालींची समीकरणे मांडायची झाली तर त्या समीकरणांमध्ये पृथ्वी फिरत असल्याने घडणारे परिणाम दाखविणारा घटक अंतर्भूत केला पाहिजे. कॉरिऑलिसच्या ह्या सिद्धांतामुळॆ वा-यांच्या दिशाविषयक कोड्यांची उत्तरे चुटकीसरशी सापडली. कॉरिऑलीस च्या सिद्धांतानुसार वाहणारी हवा ही उत्तर गोलार्धामधे मूळ दिशेच्या उजवीकडे तर दक्षिण गोलार्धामधे मूळ दिशेच्या डावीकडे ढकलली जाते (आकृती ३). हा ढकलले जाण्याचा परिणाम पृथ्वीच्या स्वतःभोवती फिरण्याच्या क्रियेतून निर्माण झालेल्या बलामुले असतो ज्याला आता आपण ‘कॉरिऑलिस बल’ (Coriolis Force) म्हणून ओळखतो.

फेरेल चक्रातील ३० अंश अक्षवृत्तांकडून ध्रुवाकडे जाणारी भूपृष्ठालगतची हवा कॉरिऑलिस बलामुळे पूर्वेला वळते. कॉरिऑलीसच्या सिद्धांताने हे दाखवून दिले की कॉरिओलीस बल हे जसजसे विषुववृताकडे जाऊ तसतसे कमी होत जाऊन प्रत्यक्ष विषुववृत्तावर शून्य असते, तसेच हे बल भूपृष्ठापासून जसजसे दूर जावे तसेही कमी होत जाते.

हॅडली चक्राप्रमाणे ध्रुवीय चक्राचे नियमनही औष्णिक स्वरूपाचे असल्याचे ह्याच शतकामध्ये सिद्ध झाले. ध्रुवीय चक्रामधे  ६० अंश (कमी दाबाचा प्रदेश) अक्षवृत्तांच्या आसपासच्या प्रदेशातील हवा ही ध्रुवांच्या तुलनेत अधिक तापत असल्यामुळे वर जाऊन धृवांच्या दिशेने जाते तर ध्रुवांकडून ह्या अक्षवृत्तांच्या दिशेने पृष्ठालगतच्या हवेचा प्रवाह वाहतो. मात्र ध्रुवीय चक्राची खोली हॅडली चक्राच्या तुलनेत बरीच कमी असते.

आकृती ३. कॉरिऑलिस बलामुळे हलणारी वस्तू उत्तर गोलार्धात मूळ दिशेच्या उजवीकडे तर दक्षिण गोलार्धात मूळ दिशेच्या डावीकडे ढकलली जाते.

एकोणीसाव्या शतकामध्ये निर्माण झालेल्या तारायंत्राचा (Telegraph) वापर एखाद्या ठिकाणच्या हवामान नोंदी दुस-या 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 प्रारूपामध्ये बदल होऊन एकोणीसाव्या शतकाच्या अखेरीपर्यंत वातावरणाभिसरणाचे ‘त्रिचक्र प्रारूप – हॅडली, फेरेल व ध्रुवीय चक्र’ (आकृती २) सर्वत्र मान्य झाले.

विसाव्या शतकामध्ये हवामानशास्त्राच्या प्रगतीने मोठी झेप घेतली, त्याबद्दल पुढील दोन लेखांमध्ये विस्ताराने पाहू.

वरदा व. वैद्य, ऑगस्ट २००५ । Varada V. Vaidya, August 2005

ह्यानंतर – भाग ६- विसाव्या शतकातील गरूडझेप – पूर्वार्ध

माझ्या विषयी varada वरदा vaidya वैद्य
वरदा वैद्य हवामान आणि खगोल हे माझे आवडीचे विषय. ह्या विषयातील विविध घडामोडींबाबत लिहिण्यासाठी हा ब्लॉगप्रपंच. हवामानविषयक लेख वातकुक्कुटावर (www.vatkukkut.wordpress.com) तर खगोलाविषयी विवस्वान (www.khagras.wordpress.com) अनुदिनीवर वाचता येईल.

तुमचा अभिप्राय नोंदवा

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / बदल )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / बदल )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / बदल )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / बदल )

Connecting to %s

%d bloggers like this: