हमारे चारों ओर हवा (Air Around Us)

1.1 वायु की अदृश्यता का रहस्य: एक पारदर्शी गैसीय आवरण

वायु हमारे चारों ओर सर्वत्र उपस्थित है, किंतु हम इसे अपनी आंखों से सीधे नहीं देख सकते। इसका मुख्य भौतिक कारण यह है कि स्वच्छ वायु एक अत्यंत विरल, रंगहीन, गंधहीन, स्वादहीन एवं पारदर्शी (Transparent) गैसीय माध्यम है। प्रकाश की किरणें वायु में से बिना किसी अवशोषण, परावर्तन या अपवर्तन के सीधी रेखा में गुजर जाती हैं, जिसके कारण मानव नेत्रों को वायु की कोई प्रत्यक्ष छवि दिखाई नहीं देती।

यद्यपि वायु अदृश्य है, किंतु हम इसकी भौतिक उपस्थिति का अनुभव अपने दैनिक जीवन के अनगिनत क्रियाकलापों में निरंतर करते हैं:

1. गतिक अनुभव: जब तीव्र हवा चलती है, तो हम अपने चेहरे, त्वचा और बालों पर हवा के ठंडे थपेड़ों का स्पष्ट यांत्रिक दबाव महसूस करते हैं।
2. दृष्टिगोचर प्रभाव: हम वृक्षों की पत्तियों को खड़खड़ाते, भारी शाखाओं को झूमते, आंगन में टंगे गीले कपड़ों को तेजी से फहराते, तथा धूल के बवंडरों को ऊपर उठते हुए देखते हैं।
3. वायुदाब के प्रमाण: जब कमरे में छत का पंखा चालू किया जाता है, तो मेज पर खुली रखी पुस्तक के पन्ने तेजी से फड़फड़ाने लगते हैं। आकाश में ऊंची उड़ती पतंगें वायु के ऊपर उठने वाले दबाव (Updrafts) के सहारे ही तैरती हैं।

भौतिक विज्ञान के अनुसार, वायु कोई काल्पनिक शून्यता नहीं है, अपितु यह पदार्थ की गैसीय अवस्था है जो स्थान (आयतन) घेरती है, द्रव्यमान (भार) रखती है, तथा सभी दिशाओं में समान रूप से दाब आरोपित करती है।

1.2 गतिमान वायु (पवन), फिरकी एवं वात-सूचक यंत्र

शांत अवस्था में वायु का अनुभव नहीं होता, किंतु जब ताप और दाब के अंतर के कारण वायु एक स्थान से दूसरे स्थान की ओर बहने लगती है, तो इस गतिमान वायु को 'पवन' (Wind) कहा जाता है।

[सूर्य की ऊष्मा द्वारा धरातल का असमान तापन]
                     ↓
[गर्म वायु फैलकर हल्की होती है और ऊपर उठती है]
                     ↓
[आसपास की ठंडी, सघन वायु उस रिक्त स्थान को भरने दौड़ती है]
                     ↓
[धरातल पर वायु का क्षैतिज प्रवाह = 'पवन' (WIND)]

1. फिरकी (Pinwheel) का प्रायोगिक निर्माण (क्रियाकलाप 1)

• फिरकी बच्चों का एक अत्यंत लोकप्रिय पारंपरिक वैज्ञानिक खिलौना है, जिसे कागज के एक चौकोर टुकड़े के चारों कोनों को तिरछा काटकर और मोड़कर एक पतली तीली पर आलपिन की सहायता से बनाया जाता है।
• जब आप फिरकी को हाथ में पकड़कर किसी शांत कमरे में खड़े रहते हैं, तो उसकी पंखुड़ियां बिल्कुल स्थिर रहती हैं।
• किंतु जैसे ही आप फिरकी को लेकर आगे की ओर तेजी से दौड़ते हैं, अथवा किसी खुले मैदान में जाते हैं जहाँ हवा चल रही हो, तो फिरकी के पंखे अत्यंत तीव्र गति से गोल-गोल घूमने लगते हैं।
• वैज्ञानिक सिद्धांत: गतिमान वायु के कणों में गतिज ऊर्जा ($\frac{1}{2}mv^2$) होती है। जब यह गतिशील वायु फिरकी की तिरछी पंखुड़ियों से टकराती है, तो वह उन पर एक यांत्रिक बल आरोपित करती है। तिरछी बनावट के कारण यह बल घूर्णन बल (Torque) में बदल जाता है, जिससे फिरकी तेजी से घूमने लगती है।

2. वात-सूचक (Weather Vane / Wind Vane) की संरचना एवं कार्यप्रणाली

• वात-सूचक मौसम विज्ञान का एक प्राचीन एवं प्रामाणिक यंत्र है, जिसका उपयोग यह ज्ञात करने के लिए किया जाता है कि किसी विशिष्ट समय पर पवन किस भौगोलिक दिशा से बहकर आ रही है।
• इसमें एक तीक्ष्ण ऊर्ध्वाधर कीलक (Pivot) पर एक क्षैतिज तीर संतुलित रूप से लगा होता है, जो बिना किसी घर्षण के $360^\circ$ स्वतंत्रतापूर्वक घूम सकता है।
• तीर के पिछले सिरे पर एक चौड़ा, चपटा पंख लगा होता है, जबकि अगला सिरा एक नुकीला बाण होता है।
• जब पवन चलती है, तो वह तीर के पिछले चौड़े पंख पर अधिक वायुगतिकीय खिंचाव (Aerodynamic Drag) डालती है। इससे पिछला भाग हवा के बहाव के साथ आगे झुक जाता है और तीर का नुकीला सिरा सदैव उस दिशा की ओर मुड़ जाता है जिधर से पवन आ रही होती है।

1.3 वायु स्थान घेरती है: उल्टी खाली बोतल का प्रयोग (क्रियाकलाप 2)

क्या एक खुली "खाली" बोतल वास्तव में खाली होती है? एक अत्यंत सरल विद्यालयी प्रयोग यह सिद्ध करता है कि प्रत्येक तथाकथित रिक्त पात्र वायु से खचाखच भरा होता है:

    प्रारंभिक स्थिति: बोतल को सीधा दबाया गया        तिरछी स्थिति: बुलबुले बाहर निकले!
          पानी बोतल में प्रवेश नहीं करता               पानी तेजी से भीतर भर गया!
          +--------------------+                     +--------------------+
          |    पानी की बाल्टी   |                     |    पानी की बाल्टी   |
          |                    |                     |        o o O  <-- वायु के
          |      +------+      |                     |       /       बुलबुले
          |      | फंसी |      |                     |      +------+          |
          |      | हुई  |      |                     |      | पानी |          |
          |      | वायु |      |                     |      | भीतर |          |
          |      |      |      |                     |      | भरा  |          |
          |      +==--==+      |                     |      +==--==+          |
          |         ▼          |                     |       /                |
          +~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~+                     +~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~+

प्रायोगिक प्रक्रिया:

1. कांच अथवा पारदर्शी प्लास्टिक की एक सूखी, खाली बोतल लें।
2. एक गहरी बाल्टी या कांच के बड़े टब को पानी से तीन-चौथाई भर लें।
3. बोतल के खुले मुंह को ठीक नीचे की ओर रखें और बोतल को बिल्कुल सीधा (ऊर्ध्वाधर) रखते हुए पानी की सतह के नीचे गहराई में दबाएं।
4. प्रेक्षण 1: पानी बोतल के भीतर प्रवेश नहीं करता। बोतल के मुंह के पास पानी का स्तर रुक जाता है और भीतर की बोतल पूरी तरह सूखी रहती है।
5. वैज्ञानिक कारण: बोतल खाली नहीं है; वह पूर्णतः वायु से भरी हुई है। चूंकि बोतल को बिल्कुल सीधा दबाया गया है, अतः भीतर फंसी हुई वायु को बाहर निकलने का कोई मार्ग नहीं मिलता। जब तक वायु बाहर नहीं निकलेगी, तब तक जल भीतर प्रवेश नहीं कर सकता, क्योंकि दो भौतिक पदार्थ एक ही समय में एक ही स्थान नहीं घेर सकते।
6. अब बोतल को पानी के भीतर ही धीरे से थोड़ा सा तिरछा (Tilt) करें।
7. प्रेक्षण 2: बोतल के मुंह से अचानक बड़े-बड़े चमकदार वायु के बुलबुले गड़गड़ाहट के साथ बाहर निकलते हैं और पानी की सतह पर आकर फूट जाते हैं। उसी क्षण, बाहर का पानी तेजी से बोतल के भीतर भर जाता है।
8. निष्कर्ष: वायु स्थान (आयतन) घेरती है तथा हमारे आसपास की प्रत्येक खाली दिखने वाली वस्तु वास्तव में वायु से भरी होती है।

1.4 वायुमंडल (Atmosphere): परिभाषा, ऊर्ध्वाधर विस्तार एवं घनत्व प्रवणता

हमारी पृथ्वी को चारों ओर से घेरे हुए वायु के इस विशाल, घने और सतत गैसीय आवरण को वायुमंडल (Atmosphere) कहा जाता है। यह वायुमंडलीय आवरण पृथ्वी की सतह से ऊपर अंतरिक्ष की ओर कई सौ किलोमीटर की ऊंचाई तक फैला हुआ है और पृथ्वी के शक्तिशाली गुरुत्वाकर्षण बल द्वारा धरातल से बंधा रहता है।

1. गुरुत्वाकर्षण और ऊंचाई के साथ वायुदाब व घनत्व में कमी

• वायु में भार होता है। अतः वायुमंडल की ऊपरी परतों का अपार भार नीचे की परतों पर भारी दबाव डालता है।
• इसके परिणामस्वरूप, समुद्र तल (Sea Level) पर वायु का घनत्व और वायुदाब सर्वाधिक होता है (लगभग $101.3\text{ kPa}$)। यहाँ वायु के अणु एक-दूसरे के अत्यंत निकट होते हैं।
• जैसे-जैसे हम धरातल से ऊपर पहाड़ों और आकाश की ओर बढ़ते हैं, हमारे ऊपर की वायु का भार घटता जाता है। वायु के अणु दूर-दूर बिखर जाते हैं। इस प्रकार, ऊंचाई बढ़ने के साथ वायु विरल (पतली) होती जाती है और वायुमंडलीय दाब तेजी से घटता जाता है।

ऊंचाई (पर्वतीय स्तर)                      वायु अणुओं का घनत्व व दाब
-------------------------------------------------------------------------
ऊपरी वायुमंडल (> 10 किमी)    |  ·   ·   ·   ·   ·   ·  (अत्यधिक विरल / निम्नतम दाब)
माउंट एवरेस्ट शिखर (8,848 मी)|  ·  ·  ·  ·  ·  ·  ·  · (समुद्र तल का मात्र ~33% दाब)
मध्यम पहाड़ी क्षेत्र (2,000 मी) | · · · · · · · · · · · · (मध्यम विरल वायु)
समुद्र तल (धरातल 0 मी)        | ······················· (अधिकतम सघनता व वायुदाब)

2. पर्वतारोही ऊंचे पर्वतों पर ऑक्सीजन सिलेंडर क्यों ले जाते हैं?

जब साहसी पर्वतारोही हिमालय के उत्तुंग शिखरों—जैसे माउंट एवरेस्ट ($8,848\text{ मीटर}$)—पर चढ़ाई करते हैं:

• अत्यधिक ऊंचाई पर वायु इतनी विरल (पतली) हो जाती है कि वहां का वायुदाब समुद्र तल के सामान्य दाब का मात्र एक-तिहाई ($\approx 33\%$) रह जाता है।
• यद्यपि वायु में ऑक्सीजन का प्रतिशत रासायनिक रूप से $21\%$ ही रहता है, किंतु विरल वायु के कारण प्रति सांस फेफड़ों में जाने वाले ऑक्सीजन अणुओं की वास्तविक संख्या में $60\%$ से अधिक की भारी कमी आ जाती है।
• इस अत्यंत विरल वायु में सामान्य सांस लेने से मानव रक्त में ऑक्सीजन का स्तर खतरनाक रूप से गिर जाता है। मस्तिष्क और हृदय को पर्याप्त ऑक्सीजन न मिलने से पर्वतारोही तीव्र सिरदर्द, भ्रम, उल्टी, फेफड़ों में पानी भरने (High Altitude Pulmonary Edema - HAPE) और कोमा का शिकार हो सकते हैं।
• अतः अपने जीवन की रक्षा करने तथा शरीर की जैविक कोशिकाओं को निरंतर ऊर्जा प्रदान करने के लिए पर्वतारोही पीठ पर भारी स्टील या मिश्रधातु के सिलेंडरों में संपीडित ऑक्सीजन गैस साथ ले जाते हैं और चेहरे पर मास्क लगाकर कृत्रिम रूप से सांस लेते हैं।

2.1 ऐतिहासिक दृष्टिकोण: एकल तत्व से गैसीय मिश्रण तक का सफर

18वीं शताब्दी के उत्तरार्ध तक संपूर्ण विश्व के दार्शनिक और आरंभिक वैज्ञानिक यह दृढ़ विश्वास रखते थे कि वायु एक अविभाज्य, सरल और एकल 'मूल तत्व' है। प्राचीन यूनानी और भारतीय दर्शन में भी वायु को पंचमहाभूतों (पृथ्वी, जल, अग्नि, वायु, आकाश) में एक स्वतंत्र प्राथमिक तत्व माना गया था।

किंतु 18वीं शताब्दी के आधुनिक रसायन विज्ञान के जन्म ने इस प्राचीन धारणा को हमेशा के लिए बदल दिया:

• वर्ष 1774 में अंग्रेज वैज्ञानिक जोसेफ प्रीस्टले (Joseph Priestley) ने एक विशेष लाल यौगिक (मर्क्यूरिक ऑक्साइड) को गर्म करके एक ऐसी जादुई गैस अलग की, जिसमें मोमबत्ती साधारण हवा की तुलना में चौगुनी चमक के साथ जली और एक चूहा साधारण हवा से दुगने समय तक जीवित रहा। यह ऑक्सीजन की ऐतिहासिक खोज थी।
• इसके पश्चात वर्ष 1777 में फ्रांसीसी रसायनशास्त्री एंटोनी लेवोइज़िए (Antoine Lavoisier) ने सुव्यवस्थित रासायनिक प्रयोगों द्वारा यह सिद्ध कर दिया कि वायु कोई एकल तत्व नहीं है, बल्कि यह विभिन्न गैसों का एक समांगी भौतिक मिश्रण (Homogeneous Physical Mixture) है। उन्होंने बताया कि वायु मुख्य रूप से दो गैसों से बनी है—एक जीवन रक्षक और दहन पोषक गैस (जिसे उन्होंने ऑक्सीजन नाम दिया) तथा दूसरी निष्क्रिय और बुझाने वाली गैस (जिसे उन्होंने नाइट्रोजन नाम दिया)।

2.2 स्वच्छ एवं शुष्क वायु का आयतनात्मक रासायनिक संघटन

रासायनिक दृष्टि से हमारे वायुमंडल की स्वच्छ, शुष्क वायु में विभिन्न गैसों का एक अत्यंत सुंतलित एवं निश्चित अनुपात पाया जाता है:

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  स्वच्छ एवं शुष्क वायुमंडलीय वायु का रासायनिक संघटन    |
+---------------------+-------------------+-------------------------------+
| गैसीय घटक का नाम     | आयतन के अनुसार %  | मुख्य रासायनिक एवं जैविक भूमिका|
+---------------------+-------------------+-------------------------------+
| 1. नाइट्रोजन (N2)   | 78.08% (~ 78%)    | रासायनिक रूप से अक्रिय;      |
|                     |                   | पादप प्रोटीनों का मूल आधार।   |
+---------------------+-------------------+-------------------------------+
| 2. ऑक्सीजन (O2)     | 20.95% (~ 21%)    | सजीवों के श्वसन एवं दहन हेतु |
|                     |                   | अनिवार्य जीवनदायिनी गैस।      |
+---------------------+-------------------+-------------------------------+
| 3. आर्गन एवं अक्रिय | 0.93% (~ 0.9%)    | रासायनिक अक्रियता; विद्युत बल्ब|
|    गैसें (Noble Gas)|                   | आदि में उपयोगी।               |
+---------------------+-------------------+-------------------------------+
| 4. कार्बन डाइऑक्साइड| 0.04%             | पौधों के प्रकाश संश्लेषण का   |
|    (CO2)            |                   | कच्चा माल; मुख्य हरितगृह गैस। |
+---------------------+-------------------+-------------------------------+
| 5. जलवाष्प          | परिवर्तनशील       | जलचक्र, बादलों के निर्माण, नमी|
|    (Water Vapour)   | (0.1% से 4.0%)    | और वर्षा का एकमात्र कारण।     |
+---------------------+-------------------+-------------------------------+
| 6. धूल एवं धुआं     | स्थान अनुसार भिन्न| ईंधन दहन, पराली एवं धूल से    |
|    (Dust & Smoke)   | (अल्प से अत्यधिक) | उत्पन्न निलंबित ठोस कण।       |
+---------------------+-------------------+-------------------------------+

2.3 वायु के प्रमुख गैसीय घटकों का वैज्ञानिक विश्लेषण

1. नाइट्रोजन ($\text{N}_2$): वायुमंडल का विशाल निष्क्रिय भंडार

• मात्रा: यह वायुमंडल का विशालतम भाग है, जो वायु के कुल आयतन के लगभग चार-पंचमांश ($78\%$) भाग पर अधिकार रखता है।
• भौतिक एवं रासायनिक प्रकृति: यह रंगहीन, गंधहीन और स्वादहीन द्वि-परमाण्विक गैस है। कमरे के सामान्य तापमान पर यह अत्यंत अक्रिय (कम क्रियाशील) होती है। यह न तो स्वयं जलती है और न ही जलने में सहायता करती है।
• ऑक्सीजन का जीवनरक्षक मंदक: यदि वायुमंडल में केवल शुद्ध ऑक्सीजन होती, तो आकाशीय बिजली की एक चिंगारी से पूरी पृथ्वी पर ऐसा भीषण दावानल भड़क उठता जिसे बुझाना असंभव होता। नाइट्रोजन ऑक्सीजन की उग्र सक्रियता को धीमा करने वाले एक 'प्राकृतिक मंदक' (Diluent) का कार्य करती है।
• जैविक अनिवार्यता: सभी जीवों के शरीर में मांसपेशियों, ऊतकों, एंजाइमों और आनुवंशिक डीएनए (DNA) के निर्माण हेतु प्रोटीन की आवश्यकता होती है, और प्रोटीन का मूल तत्व नाइट्रोजन है। यद्यपि जंतु और पौधे वायु की नाइट्रोजन को सीधे सांस द्वारा ग्रहण नहीं कर सकते, किंतु दलहनी पौधों की जड़ों में रहने वाले राइजोबियम जीवाणु वायुमंडलीय नाइट्रोजन को जल में घुलनशील नाइट्रेट में बदलकर मिट्टी को उर्वर बनाते हैं, जिसे पौधे जड़ों से सोखते हैं।

2. ऑक्सीजन ($\text{O}_2$): प्राणवायु एवं दहन की पोषक

• मात्रा: वायु के कुल आयतन का लगभग पाँचवां भाग ($21\%$) ऑक्सीजन है।
• सजीवों का कोशिकीय श्वसन: मनुष्य, पशु-पक्षी, जल में तैरती मछलियां तथा मिट्टी के सूक्ष्म जीवाणु—सभी भोजन (ग्लूकोज) से जैविक ऊर्जा प्राप्त करने के लिए निरंतर ऑक्सीजन ग्रहण करते हैं।
• दहन की अनिवार्य शर्त: मोमबत्ती, लकड़ी, कोयला, पेट्रोल, रसोई गैस (LPG) आदि किसी भी ईंधन को जलने के लिए ऑक्सीजन की निरंतर आपूर्ति आवश्यक है।

3. कार्बन डाइऑक्साइड ($\text{CO}_2$): पादप भोजन की आधारशिला

• मात्रा: वायु में इसकी मात्रा बहुत सूक्ष्म (मात्र $0.04\%$) है, किंतु पारिस्थितिक तंत्र में इसका महत्व अपरिमित है।
• प्रकाश संश्लेषण: हरे पौधे दिन के समय सूर्य के प्रकाश की उपस्थिति में वायु से इसी कार्बन डाइऑक्साइड को अपनी पत्तियों के रंध्रों (Stomata) द्वारा सोखते हैं और पृथ्वी के समस्त सजीव जगत के लिए भोजन (कार्बोहाइड्रेट) का निर्माण करते हैं।
• उत्पत्ति के स्रोत: सभी जीवों के श्वसन की उच्छ्वास वायु द्वारा, जीवाश्म ईंधनों के दहन से तथा जैविक पदार्थों के सड़ने-गलने से $CO_2$ वायुमंडल में मुक्त होती है।

2.4 जलवाष्प एवं बर्फ के गिलास का संघनन प्रयोग (क्रियाकलाप 3)

वायु कभी भी पूर्णतः सूखी नहीं होती; उसमें सदैव अदृश्य गैसीय जल उपस्थित रहता है जिसे जलवाष्प (Water Vapour) कहते हैं।

बर्फ-गिलास संघनन प्रयोग:

1. स्टील अथवा कांच का एक साफ गिलास लें और उसकी बाहरी सतह को कपड़े से पोंछकर पूरी तरह सुखा लें।
2. गिलास में आधा पानी भरें और उसमें बर्फ के कुछ ठोस टुकड़े डाल दें।
3. गिलास को मेज पर 3 से 5 मिनट के लिए बिना हिलाए रख दें।
4. प्रेक्षण: कुछ ही क्षणों में गिलास की बाहरी सूखी दीवार पर पानी की नन्हीं-नन्हीं बूंदें चमकने लगती हैं। थोड़ी देर में ये बूंदें आपस में मिलकर नीचे टपकने लगती हैं।
5. वैज्ञानिक कारण: यह पानी गिलास के भीतर से रिसकर बाहर नहीं आया है। वास्तव में, गिलास के आसपास की सामान्य वायु में जो अदृश्य जलवाष्प तैर रही थी, वह जैसे ही बर्फ के कारण ठंडी हुई गिलास की बाहरी दीवार के संपर्क में आई, उसका तापमान कम हो गया।
6. तापमान गिरने से जलवाष्प अपनी गैसीय अवस्था को छोड़कर द्रव अवस्था में बदल गई। इस भौतिक प्रक्रम को संघनन (Condensation) कहते हैं।
7. महत्व: वायु में उपस्थित यही जलवाष्प ऊपर उठकर बादलों में बदलती है और वर्षा के रूप में नदियों, खेतों और भूजल को पुनः जीवन प्रदान करती है।

2.5 धूल एवं धुआं तथा नासिका की जैविक सुरक्षा प्रणाली

1. धूप की किरण में नाचते धूलकण (क्रियाकलाप 5)

• दोपहर के समय किसी कमरे की सभी खिड़कियां, दरवाजे और पर्दे बंद करके कमरे में गहरा अंधकार कर दें।
• अब सूर्य की दिशा वाले पर्दे में एक छोटा सा गोल छेद (झरोखा) बनाएं।
• उस छोटे छेद से सूर्य के प्रकाश की एक अत्यंत चमकदार, सीधी किरण अंधेरे कमरे में प्रवेश करती है।
• उस प्रकाश पुंज को ध्यानपूर्वक देखने पर हमें उसमें लाखों नन्हें-नन्हें, चमकदार धूल के कण पागलों की तरह इधर-उधर नाचते और चक्कर काटते हुए दिखाई देते हैं (भौतिकी में इसे ब्राउनी गति कहते हैं)।
• यह सिद्ध करता है कि हमारे आसपास की सामान्य वायु में निरंतर असंख्य ठोस धूलकण (Dust Particles) तैरते रहते हैं।

2. धुआं एवं औद्योगिक खतरे

• जब लकड़ी, कोयला, पेट्रोल, डीजल या उपले जैसे ईंधनों का अपूर्ण दहन होता है, तो बिना जले कार्बन के बारीक कण (कालिख) और विषैली गैसें (कार्बन मोनोऑक्साइड, सल्फर डाइऑक्साइड) मिलकर धुआं (Smoke) बनाते हैं।
• कारखानों में ऊंची चिमनियां इसलिए लगाई जाती हैं ताकि यह हानिकारक धुआं और विषैली गैसें सीधे जमीन पर रहने वाले इंसानों की सांसों में न जाएं और ऊपर आकाश में दूर निकल जाएं।

3. नासिका की सुरक्षा प्रणाली: मुंह से सांस लेना क्यों वर्जित है?

• जब हम अपनी नाक से सांस लेते हैं, तो प्रकृति ने हमारी नासिका गुहा के भीतर दो अभेद्य सुरक्षा चौकियां बनाई हैं:
  1. नाक के नथुनों के भीतर उगे हुए बारीक, घने रोम (बाल / Cilia)।
  2. नासिका की आंतरिक दीवारों से स्रावित होने वाला चिपचिपा, नम द्रव जिसे श्लेष्मा (Mucus) कहते हैं।
• जब धूल और धुएं से भरी हवा नाक में प्रवेश करती है, तो ये बारीक बाल और चिपचिपी श्लेष्मा अधिकांश धूलकणों, कालिख और जीवाणुओं को अपने ऊपर ही चिपकाकर रोक लेते हैं, जिससे केवल छनी हुई, शुद्ध और नम हवा ही फेफड़ों तक पहुंचती है।
• मुंह से सांस लेने की गंभीर हानि: यदि कोई व्यक्ति मुंह खोलकर सांस लेता है, तो मुंह में कोई बाल या श्लेष्मा फिल्टर नहीं होता। धूल, कालिख और रोगाणु बिना किसी रुकावट के सीधे श्वासनली और फेफड़ों के कोमल कोष्ठों में प्रवेश कर जाते हैं, जिससे खांसी, दमा (अस्थमा), ब्रोंकाइटिस और फेफड़ों के घातक संक्रमण हो जाते हैं।

3.1 दहन (Burning) की रासायनिक प्रकृति एवं पोषक गैस

दहन अथवा जलना एक अत्यंत तीव्र, ऊर्जा-उत्पादक रासायनिक अभिक्रिया है जिसमें कोई कार्बनयुक्त ईंधन (जैसे मोम, लकड़ी, कोयला या तेल) ऑक्सीजन गैस के साथ रासायनिक संयोग करता है, जिसके परिणामस्वरूप अत्यधिक ऊष्मीय ऊर्जा (गर्मी) तथा प्रकाश उत्सर्जित होता है।

कक्षा 6 के विज्ञान में सबसे महत्वपूर्ण वैचारिक अंतर यह समझना है कि:

• ऑक्सीजन स्वयं जलने वाली गैस (ईंधन) नहीं है, बल्कि यह दहन की पोषक (Supporter of Combustion) गैस है।
• इसका अर्थ यह है कि शुद्ध ऑक्सीजन में यदि केवल चिंगारी लगाई जाए तो ऑक्सीजन स्वयं नहीं जलती; किंतु यदि कोई जलने वाली वस्तु उपस्थित हो, तो ऑक्सीजन के बिना वह आग कभी नहीं पकड़ सकती। ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में आग तुरंत बुझ जाती है।

3.2 जल में जलती मोमबत्ती का ऐतिहासिक प्रयोग (NCERT / SCERT क्रियाकलाप 4)

यह प्रमाणित करने के लिए कि (1) जलने की क्रिया में वायु की ऑक्सीजन खर्च होती है, (2) ऑक्सीजन वायु का लगभग पाँचवां भाग घेरती है, तथा (3) वायु का शेष विशाल भाग जलने में बिल्कुल सहायक नहीं है, जलती मोमबत्ती का प्रसिद्ध प्रयोग किया जाता है:

        अवस्था 1: मोमबत्ती जल रही है                    अवस्था 2: मोमबत्ती बुझ गई
          उल्टा गिलास नीचे रखा गया                        पानी 1/5 भाग ऊपर चढ़ गया
      +----------------------------+                 +----------------------------+
      |         कांच का गिलास      |                 |         कांच का गिलास      |
      |       (5 बराबर भागों में)  |                 |       (5 बराबर भागों में)  |
      |       +================+   |                 |       +================+   |
      |       |      वायु      |   |                 |       | नाइट्रोजन (4/5)|   |
      |       |   (5/5 कुल भाग)|   |                 |       | (अदहन पोषक गैस)|   |
      |       |                |   |                 |       |                |   |
      |       |       (i)      |   |                 |       |       (x)      |   |
      |       |     [ज्वाला]   |   |                 |       |     [बुझ गई]   |   |
      |       +-------||-------+   |                 |       +~~~~~~~~~~~~~~~~+   |
      |       |    मोमबत्ती    |   |                 |       | पानी 1/5 ऊपर चढ़ा  |
      |   ~~~~+~~~~~~~~~~~~~~~~+~~~~   |             |   ~~~~+~~~~~~~~~~~~~~~~+~~~~   |
      |        थाली में रंगीन पानी     |             |        थाली में रंगीन पानी     |
      +----------------------------+                 +----------------------------+

विस्तृत प्रायोगिक विधि:

1. कांच अथवा प्लास्टिक की एक उथली थाली या चौड़ा टब लें।
2. थाली के ठीक केंद्र में पिघले हुए मोम की सहायता से एक छोटी मोमबत्ती को सीधा खड़ा करके चिपका दें।
3. थाली में लगभग 2 से 3 सेंटीमीटर की ऊंचाई तक पानी भर दें। पानी में थोड़ा सा लाल रंग या रोली घोल दें ताकि पानी का स्तर कांच के आर-पार स्पष्ट दिखाई दे।
4. कांच का एक लंबा, सीधा बेलनाकार गिलास या जार लें। एक स्थायी मार्कर और स्केल की सहायता से गिलास की कुल ऊर्ध्वाधर ऊंचाई को पांच बराबर भागों (Units) में बांटकर निशान लगा लें।
5. मोमबत्ती की बत्ती को माचिस से जलाएं और उसे कुछ क्षण स्थिरता से जलने दें।
6. अब उस चिह्नित कांच के गिलास को जलती हुई मोमबत्ती के ऊपर बिल्कुल उल्टा करें और सावधानीपूर्वक सीधा नीचे लाकर थाली के पेंदे पर टिका दें।
7. अब गिलास के भीतर की ज्वाला और पानी के स्तर का लगातार 60 सेकंड तक अवलोकन करें।

प्रायोगिक प्रेक्षण:

1. ज्वाला का बुझना: गिलास ढकने के बाद आरंभ के कुछ सेकंड तक मोमबत्ती जलती रहती है, फिर धीरे-धीरे उसकी लौ छोटी और धुंधली होने लगती है, और अंततः मोमबत्ती पूरी तरह बुझ जाती है।
2. पानी का ऊपर चढ़ना: जैसे-जैसे मोमबत्ती बुझने के करीब पहुंचती है, थाली का लाल रंगीन पानी गिलास के भीतर तेजी से ऊपर की ओर चढ़ने लगता है।
3. पानी की ऊंचाई: जब पूरी प्रक्रिया समाप्त हो जाती है, तो हम देखते हैं कि गिलास के भीतर पानी का स्तर ठीक पहले निशान तक—अर्थात गिलास के कुल आयतन के लगभग एक-पंचमांश ($1/5$ भाग या $\sim 20\%$) तक—ऊपर चढ़कर स्थिर हो जाता है।
4. शेष भाग: गिलास के ऊपर का चार-पंचमांश ($4/5$ भाग या $\sim 80\%$) आयतन अभी भी एक अदृश्य गैस से भरा रहता है, किंतु मोमबत्ती बुझी रहती है।

3.3 वैज्ञानिक निष्कर्ष एवं मात्रात्मक विश्लेषण

इस प्रयोग से तीन अत्यंत महत्वपूर्ण वैज्ञानिक निष्कर्ष प्राप्त होते हैं:

निष्कर्ष 1: दहन हेतु ऑक्सीजन अनिवार्य है और जलने में प्रयुक्त होती है

• मोमबत्ती इसलिए नहीं बुझी कि उसका मोम खत्म हो गया था (मोमबत्ती अभी भी काफी बची हुई है)।
• वह इसलिए बुझ गई क्योंकि गिलास के भीतर बंद वायु में उपस्थित सीमित मात्रा की ऑक्सीजन गैस मोमबत्ती के जलने में पूरी तरह खर्च (समाप्त) हो गई।
• मोम के हाइड्रोकार्बन ने ऑक्सीजन से क्रिया करके कार्बन डाइऑक्साइड और जलवाष्प बना ली। जैसे ही ऑक्सीजन शून्य हुई, रासायनिक अभिक्रिया रुक गई और आग तत्काल बुझ गई।

निष्कर्ष 2: ऑक्सीजन वायु के कुल आयतन का लगभग पाँचवां भाग ($\sim 21\%$) है

• जब गिलास के भीतर की ऑक्सीजन जलने में खर्च हो गई, तो गिलास के भीतर गैसीय दाब बाहर के सामान्य वायुमंडलीय दाब से कम हो गया।
• बाहर की वायु ने थाली के पानी पर दबाव डाला, जिससे पानी उस खाली हुए स्थान को भरने के लिए गिलास में ऊपर चढ़ गया।
• चूंकि चढ़ा हुआ पानी गिलास के कुल आयतन का लगभग $1/5$ भाग ($20\%$) है, अतः यह मात्रात्मक रूप से सिद्ध करता है कि वायु में ऑक्सीजन का अनुपात लगभग $21\%$ (एक-पंचमांश) होता है।

निष्कर्ष 3: वायु का शेष विशाल भाग ($4/5$ भाग) दहन का पोषक नहीं है (नाइट्रोजन)

• पानी चढ़ने के बाद भी गिलास का $80\%$ भाग एक अदृश्य गैस से भरा रहता है।
• यदि उस बचे हुए गैसीय भाग में कोई जलती हुई तीली ले जाई जाए, तो वह तुरंत बुझ जाती है।
• यह सिद्ध करता है कि वायु का सबसे बड़ा घटक—अर्थात नाइट्रोजन ($\text{N}_2$)—जलने की क्रिया में बिल्कुल सहायता नहीं करता और एक अदहन पोषक गैस है।

4.1 कोशिकीय श्वसन की सार्वभौमिक जैविक मांग

पृथ्वी पर जीवन का अस्तित्व ऊर्जा पर टिका है, और सजीवों में यह जैविक ऊर्जा श्वसन (Respiration) के माध्यम से उत्पन्न होती है।

सभी जीवित प्राणी—चाहे वे आकाश में उड़ते पक्षी हों, जमीन पर चलते मनुष्य, गहरे समुद्र की मछलियां हों या मिट्टी के नीचे रेंगते केंचुए—भोजन के पाचन से प्राप्त ग्लूकोज को कोशिकाओं के भीतर तोड़ने के लिए निरंतर ऑक्सीजन का उपभोग करते हैं:

$$\text{ग्लूकोज (भोजन)} + \text{ऑक्सीजन } (\text{O}_2) \longrightarrow \text{कार्बन डाइऑक्साइड } (\text{CO}_2) + \text{जल } (\text{H}_2\text{O}) + \text{जैविक ऊर्जा (ATP)}$$

यदि किसी सजीव को ऑक्सीजन न मिले, तो उसकी कोशिकाओं में ऊर्जा निर्माण रुक जाता है और कुछ ही पलों में उसकी मृत्यु हो जाती है। थल पर रहने वाले जंतु तो अपने फेफड़ों या श्वास रंध्रों द्वारा खुली वायु से सीधे ऑक्सीजन ले लेते हैं, किंतु जल में डूबे रहने वाले अथवा मिट्टी के नीचे दबे रहने वाले जीव सांस कैसे लेते हैं?

4.2 जल में घुली हुई वायु: पानी गर्म करने का प्रयोग (क्रियाकलाप 6)

क्या नदियों, तालाबों और समुद्र के जल में वायु उपस्थित होती है? एक अत्यंत सरल विद्यालयी प्रयोग यह प्रमाणित करता है कि प्राकृतिक जल में प्रचुर मात्रा में वायु घुली रहती है:

               धीमी आंच पर खौलने से पूर्व गर्म होता पानी (< 100°C)
          +------------------------------------------------+
          |             कांच का बीकर                       |
          |                                                |
          |    ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~     |
          |                                                |
          |       o       o       O       o       o        | <-- जल से बाहर निकलती
          |        \       \     /       /       /         |     घुली वायु के बुलबुले
          |       o o     o o   o o     o o     o o        |
          |      ===================================       |
          |      ooooooooooooooooooooooooooooooooooo       | <-- तली पर चिपके हुए
          +------------------------------------------------+     नन्हें-नन्हें बुलबुले
                 ▲            ▲            ▲
                     [बर्नर की धीमी ज्वाला / ट्राइपॉड]

प्रायोगिक विधि एवं प्रेक्षण:

1. कांच के एक बीकर में नल या तालाब का ताजा पानी आधा भर लें।
2. बीकर को तिपाई स्टैंड पर रखकर बर्नर की धीमी आंच पर धीरे-धीरे गर्म करें।
3. पानी के उबलने से काफी पहले ही (लगभग $40^\circ\text{C}$ से $60^\circ\text{C}$ के तापमान पर) बीकर की तली और अंदरूनी कांच की दीवारों का ध्यानपूर्वक निरीक्षण करें।
4. प्रेक्षण: पानी के खौलने से बहुत पहले ही बीकर की अंदरूनी तली और दीवारों पर सैकड़ों नन्हें-नन्हें चमकदार बुलबुले चिपक जाते हैं। जैसे-जैसे पानी थोड़ा और गर्म होता है, ये बुलबुले बड़े होकर ऊपर उठते हैं और पानी से बाहर निकल जाते हैं।
5. वैज्ञानिक निष्कर्ष: ये आरंभिक बुलबुले भाप (Steam) नहीं हैं (क्योंकि पानी $100^\circ\text{C}$ से पहले भाप नहीं बनता)। ये बुलबुले जल में घुली हुई वायु हैं!
6. भौतिक नियम: द्रवों में गैसों की विलेयता (घुलने की क्षमता) तापमान बढ़ने पर घट जाती है। जब ठंडा पानी गर्म होता है, तो उसमें घुली हुई वायु अपनी विलेयता खो देती है और बुलबुलों के रूप में पानी से बाहर निकल जाती है।

जलीय जीवों के श्वसन अनुकूलन:

• मछलियों के गलफड़े (Gills): मछलियों के सिर के दोनों ओर पतले, लाल, रक्त नलिकाओं से भरपूर विशेष अंग होते हैं जिन्हें गलफड़े (क्लोम / Gills) कहते हैं। मछली मुंह से पानी खींचती है और उसे गलफड़ों के ऊपर से बाहर निकालती है। जल में घुली हुई ऑक्सीजन गलफड़ों की सूक्ष्म रक्त वाहिकाओं में विसरित हो जाती है और रक्त की कार्बन डाइऑक्साइड पानी में छोड़ दी जाती है।
• जलीय पौधे: कमल, जलकुंभी तथा जलमग्न पौधे (हाइड्रिला) अपनी पतली पत्तियों की बाह्य त्वचा द्वारा सीधे जल में घुली ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड का आदान-प्रदान करते हैं।
• व्हेल एवं डॉल्फिन (स्तनधारी अपवाद): यद्यपि व्हेल और डॉल्फिन समुद्र में रहती हैं, किंतु वे मछलियां नहीं बल्कि स्तनधारी प्राणी हैं। उनके गलफड़े नहीं होते, बल्कि फेफड़े होते हैं। वे जल में घुली ऑक्सीजन नहीं ले सकतीं। इसलिए वे समय-समय पर पानी की सतह पर ऊपर आती हैं और अपने सिर के ऊपर स्थित 'ब्लोहोल' (श्वास छिद्र) द्वारा वायुमंडलीय खुली हवा में सांस लेती हैं।

4.3 मिट्टी में फंसी वायु: सूखे ढेले पर पानी डालने का प्रयोग (क्रियाकलाप 7)

मिट्टी बाहर से देखने में ठोस और सघन प्रतीत होती है। क्या मिट्टी के भीतर हवा होती है?

         कांच के गिलास में सूखी मिट्टी के ढेले पर पानी डालना
          +----------------------------------------+
          |           कांच का गिलास                |
          |                                        |
          |         o       O       o      O       | <-- सनसनाहट के साथ ऊपर
          |          \     /         \    /        |     उठते वायु के बुलबुले
          |           o   o           o  o         |
          |      +--------------------------+      |
          |      |    मिट्टी का सूखा ढेला   |      |
          |      | (पानी द्वारा हवा विस्थापित)|    |
          |      +--------------------------+      |
          +~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~+

प्रायोगिक विधि एवं प्रेक्षण:

1. बगीचे या खेत से सूखी मिट्टी का एक ठोस ढेला लें और उसे कांच के एक खाली बीकर में रख दें।
2. अब ऊपर से बीकर में धीरे-धीरे साफ पानी उंडेलें।
3. प्रेक्षण: पानी डालते ही मिट्टी के ढेले से तीव्र सनसनाहट (फुसफुसाहट / Effervescence) के साथ झाग उठता है और ढेले की सतह से हवा के सैकड़ों बुलबुले तेजी से पानी के ऊपर भागते हैं।
4. वैज्ञानिक कारण: मिट्टी ठोस पत्थर नहीं है; वह खनिज कणों का एक छिद्रयुक्त (Porous) ढांचा है। मिट्टी के कणों के बीच सूक्ष्म खाली जगहें होती हैं जिन्हें मृदा रंध्र (Soil Pores) कहते हैं। सूखी मिट्टी में ये सभी रंध्र वायु से भरे होते हैं। जब भारी पानी डाला जाता है, तो वह रंध्रों में घुसकर फंसी हुई वायु को बाहर धकेल देता है, जो बुलबुलों के रूप में ऊपर उठती है।

भूमिगत जीवों का श्वसन एवं केंचुए का वर्षा रहस्य:

• केंचुए का त्वचीय श्वसन: केंचुओं में न फेफड़े होते हैं और न गलफड़े। वे अपनी पतली, सदैव नम और श्लेष्मायुक्त त्वचा द्वारा सीधे श्वसन करते हैं। मिट्टी के रंध्रों में जो वायु फंसी होती है, उसकी ऑक्सीजन केंचुए की नम त्वचा से विसरित होकर सीधे उसकी रक्त नलिकाओं में पहुंचती है। पौधों की जड़ें भी इन्हीं मृदा रंध्रों की वायु से श्वसन करती हैं।
• भारी वर्षा में केंचुओं का जमीन पर बाहर आने का वैज्ञानिक रहस्य:
  • सामान्य दिनों में केंचुए जमीन के भीतर अपनी गहरी सुरंगों में आराम से रहते हैं क्योंकि मिट्टी के रंध्रों में पर्याप्त हवा होती है।
  • किंतु जब मूसलाधार मानसूनी बारिश होती है, तो वर्षा का जल भूमि में रिसकर मिट्टी के सभी सूक्ष्म रंध्रों, दरारों और केंचुओं की सुरंगों को पूरी तरह पानी से लबालब भर देता है।
  • मिट्टी की सारी वायु बाहर निकल जाती है। भूमिगत सुरंगों में ऑक्सीजन समाप्त हो जाने से केंचुओं का दम घुटने लगता है।
  • पानी में डूबकर मरने से बचने तथा खुली हवा में सांस लेने के लिए ही केंचुए भारी बारिश के समय जमीन से बाहर निकलकर सतह पर रेंगने लगते हैं।

5.1 वैश्विक श्वसन बनाम ऑक्सीजन की अनवरत आपूर्ति का विरोधाभास

पृथ्वी पर प्रति सेकंड होने वाले ऑक्सीजन उपभोग के विशाल पैमाने पर विचार करें:

1. अरबों जीवधारियों का अनवरत श्वसन: संपूर्ण पृथ्वी पर 8 अरब से अधिक मानव तथा खरबों स्थलीय वन्यजीव, मवेशी, पक्षी, कीट एवं मृदा सूक्ष्मजीव वर्ष के 365 दिन, 24 घंटे लगातार वायुमंडल से ऑक्सीजन ($O_2$) ग्रहण कर रहे हैं और कोशिकीय श्वसन के माध्यम से कार्बन डाइऑक्साइड ($CO_2$) निष्कासित कर रहे हैं।
2. जलीय पारितंत्र में उपभोग: महासागरों, झीलों, तालाबों एवं गंगा जैसी विशाल नदियों में रहने वाले खरबों जलीय जीव जल में घुली ऑक्सीजन को लगातार अवशोषित कर रहे हैं।
3. दहन एवं औद्योगिक खपत: करोड़ों ताप विद्युत संयंत्र (Thermal Power Plants), ऑटोमोबाइल इंजन, कारखाने, ईंट-भट्ठे, घरेलू चूल्हे और कृषि अपशिष्ट का दहन भारी मात्रा में वायुमंडलीय ऑक्सीजन का उपभोग करते हैं।

इस निरंतर और अत्यंत तीव्र उपभोग के बावजूद, हजारों वर्षों के वैज्ञानिक प्रेक्षण यह स्पष्ट करते हैं कि वायुमंडल में ऑक्सीजन का अनुपात लगभग $21\%$ और कार्बन डाइऑक्साइड का अनुपात लगभग $0.04\%$ पर स्थिर बना हुआ है। यह प्राकृतिक तथ्य यह सिद्ध करता है कि वायुमंडल में ऑक्सीजन का कोई शक्तिशाली और सतत पुनर्भरण स्रोत (Replenishment Mechanism) कार्यरत है।

5.2 प्रकाश संश्लेषण: प्रकृति का ऑक्सीजन उत्पादक कारखाना

हरे पौधे वायुमंडल में ऑक्सीजन लौटाने वाले एकमात्र प्राकृतिक जैविक तंत्र हैं। यह प्रक्रिया प्रकाश संश्लेषण (Photosynthesis) कहलाती है।

1. रासायनिक प्रक्रिया एवं समीकरण

हरे पौधों की पत्तियों में उपस्थित हरा वर्णक क्लोरोफिल (Chlorophyll) सूर्य के प्रकाश की सौर ऊर्जा को अवशोषित करता है। पौधे जड़ों द्वारा भूमि से जल ($H_2O$) और पत्तियों के रंध्रों (Stomata) द्वारा वायु से कार्बन डाइऑक्साइड ($CO_2$) प्राप्त करते हैं:

$$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow[\text{क्लोरोफिल}]{\text{सूर्य का प्रकाश}} C_6H_{12}O_6\text{ (ग्लूकोज)} + 6O_2\uparrow\text{ (ऑक्सीजन)}$$

इस प्रकाश-रासायनिक अभिक्रिया के परिणामस्वरूप पौधे कार्बोहाइड्रेट (ग्लूकोज) के रूप में खाद्य ऊर्जा का संचय करते हैं तथा सह-उत्पाद (By-product) के रूप में शुद्ध ऑक्सीजन गैस ($O_2$) वायुमंडल में विसर्जित करते हैं।

2. एक प्रमुख वैज्ञानिक भ्रांति का निवारण: क्या पौधे केवल कार्बन डाइऑक्साइड लेते हैं?

अनेक छात्र इस भ्रांति के शिकार होते हैं कि "पौधे केवल कार्बन डाइऑक्साइड ग्रहण करते हैं और ऑक्सीजन नहीं लेते"। यह पूर्णतः असत्य है:

• पौधे भी अन्य सभी सजीवों की भांति अपने जीवित ऊतकों के रखरखाव हेतु दिन-रात (24 घंटे) श्वसन (Respiration) करते हैं, जिसमें वे ऑक्सीजन ग्रहण करते हैं और कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ते हैं।
• परंतु दिन के समय, सूर्य के प्रकाश की उपस्थिति में, प्रकाश संश्लेषण की दर श्वसन की दर से 10 से 20 गुना अधिक तीव्र होती है।
• अतः पौधे दिन में जितनी ऑक्सीजन अपने श्वसन में उपयोग करते हैं, उससे कहीं अधिक मात्रा में अतिरिक्त ऑक्सीजन प्रकाश संश्लेषण द्वारा वायुमंडल में छोड़ देते हैं।
• इस प्रकार दिन के अंत में पौधों द्वारा ऑक्सीजन का शुद्ध धनात्मक उत्पादन (Net Positive Production) होता है, जो संपूर्ण जीव-जगत के श्वसन के लिए पर्याप्त होता है।

5.3 ऑक्सीजन-कार्बन डाइऑक्साइड चक्र की गतिकी

वायुमंडल में गैसों का संतुलन पौधों और जंतुओं के मध्य एक अटूट सहजीविता (Symbiosis) और चक्रीय अंतःक्रिया पर आधारित है:

यदि पृथ्वी से समस्त हरे पौधों को समाप्त कर दिया जाए, तो कुछ ही दशकों में वायुमंडल की ऑक्सीजन समाप्त हो जाएगी और कार्बन डाइऑक्साइड का स्तर प्राणघातक सीमा तक बढ़ जाएगा। ठीक इसी प्रकार, यदि पृथ्वी पर कोई जंतु न रहे, तो पौधों को प्रकाश संश्लेषण हेतु आवश्यक कार्बन डाइऑक्साइड का जैविक स्रोत मिलना बाधित हो जाएगा। यह अंतःक्रिया जैव-मंडल के संतुलन की नींव है।

5.4 रात्रि में सघन वृक्षों के नीचे सोने का वैज्ञानिक निषेध

बिहार और संपूर्ण भारतीय उपमहाद्वीप में पारंपरिक रूप से यह हिदायत दी जाती है कि रात्रि के समय सघन और विशाल वृक्षों (जैसे पीपल, बरगद, आम) के नीचे नहीं सोना चाहिए। इसके पीछे का शुद्ध वैज्ञानिक कारण निम्नलिखित है:

1. रात्रि में प्रकाश संश्लेषण का पूर्ण विराम: सूर्य के प्रकाश की अनुपस्थिति के कारण रात में पौधे प्रकाश संश्लेषण नहीं कर सकते; अतः रात में ऑक्सीजन का कोई उत्पादन नहीं होता।
2. सक्रिय श्वसन एवं कार्बन डाइऑक्साइड निष्कासन: पेड़ के विशाल तने, शाखाएं, पत्तियां और जड़ें रात भर अनवरत श्वसन करती हैं, जिसमें वे आसपास की वायु से ऑक्सीजन अवशोषित करती हैं और सांद्र कार्बन डाइऑक्साइड ($CO_2$) निष्कासित करती हैं।
3. स्थानीय गैस संकेंद्रण: शांत और मंद हवा वाली रातों में विशाल पेड़ की घनी पत्तियों के नीचे भारी कार्बन डाइऑक्साइड गैस एकत्रित हो जाती है और ऑक्सीजन की स्थानीय सांद्रता घट जाती है।
4. यदि कोई व्यक्ति ऐसी स्थिति में पेड़ के ठीक नीचे सोता है, तो उसे हाइपोक्सिया (Hypoxia - ऑक्सीजन की कमी), दम घुटना, सिरदर्द, बेचैनी और छाती में भारीपन का अनुभव हो सकता है। प्राचीन काल में वैज्ञानिक समझ के अभाव में लोग इसे "भूत-प्रेत का साया" मान लेते थे, जबकि वास्तव में यह $CO_2$ की अधिकता और $O_2$ की अल्पता का शारीरिक प्रभाव है।

5.5 वनों की कटाई और वैश्विक गैसीय असंतुलन

मानव की अनियंत्रित विकास गतिविधियों, वनों की कटाई (Deforestation) और जीवाश्म ईंधनों (कोयला, पेट्रोलियम, प्राकृतिक गैस) के अत्यधिक दोहन ने इस प्राकृतिक गैसीय चक्र को संकट में डाल दिया है:

• ऑक्सीजन उत्पादक स्रोतों का ह्रास: विश्व भर में प्रतिवर्ष लाखों हेक्टेयर वर्षावन काटे जा रहे हैं, जिससे पृथ्वी की ऑक्सीजन उत्पादन क्षमता घट रही है।
• कार्बन डाइऑक्साइड संचयन एवं ग्लोबल वार्मिंग: $CO_2$ एक प्रमुख ग्रीनहाउस गैस (Greenhouse Gas) है। वायुमंडल में इसकी सांद्रता बढ़ने से यह पृथ्वी से उत्सर्जित होने वाली अवरक्त ऊष्मा (Infrared Heat) को रोक लेती है, जिससे वैश्विक तापमान में वृद्धि (Global Warming) और जलवायु परिवर्तन हो रहा है।
• पर्यावरणीय सीख: वायुमंडलीय संतुलन को बनाए रखने के लिए वृक्षारोपण (Afforestation), वन संरक्षण तथा हरित ऊर्जा स्रोतों का उपयोग अपरिहार्य है।

6.1 गतिशील वायु: पवन और उसकी भौतिक प्रकृति

स्थैतिक अवस्था में वायु शांत प्रतीत होती है, परंतु जब वायुमंडलीय दाब के अंतर (Pressure Difference) के कारण वायु उच्च दाब क्षेत्र से निम्न दाब क्षेत्र की ओर गति करती है, तो इसे पवन (Wind) कहा जाता है।

1. द्रव्यमान और गतिज ऊर्जा का भौतिक संबंध

चूंकि वायु विभिन्न गैसीय अणुओं का मिश्रण है, अतः इसका एक निश्चित द्रव्यमान ($m$) होता है। जब यह द्रव्यमान किसी वेग ($v$) से गतिशील होता है, तो यह प्रचुर गतिज ऊर्जा (Kinetic Energy) वहन करता है:

$$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$

पवन का वेग जितना अधिक होगा, उसके द्वारा उत्पन्न बल और गतिज ऊर्जा उतनी ही प्रचंड होगी। उदाहरणार्थ, यदि पवन का वेग दोगुना कर दिया जाए, तो उसकी गतिज ऊर्जा चार गुना ($2^2 = 4$) बढ़ जाती है। यही कारण है कि तीव्र चक्रवात और आंधी विशाल वृक्षों और छप्परों को उखाड़ फेंकने में सक्षम होते हैं।

2. पवन के मापन हेतु वैज्ञानिक उपकरण

• पवन-दिशा सूचक (Wind Vane / Weathercock): यह उपकरण एक क्षैतिज अक्ष पर घूमने वाले तीर के आकार का होता है, जो वायु के प्रवाह की दिशा को दर्शाता है।
• पवनमापी (Anemometer): इसमें तीन या चार खोखले कप (Cups) एक ऊर्ध्वाधर धुरी पर लगे होते हैं। हवा चलने पर कप घूमते हैं और उनके घूर्णन की गति से पवन का वेग (किमी/घंटा अथवा मीटर/सेकंड) मापा जाता है।

6.2 पवन चक्की (Windmill) की कार्यप्रणाली और अनुप्रयोग

पवन चक्की एक यांत्रिक युक्ति है जो बहती हुई पवन की रैखिक गतिज ऊर्जा को घूर्णन यांत्रिक ऊर्जा (Rotational Mechanical Energy) में और फिर विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती है।

1. पवन चक्की की आंतरिक संरचना एवं कार्य-सिद्धांत

• ब्लेड्स (Paddles/Blades): पवन चक्की में एक ऊंचे खंभे पर विशाल पंखे जैसे तीन या चार तिरछे मुड़े हुए ब्लेड लगे होते हैं। जब पवन इन ब्लेडों से टकराती है, तो वायुगतिकीय लिफ्ट (Aerodynamic Lift) और दबाव के अंतर से वे तेजी से घूमने लगते हैं।
• मुख्य धुरी (Shaft) एवं गियरबॉक्स: घूमते हुए ब्लेड एक केंद्रीय शाफ्ट को घुमाते हैं। गियरबॉक्स इस घूर्णन गति की दर को बढ़ाता है।
• जनरेटर (Generator): आधुनिक पवन टर्बाइनों में शाफ्ट एक विद्युत जनरेटर से जुड़ा होता है, जो चुंबकीय प्रेरण (Electromagnetic Induction) के सिद्धांत पर स्वच्छ, हरित विद्युत उत्पन्न करता है।

2. पवन चक्की के प्रमुख पारंपरिक एवं आधुनिक उपयोग

1. भूमिगत जल निष्कर्षण (Pumping Groundwater): पारंपरिक पवन चक्कियां गियर तंत्र के माध्यम से नलकूप या कुएं के पिस्टन पंप को ऊपर-नीचे चलाकर सिंचाई और पेयजल हेतु भूजल खींचने का कार्य करती हैं।
2. अनाज की पिसाई (Flour Milling): पवन चक्की की यांत्रिक ऊर्जा से भारी पत्थर के पाट (Chakki stones) घुमाकर गेहूं, मक्का और अन्य अनाजों की पिसाई की जाती है।
3. विद्युत उत्पादन (Electricity Generation): आधुनिक 'विंड फार्म्स' (Wind Farms) में स्थापित विशाल पवन टर्बाइन ग्रिड हेतु मेगावाट स्तर पर स्वच्छ बिजली का उत्पादन करते हैं, जिससे जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता कम होती है। भारत के तटीय राज्यों (तमिलनाडु, गुजरात) में विशाल पवन ऊर्जा फार्म स्थापित हैं।

6.3 दैनिक जीवन एवं प्रकृति में वायु के अन्य महत्वपूर्ण कार्य

वायु केवल श्वसन और दहन तक सीमित नहीं है, बल्कि पृथ्वी के भौतिक, जैविक और तकनीकी तंत्र इसके अनेक गुणों पर निर्भर करते हैं:

1. जल-चक्र में अपरिहार्य भूमिका

• वाष्पीकरण को गति देना: बहती हुई वायु गीले कपड़ों, नदियों, तालाबों और खेतों की सतह से जल के वाष्पीकरण की दर को कई गुना बढ़ा देती है, क्योंकि यह सतह के निकट की संतृप्त वायु को हटाकर शुष्क वायु लाती है।
• बादलों का संचलन एवं वर्षा वितरण: जलवाष्प युक्त गर्म और हल्की वायु ऊपर उठकर बादलों का निर्माण करती है। पवन इन बादलों को महासागरों से हजारों किलोमीटर दूर अंतर्देशीय भूभागों (जैसे बिहार के मैदानी इलाकों) तक ले जाती है, जिससे मानसूनी वर्षा संभव होती है। यदि पवन न चले, तो वर्षा केवल महासागरों पर ही सीमित रह जाएगी और संपूर्ण स्थल भाग मरुस्थल बन जाएगा।

2. पादप प्रजनन: परागण और बीजों का प्रकीर्णन (Seed Dispersal)

• अनेक पौधों के परागकण इतने सूक्ष्म और हल्के होते हैं कि पवन उन्हें नर पुष्प से मादा पुष्प तक उड़ा ले जाती है (वायु-परागण / Anemophily), जैसे मक्का, गेहूं, धान और घास में।
• बीज प्रकीर्णन: सहजन (Drumstick), मदार (आक / Calotropis), कपास, डंडेलियन और मेपल के बीजों में पंख (Wings) या रोमदार बाल (Hairy tufts) होते हैं। पवन इन बीजों को मातृ-वृक्ष से मीलों दूर उड़ा ले जाती है, जिससे पौधों का भौगोलिक फैलाव होता है और संकुलन (Overcrowding) रुकता है।

3. ध्वनि संचरण का भौतिक माध्यम

• ध्वनि तरंगें (Sound Waves) अनुदैर्ध्य यांत्रिक तरंगें (Longitudinal Mechanical Waves) हैं, जिन्हें गति करने के लिए एक भौतिक द्रव्यमान वाले माध्यम की आवश्यकता होती है।
• वायुमंडलीय वायु के कण कंपन करते हुए ध्वनि को संपीडन (Compression) और विरलन (Rarefaction) के रूप में हमारे कानों तक पहुंचाते हैं। निर्वात (पूर्ण शून्य वायु) में हम एक-दूसरे की आवाज नहीं सुन सकते। चंद्रमा पर वायुमंडल न होने के कारण अंतरिक्ष यात्री सीधे ध्वनि द्वारा वार्तालाप नहीं कर सकते; उन्हें रेडियो संचार का उपयोग करना पड़ता है।

4. परिवहन और विमानन में उत्थापक बल (Aerodynamic Lift)

• पक्षियों, चमगादड़ों, कीटों और मानवरचित हवाई जहाजों, हेलीकॉप्टरों, ग्लाइडरों तथा पैराशूटों को वायु अपने घनत्व और उत्प्लावन बल द्वारा हवा में उड़ने और तैरने में सहायता प्रदान करती है।
• पाल नौकाएं (Sailboats): ऐतिहासिक काल से भारतीय और विश्व के नाविक विशाल कपड़ों की पालों (Sails) पर पवन के धक्के का उपयोग करके विशाल महासागरों में जलपोत चलाते रहे हैं।
• गर्म हवा का गुब्बारा (Hot Air Balloon): गर्म करने पर वायु का घनत्व बाहर की ठंडी वायु से कम हो जाता है, जिससे आर्किमिडीज के सिद्धांत के अनुसार गुब्बारा ऊपर की ओर उठने लगता है।

5. खेलकूद और दैनिक प्रौद्योगिकी

• फुटबॉल, वॉलीबॉल, बास्केटबॉल और साइकिल के टायरों में संपीड़ित वायु (Compressed Air) भरकर उन्हें लचीला, हल्का और गतिशील बनाया जाता है।
• बच्चों की फिरकी (Pinwheel) और पतंग (Kite) का आकाश में उड़ना पूरी तरह गतिशील पवन के दबाव पर आधारित है। वायवीय उपकरण (Pneumatic Tools) जैसे भारी ड्रिल और बस-ट्रक के वायवीय ब्रेक (Air Brakes) संपीड़ित वायु की शक्ति पर कार्य करते हैं।

7.1 वायु प्रदूषण की परिभाषा एवं रासायनिक स्वरूप

सामान्य अवस्था में शुद्ध वायु का संयोजन जीवधारियों के स्वास्थ्य और पारिस्थितिक तंत्र के अनुकूल होता है। परंतु मानवीय गतिविधियों द्वारा जब अवांछित गैसें, विषैले रसायन, धूलिकण और धुआँ वायुमंडल में इतनी अधिक मात्रा में मिल जाते हैं कि वे मानव, जंतुओं, वनस्पतियों और भवनों को हानि पहुँचाने लगें, तो इस स्थिति को वायु प्रदूषण (Air Pollution) कहते हैं।

प्रमुख वायु प्रदूषक और उनके हानिकारक प्रभाव:

1. कार्बन मोनोऑक्साइड ($CO$): ईंधनों (पेट्रोल, डीजल, कोयला, लकड़ी) के अपूर्ण दहन से उत्पन्न अत्यधिक विषैली, रंगहीन और गंधहीन गैस। यह रक्त के हीमोग्लोबिन से ऑक्सीजन की तुलना में 200 गुना अधिक तीव्रता से जुड़कर कार्बोक्सीहीमोग्लोबिन बनाती है, जिससे ऊतकों तक ऑक्सीजन की आपूर्ति रुक जाती है और दम घुटने से मृत्यु तक हो सकती है।
2. सल्फर डाइऑक्साइड ($SO_2$) एवं नाइट्रोजन के ऑक्साइड ($NO_x$): ताप विद्युत गृहों, तेल रिफाइनरियों और वाहनों से उत्सर्जित गैसें। ये वायुमंडलीय जलवाष्प से क्रिया करके सल्फ्यूरिक अम्ल ($H_2SO_4$) और नाइट्रिक अम्ल ($HNO_3$) बनाती हैं, जो अम्लीय वर्षा (Acid Rain) के रूप में गिरकर ऐतिहासिक इमारतों (जैसे संगमरमर के स्मारक), फसलों और जलीय जीवन को नष्ट करती हैं।
3. पार्टिकुलेट मैटर ($PM_{2.5}$ एवं $PM_{10}$): वायु में तैरने वाले अत्यंत सूक्ष्म ठोस व तरल कण। $2.5$ माइक्रोमीटर से छोटे कण ($PM_{2.5}$) श्वास के साथ सीधे फेफड़ों की कुपिकाओं (Alveoli) और रक्त प्रवाह में प्रवेश कर जाते हैं, जिससे अस्थमा, ब्रोंकाइटिस, हृदय रोग और फेफड़ों का कैंसर होता है।

7.2 शीतकालीन स्मॉग (धुंध) और तापीय व्युत्क्रमण परिघटना

सर्दियों के महीनों में, विशेष रूप से उत्तर भारत और बिहार के गंगा के मैदानी इलाकों (जैसे पटना, मुजफ्फरपुर, गया) में एक विशिष्ट और गंभीर वायुमंडलीय स्थिति उत्पन्न होती है जिसे स्मॉग (Smog) कहा जाता है।

1. स्मॉग का निर्माण

• 'स्मॉग' शब्द धुआँ (Smoke) और कोहरा (Fog) के सम्मिश्रण से बना है:

$$\text{धुआँ (Smoke)} + \text{कोहरा (Fog)} = \text{स्मॉग (Smog)}$$

सर्दियों में जब वातावरण की अत्यधिक नमी घनीभूत होकर कोहरा बनाती है, तो ईंधनों, वाहनों और पराली दहन से निकलने वाला धुआँ और कालिख के कण इसमें फंस जाते हैं।

2. तापीय व्युत्क्रमण (Thermal Inversion) का प्रभाव

• सामान्यतः ऊंचाई बढ़ने के साथ तापमान घटता है, जिससे सतह की गर्म वायु प्रदूषकों को लेकर ऊपर उड़ जाती है।
• परंतु सर्दियों की ठंडी रातों में पृथ्वी की सतह तेजी से ठंडी हो जाती है, जिससे ठंडी, सघन वायु की परत जमीन के निकट बैठ जाती है और उसके ऊपर गर्म वायु की परत एक 'ढक्कन' की तरह छा जाती है।
• इस तापीय व्युत्क्रमण के कारण धुआँ, धूल और विषैली गैसें ऊपर नहीं उठ पातीं और जमीन के निकट एक विषैले चैंबर की भांति फंस जाती हैं। इससे दृश्यता (Visibility) शून्य के करीब पहुंच जाती है, श्वास लेना दूषित हो जाता है और वायु गुणवत्ता सूचकांक (AQI - Air Quality Index) 'गंभीर' (Severe) श्रेणी ($> 400$) में पहुंच जाता है।

7.3 बिहार के विशिष्ट संदर्भ में वायु प्रदूषण के कारक

बिहार के मैदानी भाग अपनी भौगोलिक स्थिति, सघन आबादी और विशिष्ट आर्थिक गतिविधियों के कारण वायु प्रदूषण के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हैं:

1. ईंट-भट्ठे (Brick Kilns): बिहार के ग्रामीण और उपनगरीय क्षेत्रों में हजारों पारंपरिक ईंट-भट्ठे कार्यरत हैं। इनमें कोयले, लकड़ी और रबर के टायरों के दहन से भारी मात्रा में काला धुआँ, $SO_2$ और कालिख (Soot) उत्सर्जित होती है।
2. पराली (कृषि अवशेष) दहन (Stubble Burning): धान और गेहूं की कटाई के बाद खेतों में बचे अवशेषों को जलाने से विशाल धुएं के बादल उठते हैं जो पूरे राज्य की वायु को प्रदूषित करते हैं।
3. सड़क की उड़ती धूल (Road Dust): कच्ची सड़कों, अधूरे निर्माण कार्यों और बिना ढके निर्माण सामग्री के परिवहन से वातावरण में $PM_{10}$ और सिलिका कणों की सघनता बढ़ जाती है।
4. घरेलू बायोमास ईंधन: ग्रामीण क्षेत्रों में भोजन पकाने हेतु उपले (गोइठा), सूखी लकड़ी और कृषि अवशेषों का उपयोग बंद कमरों में अत्यधिक धुआँ पैदा करता है, जिससे ग्रामीण महिलाओं और बच्चों में श्वसन रोग होते हैं।

7.4 बिहार सरकार की पर्यावरण संरक्षण पहल: 'जल-जीवन-हरियाली' अभियान

वायु प्रदूषण के संकट से निपटने और राज्य के प्राकृतिक पारिस्थितिक तंत्र को पुनर्जीवित करने हेतु बिहार सरकार ने एक युगांतरकारी समग्र कार्यक्रम 'जल-जीवन-हरियाली अभियान' प्रारंभ किया है:

• मिशन का मूल दर्शन: "जल और हरियाली है, तभी जीवन सुरक्षित है।" यह अभियान यह स्वीकार करता है कि स्वच्छ वायु और प्रचुर जल का अस्तित्व सघन हरित आवरण (Forest Cover) पर निर्भर करता है।
• वृहद पौधारोपण (Afforestation): राज्य भर में सड़कों, नहरों के किनारों, सरकारी परिसरों और निजी भूखंडों पर करोड़ों छायादार और ऑक्सीजन उत्पादक वृक्षों (जैसे पीपल, नीम, बरगद, शीशम) का रोपण किया गया, जिससे बिहार का हरित आवरण लगभग $9\%$ से बढ़कर $15\%$ से अधिक करने का लक्ष्य रखा गया।
• स्वच्छ प्रौद्योगिकी को प्रोत्साहन: पारंपरिक ईंट-भट्ठों को प्रदूषण-नियंत्रक 'जिग-जैग' (Zig-Zag) तकनीक में परिवर्तित करना अनिवार्य किया गया, जिससे धुएं के उत्सर्जन में $70\%$ तक की कमी आई।
• स्वच्छ रसोई ईंधन (उज्ज्वला योजना व सौर ऊर्जा): बायोमास चूल्हों के स्थान पर एलपीजी सिलेंडरों और सौर ऊर्जा चालित उपकरणों को बढ़ावा देकर घरेलू वायु प्रदूषण को न्यूनतम किया जा रहा है।

7.5 व्यक्तिगत स्तर पर स्वच्छ वायु संरक्षण हेतु नागरिक कर्तव्य

प्रत्येक छात्र और नागरिक अपने दैनिक आचरण में निम्नलिखित वैज्ञानिक उपायों को अपनाकर वायु को स्वच्छ रखने में योगदान दे सकता है:

1. सामूहिक व गैर-मोटर चालित परिवहन: छोटी दूरियों के लिए पैदल चलना या साइकिल चलाना तथा लंबी यात्राओं हेतु सार्वजनिक बसों या ट्रेनों का उपयोग करना।
2. कूड़ा-कचरा व पत्तियों को जलाने पर पूर्ण रोक: सूखे पत्तों और जैविक कचरे को जलाने के बजाय उन्हें गड्ढे में डालकर कंपोस्ट खाद तैयार करना।
3. 'एक छात्र, एक पेड़' संकल्प: अपने जन्मदिवस या विशेष अवसरों पर कम से कम एक स्थायी वृक्ष लगाना और उसकी पूर्ण सुरक्षा सुनिश्चित करना।
4. दीपावली व उत्सवों पर आतिशबाजी का त्याग: पटाखों से निकलने वाले विषाक्त भारी धातुओं (बेरियम, लेड) और धुएं से बचना।
5. ऊर्जा की बचत: अनावश्यक जलते हुए पंखों, बल्बों और उपकरणों को बंद करना, क्योंकि विद्युत बचत से कोयला-आधारित ताप विद्युत गृहों में ईंधन की खपत और धुआँ कम होता है।