|
الحرارة
الحرارة
توصف الأشياء، تبعاً لسخونتها، بأنها حارة، وساخنة، وباردة؛ فيقال يوم قائظ، أو يوم حار، أو شديد الحرارة؛ كما يقال للطبيب، إن المريض ارتفعت حرارته. وهذا التصنيف، نسبي؛ فالشاي يتناول ساخناً، بينما تتناول المشروبات الغازية باردة؛ ولو كان الشاي أقل سخونة من المعتاد، لقيل إنه بارد، ويحتاج إلى تسخين. والشعور بحرارة الهواء نسبي كذلك؛ فدرجة حرارة 30ْ مئوية، في شهر يونيه، في مدينة الرياض، مثلاً، تجعل اليوم معتدلاً. ولكن الدرجة نفسها، في المكان نفسه، في شهر يناير، تجعل اليوم شديد الحرارة. ولجسم الإنسان درجة حرارة معيارية ثابتة، يقارن بها ارتفاع درجة حرارته أو انخفاضها. ولكن، من الواضح، أن هناك خلطاً كبيراً بين مفهومَي الحرارة ودرجتها؛ على الرغم من أهميتهما وشيوع استعمالهما. لذا، فإن من الأولى، في بداية البحث، إيضاح الفرق بينهما، وكيفية قياس كلٍّ منهما؛ وتبيان الآلية، التي تنتقل بها الحرارة من جسم إلى آخر. وذلك يشكل أساساً للنظر في التوزع الرأسي للحرارة، في الغلاف الغازي؛ وتوزعها الأفقي، على سطح الأرض. يتبع |
الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة
إن جميع المواد مكونة من جزيئات وذرات، دائمة الاهتزاز والحركة؛ ولكنها متفاوتة السرعة، في المادة الواحدة. فلو أمكن رؤية جزيئات غاز الأكسجين، مثلاً، في حاوية، لتبيّن أن بعضها لا يكاد يتحرك، وبعضاً آخر يتحرك بسرعة عالية، وبعضها الأكبر حركته متوسطة. ولو كانت درجة حرارة Temperature غاز الأكسجين صفراً مئوياً، فإن 1.3% من الجزيئات، سيراوح معدل حركتها بين صفر و360 كيلومتراً، في الساعة؛ و7.7% ستتجاوز سرعتها 2670 كيلومتراً، في الساعة؛ ونحو 91% منها، ستراوح سرعتها بين الرقمين 360 و2670 كيلومتراً، في الساعة. وبذا، فإن متوسط سرعة جزيئات الأكسجين، في هذه الحالة، يساوي 1660[1] كيلومتراً، في الساعة. ولكن، ما الذي يحدث لمتوسط سرعة جزيئات الأكسجين، لو ارتفعت درجة الحرارة؟ عند درجة حرارة 30ْمئوية، سيكون متوسط سرعتها 1750 كيلومتراً، في الساعة؛ وعندما تصل درجة الحرارة إلى 100ْ مئوية، يرتفع إلى 1941 كيلومتراً، في الساعة. إذاً، كلما ارتفعت درجة الحرارة، ازداد متوسط سرعة الجزيئات. وحركة الجزيئات، تعبّر عن الطاقة الحركية[2]Kinetic energy؛ فدرجة الحرارة لأي مادة، هي مقياس لمتوسط طاقتها الحركية، أو متوسط سرعة حركة جزيئاتها. والحرارة Heat شكل من أشكال الطاقة. وتعرَّف بأنها إجمالي الطاقة الحركية، لكل الذرات والجزيئات المكونة للمادة. ويمكن أن ينظر إليها، على أنها طاقة في حالة انتقال بين جسمَين، مختلفَين في درجة حرارتهما. ولإيضاح الفرق بين الحرارة ودرجتها قارن بين كوب ساخن من الشاي، وحوض سباحة مملوء بالماء الدافئ. لا شك أن درجة حرارة السائل، في كوب الشاي، سيكون أعلى؛ ولكن كميته، ستكون أقل كثيراً مما في حوض السباحة؛ وستختزن طاقة، أقلّ، كذلك، من الطاقة في مياه الحوض. واستطراداً، فإن إجمالي الطاقة في الكوب، يقل كثيراً عنه في حوض السباحة. ويمكن أن يستدل على ذلك، بوضع مكعب صغير من الثلج في الأول، وآخر في الثاني، والمؤكد أن درجة حرارة الشاي، ستنخفض كثيراً، بعد ذوبان مكعب الثلج؛ بينما لن يتأثر الماء في حوض السباحة؛ إذ إن الطاقة المختزنة في الكوب قليلة، استُهلك جزء كبير منها في إذابة مكعب الثلج الصغير؛ بينما لم يظهر أثر مكعب الثلج في ماء الحوض. ويمكن إيضاح هذه الحقيقة بمثال آخر: لو وُضع إناءان، بحجم واحد، على النار؛ الأول مملوء كله بالماء، والثاني مملوء ربعه فقط، لبدأت الحرارة تنتقل إلى السائل فيهما، بمعدل انتقال واحد؛ لأن قوة النار تحتهما واحدة. إلا أن ارتفاع درجة الحرارة، سيكون أكثر سرعة إلى الإناء الأقل ماءً، منه إلى الإناء الممتلئ، الذي سيغلي ماؤه، حكماً، بعد غليان نظيره؛ أي أنه سيحتاج إلى كمية أكبر من الطاقة (الحرارة) تعجّل غليانه. كمية الحرارة، إذاً، تعتمد على كتلة المادة؛ ولكن درجة الحرارة، لا تعتمد عليها. لذا فإن طبقة الثيرموسفير Thermosphere، وهي الطبقة الرابعة، والخارجية، من الغلاف الغازي، ترتفع فيها درجة الحرارة إلى ما فوق ألف درجة مئوية. فعلى ارتفاع 300 كيلومتر من سطح الأرض، تراوح الحرارة بين 700 و1700 درجة مئوية، تبعاً للنشاط الشمسي ؛ ولأن جزيئات الهواء، تمتص الأشعة الشمسية قصيرة الموجة، عالية الطاقة، فإن درجة حرارتها ترتفع. في هذه الطبقة، تمتص جزيئات الأكسجين الأشعة الشمسية فوق البنفسجية، بطول موجة أقلّ من 0.2 ميكرومتر؛ ما يوفر طاقة كافية لفصل جزيء الأكسجين إلى ذرتَين من الأكسجين؛ وفائض الطاقة، يظهر على شكل زيادة في سرعة ذرات الأكسجين. O + O <------اشعاع شمسي------- O2 ذرة أكسجين O2 جزيء أكسجين O ذرة أكسجين إشعاع شمسي + ولكن، لأن الهواء متخلخل جداً في هذه الطبقة، فلا يوجد إلا القليل من الذرات والجزيئات؛ فإن امتصاص كمية قليلة من الطاقة الشمسية، يؤدي ارتفاع درجة الحرارة ارتفاعاً كبيراً. ولهذا السبب، تحدد درجة حرارة التوابع الفضائية Satellites، التي تدور حول الأرض، في طبقة الثيرموسفير، على أساس كمية الإشعاع الشمسي، التي تمتصها، وليس على أساس درجة الحرارة العالية للهواء المحيط بها، والذي يكاد يكون معدوماً. وعلى الرغم من الارتفاع الشديد لدرجة الحرارة (سرعة جزيئات الهواء)، فلو أن أحد ملاحي الفضاء، أخرج يده من المركبة، في تلك الطبقة، فلن يشعر بالحرارة الشديدة؛ وذلك لقلة جزيئات وذرات الهواء التي تصادم يده . وعلى الرغم من أن مفهومَي الحرارة ودرجتها مميزان ومختلفان أحدهما عن الآخر؛ إلا أنهما مترابطان. فالمؤكد أن زيادة حرارة المادة، تؤدي رفع درجة حرارتها. إضافة إلى ذلك، فإن وجود فارق في درجة الحرارة، يحدد اتجاه سريانها. فعندما يوجد اتصال بين جسمَين، مختلفَين في درجة الحرارة، تنتقل الحرارة من الجسم الأعلى في درجة حرارته إلى الأدنى، حتى يتحقق التوازن. قياس الحرارة تمثل الحرارة الطاقة الحرارية، المنتقلة من جسم، درجة حرارته أعلى، إلى جسم، درجة حرارته أقلٍّ. ويقاس مقدار الطاقة الحرارية، المنقولة إلى أي جسم، بالسعرات الحرارية Calories. ويعرَّف السعر الحراري بأنه مقدار الحرارة (الطاقة)، اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء، درجة مئوية واحدة. مثلاً، لو رفعت درجة حرارة جرام من الماء، من 30ْ إلى 35ْ درجة مئوية؛ فإن ذلك يعني، أن جرام الماء، زود بخسمة سعرات حرارية. وبالمثل، يلزم خمسة سعرات حرارية، لرفع درجة حرارة خمسة جرامات من الماء، من 30ْ إلى 31ْ درجة مئوية. وفي المقابل، يلزم التخلص من خمسة سعرات حرارية، لخفض درجة حرارة جرام واحد من الماء، من 35ْ إلى 30ْ درجة مئوية، مثلاً؛ أو لخفض درجة حرارة خمسة جرامات من الماء، من 35ْ إلى 34ْ درجة مئوية. وينبغي أن لا يخلط السعر الحراري، المستخدم هنا، بما يستخدمه الغذائيون، ويسمونه السعر الحراري، وهو في الواقع يساوي ألف سعر حراري، أو هو ما يطلق عليه كيلو سعرKilocalorie. لقد سبق القول، إن تزويد المادة بالحرارة، يؤدي رفع درجة حرارتها. ولكن، هناك حالات، تستهلك فيها المادة الحرارة، من دون أن يظهر أثر ذلك في درجة حرارتها. فتعريض الماء لمزيد من الحرارة، عند درجة الغليان، لا يزيد حرارته، بل يبخره. من الواضح هنا أن الطاقة المكتسبة، بعد الغليان، لا تظهر على شكل ارتفاع في درجة الحرارة، بل تستهلك في فك الروابط البينية بين جزيئات الماء، لتتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية (بخار ماء). ويطلق على الحرارة المستهلكة في هذه العملية، الحرارة الكامنة للتبخر Latent heat of Vaborization[3]. وكذلك لو غُمس ثرمومتر في قالب من الثلج، درجة حرارته –20ْم تحت الصفر؛ وعُرِّض الثلج للحرارة، فإنها ستؤدي ارتفاع درجة حرارته، بالتدريج، حتى يصل إلى درجة الصفر المئوي، حيث سيتوقف، على الرغم من استمرار التزويد بالقدر نفسه من الحرارة! في هذه المرحلة، الطاقة الواصلة، لا يظهر لها أثر في درجة الحرارة؛ لأنها تستهلك في فك الروابط البينية بين الجزيئات، عند تحوِّل البلورات الثلجية إلى ماء سائل. ويطلق على الحرارة المستهلكة في هذه العملية، الحرارة الكامنة للإذابة Latent heat of melting يتمثل في (شكل كمية الطاقة) جرام واحد من الثلج، درجة حرارته -40ْ مئوية؛ سُلِّط عليه مقدار مقنن من الحرارة. يلاحظ أن إضافة عشرين سعراً حرارياً رفعت درجة حرارته من –40ْم، إلى درجة صفر مئوي. وذلك ناتج من أن السعة الحرارية[4] للثلج، تساوي نصف سعر حراري للجرام. ولكن، بعد الوصول إلى درجة الصفر المئوي، توقّف ارتفاع درجة الحرارة، على الرغم من استمرار التزود بالطاقة، حتى الوصول إلى الرقم 100، على المحور السيني (الأفقي). وذلك يعني استهلاك 80 سعراً حرارياً، من دون تغير درجة الحرارة. ولكن جرام الثلج، في نهاية هذه المرحلة، تحوّل إلى جرام من الماء؛ والحرارة المضافة، استهلكت في فك الروابط البينية، ويطلق عليها الحرارة الكامنة للإذابة. لقد استهلك جرام الثلج، لتحويله من حالة التجمد بدرجة –40ْ مئوية، إلى الحالة السائلة عند درجة صفر مئوي، 100 سعر حراري. بعد ذلك، أي حرارة مضافة، سيظهر أثرها في درجة حرارة جرام الماء، بواقع زيادة درجة مئوية واحدة، لكل سعر حراري مضاف. وعندما تصل درجة حرارة جرام الماء إلى 100ْم، بعد إضافة 100 سعر حراري، تتوقف الزيادة في درجة الحرارة. ويستهلك جرام الماء 450 سعراً حرارياً، من دون أن يظهر لها أثر في درجة حرارة الماء. والشيء الوحيد الملاحظ، هو تناقص الماء في الإناء، نتيجة لتبخره. وبعد استهلاك 450 سعراً حرارياً، يكون جرام الماء، قد تحوّل كله إلى بخار. ذلك المقدار من الحرارة، الذي استهلك، ولم يظهر له أثر في درجة حرارة الماء، استهلك في فك الروابط البينية بين جزيئات الماء، ويطلق عليه الحرارة الكامنة للتبخر. والحرارة الكامنة للتبخر أعلى من الحرارة الكامنة للإذابة، التي لم تتعدَّ 80 سعراً للجرام الواحد من الماء؛ وذلك لأن التحول من حالة السيولة إلى حالة الغازية، يحتاج إلى فك جميع الروابط البينية بين الجزيئات، فتنطلق جزيئات بخار الماء في الهواء بحرية تامة. وعند التحول من حالة الصلابة (الثلج) إلى حالة السيولة (ماء)، لا يلزم فك جميع الروابط البينية، بل بعضها؛ بما يسمح بتحرك جزيئات الماء مع بعضها. ويجب أن يلاحظ، أنه عند التعامل مع الظروف البيئية العادية، ومعدلات درجات الحرارة السائدة في البيئات الطبيعية، يتبخر الماء؛ على الرغم من أن درجة حرارته، لم تصل إلى درجة الغليان 100ْم. ويحتاج جرام الماء، في هذه الحالات، إلى 600 سعر حراري، للتحول إلى بخار. وتنطلق هذه الحرارة الكامنة عند تكاثفه، مرة أخرى. 1 حسب هذا المتوسط على أساس حدود الفئة العليا من 2670-4500. 2 الطاقة الحركية: خلاف الطاقة الكامنة، ويكتسبها الجسم نتيجة لحركة كتلته. وهي أيضاً مقياس لمقدار العمل الذي يمكن أن يؤديه الجسم المتحرك. 3الحرارة الكامنة: هي إجمالي الطاقة المستهلكة في، أو الناتجة عن تغير الحالة (الإذابة، التبخر) دون تغير في درجة الحرارة. 4 السعة الحرارية للمادة هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة درجة مئوية واحدة. |
قياس درجة الحرارة للتعبير عن درجة الحرارة، كَمّاً، كان لا بدّ من وجود مقاييس معيارية، وخاصة أن الشعور ببرودة الأشياء أو سخونتها، نسبي إلى حدٍّ كبير. فلو أن هناك ثلاثة أكواب من الماء، في الأول ماء بارد، وفي الثاني ماء دافئ، وفي الثالث ماء ساخن. فإن الإنسان، الذي يضع يده في الكوب الثالث، وينقلها إلى الكوب الثاني، سيشعر أن الماء في الكوب الثاني بارد. وعلى العكس من ذلك، لو أنه وضع يده في الكوب الأول، ثم وضعها في الكوب الثاني، فسيشعر أن الماء في الكوب الثاني ساخن. وتنطلق مقاييس درجة الحرارة من نقاط مرجعية؛ وأحياناً، تسمى نقاط الضبط، من هذه النقاط، مثلاً، درجة حرارة ذوبان الثلج، ودرجة حرارة غليان الماء تحت ضغط جوي محدد. هناك ثلاثة مقاييس شائعة، تقاس بها درجة الحرارة: مقياس كالفن، والمقياس الفهرنهايتي، والمقياس المئوي .ولكل مقياس من هذه المقاييس ميزات معينة .ويمكن تحويل الدرجات المقيسة بأحد هذه المقاييس إلى المقياسَين الآخرَين، من دون عناء.أ- مقياس كالفن يميل معظم العلماء والباحثين، عندما يشيرون إلى درجات الحرارة في أبحاثهم، إلى استخدام درجة الحرارة المطلقة، أو ما يسمي مقياس كالفن، الذي استمد اسمه من مبتكره، العالم البريطاني، اللورد كالفن Lord Kelvin (1824 ـ 1907). يبدأ مقياس كالفن من الصفر المطلق، ويخلو من القيم السالبة؛ لذا، يفضل كثير من العلماء الباحثين، استخدامه في حساباتهم العلمية. إلى جانب ذلك،، فإنه عند درجة الصفر المطلق، تكون حركة جزيئات المادة في أضعف حالاتها، والطاقة الحركية في الحضيض؛ والجزيئات في أبرد ما يمكن أن تكون عليه. وعلى الرغم من ذلك، فإن بعض المواد، مثل الهيليوم، يبقى فيها، عند هذه الدرجة، بعض الحركة، على شكل اهتزازات أو تذبذب مكاني Vibrations بين الذرات، تمنعها من التجمد. ويطلق على هذه الاهتزازات، اهتزازات نقطة الصفر Zero point vibrations. وتسمى الطاقة المرتبطة بهذه الاهتزازات، طاقة نقطة الصفر Zero Point Energy. ولا يوجد درجة حرارة تحت الصفر المطلق. وفي مقياس كالفن، لا توضع علامة الدرجة، كتلك الدائرة الصغيرة، التي توضع على أرقام درجات الحرارة، المقيسة بالمقياس المئوي أو الفهرنهايتي؛ وذلك، لأن المؤتمر العام للمكاييل والمقاييس، المنعقد في عامي 1967ـ1968، استبدل كلمة كالفن، والرمز K بتسمية درجات كالفن، والرمز Kْ؛ لذا يشار إلى الوحدات بالاسم المفرد كالفن، ويرمز إليها بالرمز المجرد K. ودرجة ذوبان الثلج على هذا المقياس، هي 273.16 كالفن. ودرجة غليان الماء، هي 373.16 كالفن. ويفصل بين هاتَين القيمتَين مائة درجة متساوية. ب- مقياس فهرنهايت ابتكر هذا المقياس في أوائل القرن الثامن عشر الميلادي، وبالتحديد عام 1714. وسمي نسبة إلى مبتكره، العالم الفيزيائي الألماني، جبريل دانييل فهرنهايت Gabriel Daniel Fahrenheit. وفي هذا المقياس، جعل فهرنهايت الرقم 32، هو درجة الحرارة، التي يتجمد عندها الماء؛ والرقم 212، وهو درجة الحرارة لتبخره. وجعل الصفر أقلّ درجة حرارة، حصل عليها من خليط من الثلج والماء والملح. وقسم المدى، بين درجة التجمد ودرجة الغليان، إلى 180 قسماً متساوياً؛ كلٌّ منها هو درجة. ويرمز إلى الدرجات بالرمز Fْ. وقد استخدم فهرنهايت ثرمومتراً زئبقياً، في أنبوب زجاجي. وكانت نقطتا الضبط عنده، هما نقطة الصفر، ودرجة حرارة جسم الإنسان، في الظروف العادية، وقد قدرها بـ96ْ. ولكن، لأن نقطتَي الضبط عنده، تصعب إعادة تمثيلهما بدقة، فإن المقياس الفهرنهايتي، يضبط، حالياً، بدرجة تجمد الماء ودرجة تبخره. إضافة إلى ذلك، فإنه مع التقدم التقني، أصبح المعروف، أن متوسط درجة حرارة جسم الإنسان 98.6ْ فهرنهايت. ج- المقياس المئوي بعد ابتكار فهرنهايت لمقياسه بثمانٍ وعشرين سنةً، وبالتحديد سنة 1742م، قدم عالم الفلك السويدي، أندرس سيلسيوس Anders Celsius، مقياساً عشرياً لدرجات الحرارة. جعلت فيه نقطة ذوبان الثلج عند الدرجة الصفر، وجعلت درجة غليان الماء عند الدرجة 100ْ؛ وقسم المدى، بين درجتَي التجمد والغليان، إلى 100 درجة متساوية. وقد اشتهر هذا المقياس، سنوات عديدة، باسم سينتجراد Centigrade Scale؛ ولكنه، حالياً، مشهور باسم مبتكره، ويطلق عليه سيلسيوس Celsius Scale وهو معروف، باللغة العربية، بالمقياس المئوي لدرجات الحرارة. ويطلق على الثرمومتر، المستخدم فيه، الثرمومتر المئوي. تقسيمات الدرجات في المقياس المئوي، تساوي، بالضبط، تقسيمات الدرجات في مقياس كالفن؛ فهناك 100ْ درجة في المقياسَين، بين نقطة ذوبان الثلج، ونقطة غليان الماء. ودرجات الحرارة فيهما، تلتقي عند درجة –40ْ، إذ تتساوى القراءة في المقياسَين. إن كان استخدام مقياس كالفن؛ مقتصراً على الأغراض العلمية، في الوقت الحاضر؛ فإن استخدام المقياس المئوي، هو الأكثر شيوعاً في العالم، ويستخدم في كل البلدان، التي تستخدم النظام المتري. ويقتصر استخدام المقياس الفهرنهايتي على عدد محدود جداً من الدول حالياً، واستخدامه على العموم في تلاشٍ. |
معادلة درجة الحرارة أ- معادلة درجة المقياس المئوي بدرجة المقياس الفهرنهايتيهناك عاملان مهمان يؤثران في عملية المعادلة بين المقياسَين: المئوي والفهرنهايتي: ـ الفارق بين نقطة ذوبان الثلج ودرجة غليان الماء، يساوي 100 درجة في المقياس الأول؛ و180 درجة، في الثاني؛ ما يجعل الدرجة المئوية cْ، أكبر من الدرجة الفهرنهايتية fْ، بما يساوي 180/100 أو 1.8. ولا بدّ من مراعاة هذا الفارق، عند معادلة درجة أحد المقياسَين بدرجة الآخر. فيجب أن يؤخذ ذلك الفارق في الاعتبار. ـ الأخذ في الحسبان، عند المعادلة، أن درجة التجمد، في المقياس المئوي، هي الصفر؛ وفي المقياس الفهرنهايتي، هي 32 ويمكن استخدام إحدى المعادلتَين التاليتَين، في المعادلة بين درجات المقياسَين: للتحويل من المئوي إلى الفهرنهايتي: ؛f = (1.8 × ؛c) + 32 ؛c = ؛f - 32 1.8 ب- معادلة درجة المقياس المئوي بدرجة مقياس كالفن يشبه مقياس كالفن المقياس المئوي؛ إذ إن تقسيماتهما متساوية تماماً. فهناك 100 درجة، في المقياسَين، تفصل بين درجة ذوبان الثلج ودرجة غليان الماء. ولكن التجمد، المقياس الأول، يكون عند درجة 273.16، والغليان عند درجة 373.16 .ويكونان، في الثاني، على التوالي الدرجتَين: الصفر والمائة. لذا، فالعلاقة بين المقياسَين، يعبَّر عنها، ببساطة، بإضافة 273.16، أو طرحها، من الدرجة، عند المعادلة، كما يلي: للتحويل من كالفن إلى المئوي: ؛c = k – 273.16 وللتحويل من المئوي إلى كالفن: k = ؛c + 273.16 ج- معادلة درجة المقياس الفهرنهايتي بدرجة مقياس كالفن إن معادلة درجة مقياس كالفن بدرجة المقياس الفهرنهايتي، تمر، عادة، عبْر المقياس المئوي. ونظراً إلى أن طول الوحدات متساوٍ في المقياسَين: المئوي وكالفن، فإن المعامل 1.8 يجب أخذه في الحسبان، لأن الفارق بين درجة ذوبان الثلج ودرجة غليان الماء، في مقياس كالفن، هو 100 درجة؛ و180 درجة، في المقياس الفهرنهايتي، فكل درجة بمقياس كالفن تساوي 1.8 درجة في القياس الفهرنهايتي. ولمعادلة درجات مقياس كالفن بتلك الفهرنهايتية، تستخدم المعادلة التالية: ؛f = 1.8k – 459.69 وللتحويل من الدرجات الفهرنهايتية إلى مقاس كالفن، تستخدم المعادلة التالية: k = ؛f - 32 + 273.16 1.8 |
آلية انتقال الحرارة تنتقل الحرارة من جسم إلى آخر، أو من مادة إلى أخرى، بطرائق ثلاث: التوصيل (أو الملامسة)، والحمل (أو الاختلاط)، والإشعاع.أ- التوصيل Conduction وانتقال الطاقة بطريقة التوصيل Conduction، مألوف لدى معظم الناس. فالقضيب المعدني، الذي طرفه في النار، سيسخن طرفه الآخر، بالتوصيل. والملعقة المعدنية، في القدر، يسخن مقبضها، بالتوصيل. والجدار الذي تسقط عليه أشعة الشمس، من الخارج، يسخن جانبه الداخلي، بالتوصيل. التوصيل، إذاً، هو انتقال الحرارة من جزيء إلى جزيء في المادة؛ فانتقال النشاط الجزيئي في المادة، بين الجزيئات المتجاورة، يؤدي سريان الحرارة من طرف القضيب المعدني المعرض للهب إلى الطرف الآخر. ويكون سريان الحرارة دائماً من الطرف أو الجزء الدافئ، الأعلى حرارة، إلى الجزء الأبرد. قدرة المواد على التوصيل الحراري، تختلف اختلافاً بيناً؛ فالمعادن، مثلاً، تعَد موصلات جيدة للحرارة؛ والهواء، موصل رديء جداً للحرارة. ويعتمد التوصيل الحراري، في المواد، على بناء جزيئاتها وترابطها المواد الصلبة، كالمعادن، موصلات جيدة للحرارة؛ ولكن، قد يصعب الحكم على حرارة المعدن. فمثلاً، ملامسة صنبور ماء، معدني، بدرجة حرارة الغرفة، تعطي شعوراً بأنه أبرد كثيراً مما هو في الواقع. والسبب أن توصيل المعدن العالي للحرارة، يجعل جزيئاته، تنقل الحرارة إليه من أصابع اليد، بسرعة، مما يعطي شعوراً بالبرودة. ولأن الهواء موصل رديء جداً للحرارة، فإن التوصيل الحراري لأي مادة، ينخفض بمقدار ما تحويه من فراغات وفقاقيع هوائية. وبسبب الانخفاض الشديد للتوصيل الحراري للهواء ، فإن حرارة سطح الأرض، تُسَخِّن الطبقة الرقيقة فقط من الهواء (بضعة سنتيمترات)، الملامسة لسطح الأرض، بالتوصيل. التوصيل الحراري، بصفته آلية من آليات انتقال الحرارة، هو أقلّها فاعلية، بالنسبة إلى الغلاف الغازي. لذا، لا يعار اهتماماً كبيراً، في غالب الأحوال، عند المتابعة المتيورولوجية لظاهرات الغلاف الغازي. ب- الحمل كثير من عمليات نقل الحرارة، التي تحدث في الغلاف الغازي، تحدث بطريقة الحمل Convection. وتعرَّف هذه الآلية بأنها انتقال الحرارة بتحرك الكتلة، أو بالدورات الداخلية للمادة. لذا، فهذه الطريقة، تحدث في الموائع فقط (وهذه تشمل السوائل، مثل مياه المحيطات؛ وتشمل الغازات، مثل الهواء)؛ وذلك لأن الموائع حرة الحركة، ومن السهل أن يحدث فيها تيارات حمل، تنقل الحرارة. ويوضح المقصود بهذه الآلية، ، حيث إناء فيه ماء، يغلي على النار. تنتقل الحرارة، في البداية، من النار إلى قاع القدر (بالإشعاع)، ومنه تنتقل إلى الماء، الذي يلامسه (بالتوصيل). ومع ارتفاع حرارة الماء، في قاع القدر، يبدأ بالتمدد، وتنخفض كثافته، لتصبح أقلّ من كثافة الماء الأبرد منه، في أعلى القدر. وذلك يدفع الماء من القاع إلى أعلى، في تيارات حمل؛ ويندفع ماء أقلّ حرارة، من أعلى القدر إلى الأسفل (لأنه أثقل)، ليسخن ثم يعود إلى الأعلى. وما دام تسخين الماء غير متساوٍ، ومصدر الحرارة من الأسفل فقط، فإن الماء سيستمر في الدوران، مكوناً ما يسمى دورة الحمل Convective Circulation. ومعظم الطاقة، التي تكتسبها غازات الغلاف الغازي، في الطبقة السفلى، القريبة من سطح الأرض، سواء التي تصل إليها بالإشعاع، أو تلك التي تكتسبها بالتوصيل الحراري من سطح الأرض ـ تنتقل بالحمل. فالحمل، إذاً، يحدث طبيعياً في الغلاف الغازي؛ ففي يوم مشمس، دافئ، تكتسب بقع من سطح اليابس حرارة أكثر من الأجزاء المجاورة. ونتيجة لذلك، فإن الهواء الملامس لسطح الأرض، يسخن بشكل غير متساوٍ؛ إذ تكتسب جزيئاته، الملامسة لتلك البقع الأكثر سخونة، حرارة أكثر بالتوصيل الحراري. فيتمدد الهواء الساخن، ويصبح أقلّ كثافة من الهواء المحيط به، فيرتفع إلى الأعلى، ويحل محله هواء أبرد منه، من الجانبَين. وبهذه الطريقة، تتحرك فقاقيع كبيرة من الهواء الساخن إلى الأعلى حاملة معها الحرارة، بل الرطوبة كذلك. ولا يلبث الهواء البديل أن يسخن، فيتحرك إلى الأعلى.... وهكذا. في المتيورولوجيا، يطلق على عملية الانتقال الرأسي للحرارة، بهذه الطريقة، الحمل Convection؛ وعلى الفقاقيع الهوائية الصاعدة، الحراريات Thermals. ولكن الهواء، يمكن أن يتحرك أفقياً أو رأسياً، فيحدث نقل أفقي أو رأسي للحرارة. ويطلق على التحرك الأفقي التأفق Advection، والتسمية الشائعة له الريح Wind. وعلى المستوى العالمي، تتسبب تيارات الحمل بدورات هوائية كبيرة، حول العالم؛ هي المسؤولة عن إعادة توزيع الحرارة، بين الأقاليم الاستوائية والمدارية الحارة، وتلك القطبية المتجمدة. ويستخدم طيارو الطيارات الشراعية، الفقاعات الهوائية الصاعدة (الحراريات)، للتحليق عالياً في الفضاء، ويظل الطيار ينتقل من فقاعة إلى أخرى. وإذا كان الهواء في الحراريات الصاعدة رطباً، فإنه يؤدي تكوّن السحب الركامية Cumulus Clouds. وبما أن تكوّن هذا النوع من السحب، مرتبط بالهواء الصاعد والهابط، فإن الطيارين، يفضلون دائماً التحليق فوقها، على المرور من تحتها، من أجل راحة الركاب، وخاصة في الطائرات الصغيرة. ج- الإشعاع الطريقة الثالثة لانتقال الحرارة، هي الإشعاع Radiation، المنبعث من جسم مشع، في جميع الاتجاهات. وعلى خلاف الطريقتَين السابقتَين، التوصيل والحمل، اللتَين تتطلبان وسطاً، تنتقل خلاله الحرارة، فإن الإشعاع يسري في الفضاء. والإشعاع هو الآلية، التي تنتقل بها الطاقة من الشمس إلى الأرض، وبقية كواكب المجموعة الشمسية جميع الموجات الإشعاعية، تنتقل في الفضاء بسرعة 300 ألف كيلو متر، في الثانية (سرعة الضوء)؛ ولا تنقص سرعتها، عند سريانها في الغلاف الغازي، إلا قليلاً جداً. وتنتقل الطاقة داخل جهاز الميكروويف، فتسخن الغذاء، بالإشعاع. جميع الأشياء، التي درجة حرارتها فوق الصفر المطلق، بغض النظر عن كبرها أو صغرها، تطلق طاقة إشعاعية. فالنار، وجسم الإنسان، والأشجار، والهواء، والأرض، والنجوم، كلها تشع نطاقاً عريضاً من الموجات الإشعاعية. إذ الإنسان الجالس أمام النار، في العراء، في يوم بارد يشعر بحرارة النار، تلفح وجهه وتدفئه؛ على الرغم من برودة الهواء خلفه. فالطاقة تنتقل إليه من النار، بالإشعاع، فيمتصها جسده، ويحولها إلى طاقة حرارية، تُشعره بالدفء. الطاقة المنطلقة من النار، في هذه الحالة، طاقة إشعاعية، وتنتقل على شكل موجات، مختلفة الطول، يطلق عليها الموجات الكهرومغناطيسية Electromagnetic Waves . أطوالها. ويقاس طول الموجة بالميكرومتر μm، الذي يساوي جزءاً من مليون جزء، من المتر: 1 ميكرومتر μm = 0.000001 متر = 10-6م ويعتمد طول الموجات، التي يشعها أي جسم، على درجة حرارته. فكلما كانت درجة حرارة الجسم أعلى، كانت الموجات أقصر، وطاقتها أكثر. ويتوقف الجسم عن الإشعاع، عند درجة الصفر المطلق. ويعبَّر عن ذلك، عادة، بقانون ستيفان بولتزمان Stefan-Boltzman Law: R = σ* T4 R = أقصى معدل للإشعاع من كل سنتيمتر مربع، من سطح المادة. T = درجة حرارة سطح الجسم، بمقياس كالفن. ويقول القانون إن أي جسم، درجة حرارته فوق الصفر المطلق (-273.16 مئوية)، تنطلق منه الأشعة، بمعدل منسوب للقوة الرابعة لدرجة حرارته المطلقة (بمقياس كالفن). ولا يقتصر إشعاع الأجسام على طول موجي واحد، بل تطلق نطاقاً عريضاً من الأشعة، بأطوال موجات مختلفة. ولكن، قد يتركز الحد الأقصى للإشعاع من الجسم، في طول موجي محدد. ويعبِّر عن ذلك قانون واين Wien’s Law، الذي يقول إن أقصى إشعاع للطاقة من الجسم، يحدث بطول موجة منسوب، عكسياً، إلى درجة حرارته، بمقياس كالفن: λmax= Constant T T = درجة حرارة الجسم، بمقياس كالفن. Constant = ثابت = 2892، أو تقريباً 3000. فإذا كانت درجة حرارة الغلاف الخارجي للشمس، تقدر بنحو 6آلاف كالفن، فإن طول موجة الإشعاع الأقصى من الشمس، يمكن حسابها كالتالي: طول موجة الإشعاع الأقصى للشمس λmax = 3000/6000 = 0.5 ميكرومتر. الأرض، إذاً، ترسل معظم أشعتها، بموجات أطول من تلك التي ترسل بها الشمس أشعتها. لذا، يطلق على الإشعاع الأرضي، غالباً، طويل الموجة Long Wave Radiation وعلى الإشعاع الشمسي قصير الموجة Short Wave Radiation. والجزء، الذي يدركه بصر الإنسان من الطيف الإشعاعي، محدود جداً، نسبة إلى أطوال الموجات في الطيف الكهرومغناطيسي ؛ ويُسمى الطيف المرئي، أو الضوء المرئي Visible Light، أو الأشعة المرئية. والضوء المرئي، على الرغم من أنه يبدو أبيض، إلا أنه، في الواقع، حزمة من الألوان، تمتد من البنفسجي، بطول موجة 0.4 ميكرومتر، إلى الأحمر، بطول موجة 0.7 ميكرومتر. في الطيف الكهرومغناطيسي، الأشعة المجاورة للحمراء، أطول منها موجة قليلاً؛ وتسمى الأشعة تحت الحمراء؛ ولا يراها الإنسان، ولكنه يشعر بحرارتها. وعلى الطرف الآخر للطيف المرئي، الأشعة فوق البنفسجية أقصر موجة قليلاً من الأشعة البنفسجية، ولا تراها عين الإنسان؛ وهي المسببة للحروق الجلدية، عند التعرض للشمس، مدة طويلة. ومعظم الأشعة الصادرة عن الشمس، مركزة في النطاق المرئي وما حوله؛ ولكنها تمتد، لتشمل الطيف الكهرومغناطيسي كله. 43% من الطاقة الإشعاعية، الصادرة عن الشمس، تشع بطول موجات في النطاق المرئي الضيق يراوح بين 0.4 و0.7 ميكرومتر. وتبلغ هذه النسبة 7%، في نطاق الأشعة فوق البنفسجية؛ و37%، في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة؛ و11%، في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة، وأقلّ من 1%، في نطاق الأشعة السينية، وأشعة جاما، والأشعة الراديوية. هذا المدى العريض، في أطوال الأشعة الكهرومغناطيسية القادمة من الشمس، يتيح لمكونات الغلاف الغازي حول الأرض، وما فيها من عوالق، أن تمنع بعض أنواع الأشعة، بأطوال موجات معينة، من الوصول إلى الأرض. وبالمثل، قد تمنع بعض الأشعة الصادرة عن الأرض، من الخروج إلى الفضاء الخارجي. ويؤثر ذلك في كثير من الظاهرات، الميتورولوجية والمناخية والبيئية، على سطح الأرض؛ إذ يرفع درجة حرارة الغلاف الغازي ومن رحمة الله بالمخلوقات الحية على الأرض، أن غازَي الأكسجين والأوزون، يمتصان كلَّ الأشعة فوق البنفسجية، المضرة بالأحياء، القادمة من الشمس، قبل وصولها إلى سطح الأرض؛ بينما تواصل الأشعة المرئية رحلتها إلى سطح الأرض. وفي نطاق الإشعاع الأرضي طويل الموجة، الخارج من الأرض إلى الفضاء، يوجد ما يسمى بالنافذة الجوية للأشعة تحت الحمراء، التي يراوح مداه، في الطيف الكهرومغناطيسي، بين 8 ميكرومترات و11 ميكرومتراً؛ ولا يحدث فيه إلا القليل من الامتصاص لتلك الأشعة. وتساعد النافذة الأرض على استقرار ميزانيتها الحرارية؛ إذ تتيح لها التخلص من فائض الطاقة. كما تستخدم هذه النافذة بشكل واسع، في عمليات الاستشعار عن بعد، لرصد مظاهر سطح الأرض. هي ثابت ستيفان بولتزمان وتأخذ القيمة 8.13 × 10-11 كالوري/سم2 K4 دقيقة |
التوزيع الرأسي لدرجات الحرارة، في الغلاف الغازي تصل الطاقة الشمسية إلى سطح الغلاف الغازي للأرض بعد أن تقطع المسافة بين الشمس والأرض، التي تبلغ في المتوسط 150 مليون كيلومتر، بسرعة تصل إلى 300 ألف كيلومتر، في الثانية. وتستغرق الأشعة قرابة 8 دقائق، لتصل إلى الأرض. وعند بداية اختراقها لغازات الغلاف الغازي للأرض، تمتص الطبقات العليا من الغلاف الغازي جميع الأشعة، التي تبلغ موجاتها 0.3 ميكرومتر وما دون. وتمتص بعض الغازات الأخرى أطوالاً أخرى من الموجات، وتشتت بعضها إن ما يصل إلى سطح الأرض من الطاقة الشمسية، يسخنها، بدرجات متفاوتة، تبعاً لزاوية سقوط الأشعة الشمسية، وطبيعة السطح، الذي تسقط عليه ( سائل، صلب، لونه، امتصاصيته للأشعة، انعكاس الأشعة من على سطحه). بعد تسخين سطح الأرض، يسخن الهواء الملامس له، في الطبقة السفلى من الغلاف الغازي. يمكن تتبع التغير في درجات الحرارة، والضغط الجوي، ابتداءً من سطح الأرض إلى أعلى الغلاف الغازي. فبالإنطلاق إلى أعلى، في يوم من أيام الربيع المعتدلة الحرارة، ودرجة الحرارة على سطح الأرض 15ْ مئوية، والضغط الجوي، لا يتعدى ألف مليبار[1]، يتضح أن انخفاض الحرارة يواكب الارتفاع عن سطح الأرض، مصدر تسخين الغلاف الغازي، من الأسفل. إذ تسخن الطبقات الدنيا منه بالملامسة، وتنتقل الحرارة إلى الطبقات التي تعلوها، بالحمل. وتمتص بعض غازات الغلاف الغازي الأشعة الحرارية الصادرة عن الأرض، وخاصة بخار الماء وثاني أكسيد الكربون، اللذَين يطرَّد تناقصهما، تبعاً للارتفاع؛ ما يجعل الطبقات الدنيا من الغلاف الغازي أعلى حرارة. وتستمر درجة الحرارة بالانخفاض، مع الارتفاع، فتصل عند ارتفاع، 5.5 كيلومترات إلى –20ْ مئوية؛ وينخفض الضغط الجوي إلى 500 مليبار. ويتوالى انخفاض درجة الحرارة حتى ارتفاع 11 كيلومتراً، حيث تصل إلى ـ57ْ مئوية. هذا النطاق من الغلاف الغازي، الممتد من سطح الأرض إلى حيث تتوقف درجة الحرارة عن الانخفاض، يطلق عليه التروبوسفير Troposphere جاءت هذه التسمية من الكلمة اليونانية تروبين Tropein، وتعني التغير، وكلمة سفير Sphere غلاف؛ تعني التروبوسفير، إذاً، الغلاف المتغير. وفيه تحدث جميع المظاهر الجوية المألوفة، من سحب ورعد وبرق ومطر وبرد ونحوها. عند ارتفاع 17 كيلومتراً تظل درجة الحرارة، -57ْ مئوية، من دون تغير، مكونة بداية الحد الفاصل بين طبقة التروبوسفير والطبقة التي تعلوها؛ ويطلق عليه التروبوباوز Tropopause وهي تفصل بين طبقة التروبوسفير وطبقة الستراتوسفير Stratosphere. ولأن سماكة الغلاف الغازي، تتأثر بالحرارة، فهو أكثر سماكة فوق المناطق الاستوائية والمدارية الحارة، وأقلّ سماكة فوق القطبَين؛ فإن ارتفاع التروبوباوز، يختلف تبعاً لذلك. فهو يراوح، في العروض المعتدلة، بين 11 و17 كيلومتراً؛ ويزداد فوق المناطق المدارية؛ وينخفض فوق المناطق القطبية. في طبقة الستراتوسفير، وعلى ارتفاع قرابة 20 كيلومتراً، فوق السطح، تنقلب الأمور، وينعكس الحال؛ إذ تبدأ درجة الحرارة تزداد بازدياد الارتفاع. هذه الطبقة، هي طبقة الانقلاب الحراري Inversion Layer، حيث تفوح رائحة غاز الأوزون، الذي يمتص الأشعة الشمسية قصيرة الموجة، ما بين 0.2 و0.3 ميكرومتر، عالية الطاقة؛ فترتفع حرارته، ويسخن غازات الهواء المخالطة له في هذه الطبقة، وأهمها الأكسجين، والنيتروجين. على ارتفاع 30 كيلومتراً، وعلى الرغم من أن درجة الحرارة تزداد بازدياد الارتفاع، إلا أن درجة حرارة الهواء، تبقى منخفضة إلى حدٍّ كبير؛ إذ تبلغ ـ46ْ مئوية. يطَّرد ازدياد درجة الحرارة باطّراد الارتفاع، فتصل درجتَين ونصف، على ارتفاع 50 كيلومتراً، حيث يتوقف ازديادها؛ ما يشير إلى نهاية طبقة الستراتوسفير، وغطائها العلوي، طبقة الستراتوباوز Stratopause؛ إيذاناً بدخول الطبقة التالية، وهي طبقة الميزوسفير Mesosphere، حيث تتكون، في بدايتها، طبقة من التساوي الحراري Isothermal، وينخفض الضغط الجوي إلى مليبار واحد فقط. وعلى الرغم من سطوع الشمس، إلا أن الظلام يسود هذه الطبقة، ويزداد حلكة بازدياد الارتفاع، وذلك لتناقص جزيئات الهواء. والمعروف أن تشتيت جزيئات الهواء لأشعة الشمس المرئية، قصيرة الموجة، في مختلف الاتجاهات، يعطي السماء لونها الأزرق. ولكن تناقص جزيئات الهواء في هذه الطبقة تناقصاً كبيراً يقلل من كمية الأشعة المشتتة؛ لذا، تبدو السماء سوداء مظلمة. وعلى الرغم من أن نسبة الأكسجين في هذه الطبقة، لا تختلف كثيراً عن نسبته في الهواء، قرب مستوى سطح البحر، إلا أن قلة تركز الهواء، تجعل عدداً قليلاً من جزيئات الأكسجين فيها متاحاً للتنفس؛ ما يستلزم استخدام مساعدات تنفسية. تنخفض درجات حرارة الهواء، لكما ازداد الارتفاع في طبقة الميزوسفير. ويتواصل انخفاضها حتى ارتفاع 85 كيلومتراً، حيث تصل درجة حرارة الغلاف الغازي إلى أقلّ مستوياتها، إذ تبلغ –90ْ مئوية. وتتوقف درجات الحرارة عن الانخفاض بدخول طبقة الميزوباوز Mesopause، الفاصلة بين هذه الطبقة وتلك التي تليها، من الغلاف الغازي، وهي طبقة الثيرموسفير. بعد تجاوز منطقة الاستقرار الحراري، في بداية طبقة الثيرموسفير Thermosphere، تبدأ درجة الحرارة بالازدياد، كلما ازداد الارتفاع. في هذه الطبقة، تمتص جزيئات الأكسجين الأشعة الشمسية، التي لا يتجاوز طول موجاتها 0.2 ميكرومتر. والطاقة التي تمتصها، تكفي لفصل الجزيء إلى ذرتَين من الأكسجين. ونظراً إلى انخفاض كثافة الهواء، وقلة الجزيئات، فإن كمية قليلة من الطاقة، كافية لرفع درجة الحرارة رفعاً كبيراً. ولذلك، تتفاوت درجات الحرارة في هذه الطبقة، من يوم إلى آخر، تبعاً للنشاط الشمسي. لاحظ في أنه في حالة النشاط الشمسي المعتدل، تبلغ درجة حرارة الهواء، على ارتفاع 300 كيلومتر، 700ْ مئوية. وتبلغ درجة الحرارة، على الارتفاع نفسه، في أيام ازدياد النشاط الشمسي، 1700ْ مئوية. ولكن، نظراً إلى الهبوط الشديد في كثافة الهواء، وقلة جزيئاته، التي تصدم الجسم، فإن درجة الحرارة العالية، في هذه الطبقة، غير محسوسة. ما فوق الثيرموسفير، يطلق عليه إكسوسفير Exosphere، أو الغلاف الخارجي. ويبدأ على ارتفاع 500 كيلومتر من سطح الأرض. وقد تسمح الطاقة العالية لذرات الهواء وجزيئاته، لها بالانطلاق من قيود الجاذبية الأرضية، في هذا النطاق، إلى الفضاء. يمكن إذاً، تقسيم الغلاف الغازي للأرض بالنظر إلى التغير في درجة حرارته، المصاحب لتغير الارتفاع، إلى خمس طبقات رئيسية، هي، من الأسفل إلى الأعلى: أ- التروبوسفير ب- الستراتوسفير ج- الميزوسفير د- الثيرموسفير هـ- الأكسوسفير مليبار: وحدة ضغط جوي تستخدم في الميتورولوجيا، وتساوي جزء من ألف من بار. والبار وحدة الضغط الجوي عند 45ْ شمالاً،وعند مستوى سطح البحر، وعند درجة حرارة صفر مئوية. ويساوي قوة مليون داين Dynes في السنتيمتر المربع. لذا فالمليبار يساوي قوة 1000 داين في السنتيمتر المربع، وهو يعادل 100 نيوتن Newtons في المتر المربع. |
التوزيع الأفقي لدرجات الحرارة، على سطح الأرض إن التفاوت في درجات الحرارة على سطح الأرض، ناتج من تفاوت كمية الإشعاع الشمسي، الواصلة إليه، وارتفاعه عن سطح البحر. تزداد كمية الإشعاع الشمسي، كلما كانت زاوية سقوط الأشعة أقرب إلى العمودية. وهذا مرتبط باختلاف مطالع الشمس، وتنقل هذه المطالع بين المدارَين، شمالاً وجنوباً. يكون أقصى هذه المطالع نحو الشمال، عندما تتعامد الشمس على مدار السرطان (23.5 درجة شمالاً)، عند الانقلاب الصيفي، في 22 يونيه، حين يبدأ فصل الصيف، في نصف الكرة الأرضية الشمالي. وتعود مطالع الشمس، بعد ذلك اليوم، إلى التزحزح نحو الجنوب، فتتعامد على خط الاستواء، في الاعتدال الخريفي، في 21 سبتمبر، حين يبدأ فصل الخريف. وتستمر مطالع الشمس في التزحزح، جنوباً، إلى أن تصل إلى أقصى ابتعاد لها في هذا الاتجاه، بتعامدها على مدار الجدي، في الانقلاب الشتوي، في 21 ديسمبر؛ إيذاناً ببدء فصل الشتاء، في نصف الكرة الأرضية الشمالي، وفصل الصيف في نصفها الجنوبي. تعود بعدها مطالع الشمس للتزحزح، ناحية الشمال، فتتعامد على خط الاستواء، مرة أخرى، في الاعتدال الربيعي، في 21 مارس. وتستمر في تزحزحها شمالاً، حتى تتعامد على مدار السرطان، مرة أخرى، بعد عام كامل يوضح العرض السابق، أن المنطقة المحصورة بين المدارَين، تستقبل أكبر قدر من الطاقة الشمسية، خلال العام؛ ويتناقص هذا المقدار، بالاتجاه نحو القطبَين، شمالاً وجنوباً. وتنقل الرياح والتيارات المائية، الفائض من الطاقة، من المناطق المدارية إلى النواحي القطبية. لذا، فدرجات الحرارة على سطح الأرض، تكون مرتفعة، في المناطق المدارية بعامة؛ منخفضة في تلك القطبية. تتباين تضاريس سطح الأرض، في قدرتها على امتصاص الإشعاع الشمسي؛ بل إن صخور اليابس، تتباين في ذلك؛ فضلاً عن تباين اليابس والماء. فالصخور المكونة للقارات، وهي مركبات معدنية ـ هي أسرع من مياه المحيطات، في امتصاص الحرارة وافتقادها؛ لسعتها الحرارية المنخفضة، مقارنة بالسعة الحرارية العالية للماء. لذا، فالمسطحات المائية، من بحار ومحيطات، هي أدفأ، في الشتاء، من اليابس المجاور لها، وأبرد منه، صيفاً. ويوضح هذه الحقيقة ، اللذان يمثلان خريطة العالم، متضمنة بعض خطوط الحرارة المتساوية[1]، في شهرَي يناير ويوليه. في الشكل الأول متوسط درجات الحرارة على سطح الأرض، في شهر يناير. وقد وقع عليه خطّا الحرارة المتساويان 15ْ مئوية، و25ْ مئوية، في نصف الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي. ويلاحظ أن خط الحرارة 15ْ مئوية، في النصف الشمالي، منحرف إلى الأعلى، فوق المحيطات؛ وذلك ناتج من برودة فصل الشتاء، على اليابس، في النصف الشمالي؛ بينما لا تنخفض درجة حرارة مياه المحيطات، بالقدر نفسه. أما في نصف الكرة الأرضية الجنوبي، فإن شهر يناير من أشهر الصيف؛ إذ ينحرف خط الحرارة 25ْ مئوية نحو القطب الجنوبي، على اليابس؛ وذلك لأن المياه المحيطية أبرد من اليابس المجاور لها. كما يلاحظ، في النصف الجنوبي، قلة تعرج خطوط الحرارة المتساوية، وذلك لسيادة المسطحات المائية، وقلة اليابس. وخط الحرارة 25ْ مئوية، يمتد، على شكل حلقة متصلة، من وسط أمريكا الجنوبية، عبر الأطلسي، نحو وسط أفريقيا، والجزء الجنوبي من المحيط الهندي؛ شاملاً الجزر الأندونيسية، وشمال أستراليا. ويلاحظ انحناؤه نحو الشمال، عند مروره فوق مياه المحيط الأطلسي الجنوبي، جنوب خط الاستواء؛ ثم انحناؤه الشديد، مرة أخرى، نحو الجنوب، عند مروره فوق الأراضي الأفريقية؛ نتيجة لارتفاع درجات الحرارة فوق اليابس، في فصل الصيف، في نصف الكرة الجنوبي، مقارنة بالعروض المقابلة لها على المحيط. في ، يتعرج خط الحرارة 15ْ مئوية، بشدة، في نصف الكرة الأرضية الشمالي؛ فهو ينحرف إلى الجنوب، بشدة، عند مروره فوق المسطحات المائية؛ وينحرف إلى الشمال، عند مروره فوق اليابس؛ وذلك نتيجة للتباين بين درجة حرارتَي اليابس والماء. يلاحظ فارقان رئيسيان: ـ أولهما: تزحزحه نحو الجنوب بشكل عام، في الصيف. ـ ثانيهما: انعكاس تعرجاته. ففي حين كان ينحني نحو الشمال، فوق المسطحات المائية، في شهر يناير، أصبح ينحني فوقها نحو الجنوب، في شهر يوليه. إن التوزيع المكاني لدرجات الحرارة، على سطح الأرض؛ على الرغم من النمط العام، الذي يشير إلى انخفاض الحرارة عموماً، بالاتجاه من المنطقة المدارية نحو القطبَين ـ هو نتاج تفاعل عدد من العوامل المتداخلة، التي تؤثر في ذلك النمط العام، على المستويَين، العالمي والمحلي. ويبدو الأمر، على المستوى المحلي، أكثر تعقيداً؛ إذ تتداخل عوامل محلية عدة، إلى جانب العوامل المذكورة أعلاه، مثل: الارتفاع عن سطح البحر، والقرب أو البعد من المسطحات المائية، واتجاه الرياح السائدة. خطوط الحرارة المتساوية: هي خطوط ترسم على الخريطة، توصل بين المحطات المناخية التي تتساوى فيها متوسطات درجات الحرارة في وقت معين. |
ملحق / مقاييس درجة الحرارة مقاييس درجة الحرارةيوجد ستة مقاييس لدرجة الحرارة، شاع استخدام ثلاثة منها، هي: كالفن، وهو مقياس ثيرموديناميكي؛ والمقياس المئوي؛ ويستخدمان في الأغراض العلمية. والمقياس الفهرنهايتي، وهو أقل شيوعاً من سابقَيه (لمزيد من التفصيل عن هذه المقاييس، انظر المتن). وثلاثة مقاييس أخرى، غير شائعة الاستخدام، هي: مقياس رانكاين Rankine Scale ويعتمد في قياس درجة الحرارة، على المقياس الفهرنهايتي. ويعبّر عنه بدرجات رانكاين Rْ. وهي تساوي الدرجات الفهرنهايتية؛ إلا أن درجة صفر رانكاين = الصفر المطلق = -459.69 فهرنهايت. وينسب هذا المقياس إلى المهندس الأسكتلندي، ويليام جوهن فرانكلين William John Frankline (1820 ـ 1872). مقياس رايمور Reaumur Scale يعبَّر فيه عن درجات الحرارة بدرجات رايمور Rْ. ونقطتا الضبط فيه، هما: درجة ذوبان الثلج، وتساوي صفر رايمور Rْ؛ ودرجة غليان الماء، وتساوي 80ْ رايمور. وينسب إلى العالم الفرنسي رين أنطوني رايمور Rene Antoine Reaumur. المقياس العملي العالمي لدرجات الحرارة International Practical Temperature Scale ويقوم القياس فيه على إحدى عشرة نقطة ضبط. وهي النقاط التي توجد بها عناصر مختارة، في حالاتها الثلاث (الغازية، والسائلة، والصلبة)، ويطلق عليها النقطة الثلاثية Triple Pointe، عند ضغط معين من هذه العناصر: الهيدروجين، والأكسجين، والماء، والزنك، والفضة، والذهب. وقد حددت النقطة الثلاثية للماء، عند 273.16؛ ودرجة الغليان، عند 373.15. |
أنــــــواع الـمـقــــايـيــــــــــــــس 1. المقياس الأسمي : Nominal Scaleïيعتبر هذا النوع من المقاييس أدنى أنواعها حيث ان الأعداد تعطى عشوائيا للمتغيرات ويعتمد على تصنيف موضوع القياسات الى فئات تبعا لأشتراكها في سمة واحدة ، ومثال ذلك جنس المسـتجيب ( ذكر ، أنثى) ، التخصص الجامعي( رياضيات ، فيزياء ، ...)، نوع الدم ( A, B, AB,O ) . ïان الأرقام التي تعطى للمتغيرات ليس لها دلالة كمية وانما تقوم مقام الأسماء، وعندما نعطي 1 للذكر و2 للأنثى أو العكس فذلك لا يعني تفضيلا لجنس على آخر. ïان العملية الحسابية الوحيدة التي يمكن تطبيقها على المقاييس الاسمية (التصنيفية) هي عملية العد ولا يمكن استخدام أية عملية أخرى كالجمع أو الطرح أو الضرب أو القسمة. 2. المقياس الرتبي: Ordinal Scale وهو المقياس الذي يمكننا من ترتيب أفراد المجموعة تنازليا او تصاعديا حسب درجة امتلاكهم لسمة معينة الأعداد في هذا المقياس تشير الى الترتيب وليس الى الكم الذي تحويه . المسافات في هذا المقياس لا تكون متساوية. في هذا المقياس يرتب الأفراد حسب امتلاكهم للسمة او الخاصية المقيسة . يدل هذا المقياس على ان الفرد أو المجوعة يمتلكون من السمة او الخاصية المطلوب قياسها دونما العلم بالفرق بين اي اثنين من هؤلاء الأفراد . مقياس الرتب يشتمل على فئات تحمل معنى الترتيب ولا تحمل معنى التساوي. يمتلك هذا المقياس خاصية الترتيب بالاضافة الى خاصية التصنيف التي يمتلكها المقياس الاسمي لانه لا يكتفي بان يبين اختلاف الافراد بالنسبة لسمة معينة( الاسمي) بل ويرتبهم أيضاحسب درجة امتلاكهم لهذه السمة. 3. مقياس الفترات ( المقياس الفئوي) : Interval Scale §القياس بهذا المستوى ارقى من القياس بمستوى الرتبة .§تحتمل الارقام في هذا المقياس معنى كميا . §يتمتع هذا المقياس بوحدات متساوية . §ان القياسات التي تؤخذ على مقياس مسافات تزودنا بمعلومات حول كل من الترتيب والكمية النسبية للسمة المقيسة. §الأعداد لها معنى وترتيب.
4.مقياس النسبة Ratio_ Scale: يزودنا هذا المقياس بمعلومات حول الترتيب يتميز هذا المقياس بان له وحدات متساوية وصفرا مطلقا (حقيقيا) يمثل غياب السمة المقاسة. فالطول 180 هو ضعفي الطول 90 ، اما الوزن صفر فيعني انعدام الوزن أي غياب السمة. من أمثلة هذا المقياس الطول ، الوزن ، العمر. ان الذي يميز المقياس الفئوي هو وجود نقطة اسناد " صفر افتراضي" ،حيث ان بعض المؤسسات التعليمية تعتمد درجة معينة كنقطة اسناد او كصفر افتراضي، ولذلك لا يوجد ما يبرر القول ان تحصيل الطالب الذي درجته 60 هو ضعفا تحصيل الطالب الذي درجته 30. ان كل مقياس من المقاييس يمتلك خصائص المقاييس السابقة له ، بالاضافة الى خاصية مميزة له ، ومن هنا جاءت فكرة هرمية المقاييس. |
مجهود رائع وموضوع قيّم استمتعت بتواجدي بصفحتك بانتظار المزيد من هذا العطاء لك مني ارقّ تحية وأعذبها دمت بخير |
| الساعة الآن 02:56 AM. |
Powered by vBulletin® Copyright ©2000 - 2025, Jelsoft Enterprises Ltd. منتديات المُنى والأرب
جميع المشاركات المكتوبة تعبّر عن وجهة نظر كاتبها ... ولا تعبّر عن وجهة نظر إدارة المنتدى |