جدول المحتويات
يعبّر المناخ عن حالة الطقس على مدى فترات طويلة من الزمن، لكن الطقس عبارة عن الحالة اليومية للغلاف الجوي والتي يمكن أن تتغير خلال بضعة دقائق وعدة أسابيع، ومن عناصر المناخ والتي بدورها تؤثر في عملية تحديد المناخ نذكر: الإشعاع الشمسي، ودرجات الحرارة، والرطوبة، والهطول، أيضاً الضغط الجوي بنوعيه المرتفع والمنخفض، والرياح، كما توجد العديد من الأجهزة التي تستخدم في قياس عناصر المناخ منها: جهاز قياس درجات الحرارة، وجهاز قياس الضغط الجوّي، وجهاز قياس الريّاح، بالإضافة إلى جهاز قياس الرطوبة.
يتحدث المقال عن عناصر المناخ، ويشمل:
- تعريف عناصر المناخ.
- الفرق بين الطقس والمناخ.
- عناصر المناخ التي يتم تحديد المناخ من خلالها، والأجهزة التي تستخدم في قياسها.
ما هو المناخ ؟
يعّرف المناخ (بالإنجليزية: Climate) أنّه وصف لحالة الطقس على مدى فترات طويلة من الزمن، أيّ يستخدم مُصطلحات قيمة درجة الحرارة مثل: شدّة الرياح، وكميات الأمطار، والثلوج المتساقطة، وذلك لوصف المناخ أثناء موسم مُعيّن في منطقة ما.
يقوم العُلماء بدراسة مُعدّلات هطول الأمطار، ودرجات الحرارة، أيضاً نسب الرطوبة، وكميّة أشعة الشمس، وذلك لمدةٍ طويلة من الزمن حتى يتمكنّوا من وضع معايير عامّة للمناخ، والتي تساعد في وصف مناخٍ مُعيّن لمكانٍ ما في موسم معيّن، بالإضافة إلى القدرة على توقّع الأيام التي يكون الطقس فيها بارداً أو حاراً خلال السنة، ولكن هذه التوقّعات لا تقدّم وصف دقيق لحالة الطقس في يوم مُعيّن في منطقة معيّنة.
عناصر المناخ
يتم تحديد المناخ من خلال تأثير مجموعة من عناصر الغلاف الجوي، بالإضافة إلى التغيّرات الحاصلة فيها على المدى الطويل ويُحتسب عادةً على مدى 30 عاماً، وتشمل عناصر الغلاف الجوي ما يلي:
الإشعاع الشمسي
الإشعاع الشمسي (بالإنجليزية: Solar Radiation) أهم عنصر من عناصر المناخ، ويمكن تعريفه بأنه الطاقة التي نحصل عليها من الشمس، ويوجد له عدة أشكال منها: الأشعة السينية، والأشعة تحت الحمراء، والأشعة فوق البنفسجيّة، والضوء المرئي، أيضاً موجات الراديو.
يبدأ تأثير الإشعاع الشمسي على المناخ عند تسخين سطح الأرض، والذي يسبّب تسخين الهواء أعلى السطح الأرضي، بذلك تحدّد درجة حرارة الهواء واستقراره، بالإضافة إلى أنّ الإشعاع الشمسي يكون السبب في تبخُّر المياه من على سطح الأرض، وهذا بدوره يؤثر على تطور السحب وهطول الأمطار، وتختلف كمية الإشعاع الشمسي الواصلة إلى المناطق المختلفة من سطح الأرض، ويعتمد ذلك على الموقع الجغرافي للمنطقة، وتضاريس المنطقة بما فيها العناصر الطبيعة الموجودة فيها، أيضاً الموسم والوقت خلال اليوم، والطقس المحلي للمنطقة.
يقوم ضغط الهواء بإنتاج الرياح، والذي ينتج بسبب التسخين غير المتكافئ، والذي يؤدي إلى اختلافات في ضغط الهواء، ويعتمد مناخ الأرض على التوازن الدقيق بين الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطحها، مع الإشعاع الحراري الصادر من سطحها، بالإضافة إلى مكونات الغلاف الجوي للأرض.
إنَّ حوالي 30% من الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض تنعكس عنها، حيث تقوم الغيوم والرذاذ الجوي على تحويل مسار الأشعة القادمة إلى سطح الأرض، كما يؤثر ما على سطح الأرض من ثلج وجليد ورمال، وأسطح المحيطات، وحتى أسطح المنازل؛ في كمية الإشعاع التي تتلقاها الأرض، أما حوالي 70% المتبقية من الطاقة الشمسية، فيتم امتصاصها عن طريق الأرض والمحيطات والغلاف الجوي.
درجات الحرارة
تؤثر درجة الحرارة على جميع تفاصيل حياة الإنسان اليوميّة، وأنشطته المختلفة، مثل: تحديد نوع الملابس، واختيار نوع الطعام، أو اختيار وسيلة التنقل، ويهتم العلماء وصنّاع القرار في التغيّرات التي تصاحب درجات الحرارة على مستوى العالم، وذلك لما له من أثر على تغيير أنماط المناخ، وتأثيرها على عناصر المناخ الأخرى، فالإنخفاض الكبير في متوسط درجات الحرارة يمكن أن يؤدي إلى تغيير في أنماط الهطول، وتقليل كمية الأمطار، والذي يقوم بدوره في التأثير على إنتاج المحاصيل الزراعية سلباً.
يمكن أن يسبّب الارتفاع الكبير في درجات الحرارة آثاراً أكثر تدميراً مثل: ذوبان الثلوج، والذي يتسبب في ارتفاع مستويات سطح البحر بشكل خطيرجداً، كما يمكن أن يسبّب ارتفاع درجات الحرارة سلسلة من التغيرات حول العالم، وذلك لأن زيادة درجة حرارة الهواء تؤثر على أنماط الطقس، وعلى المحيطات، وكمية الثلج والجليد، بالإضافة إلى تأثيرها على النباتات والحيوانات.
الرطوبة
الرطوبة (بالإنجليزية: Humidity)؛ هي عبارة عن كمية بخار الماء الموجودة في الهواء، ولها دور مهم جداً في تحديد المناخ، لكن ليس رئيساً، وذلك بسبب أنَّ الطاقة الشمسية هي المحرك الرئيسي للطقس على الأرض، فيما تختلف المواقع الموجودة على نفس خط العرض في مناخها، وذلك بالرغم من تعرضّها إلى كميّات متماثلة من الإشعاع الشمسي، ويظهر هذا الاختلاف في متوسط درجة الحرارة، إلى الرطوبة في كل موقع، فعلى سبيل المثال، تقع الصحراء الكبرى وجبل إفرست على نفس خط العرض، لكن يوجد فرق كبير جداً في المناخ بينهم، ويعود السبب في هذا الاختلاف إلى فرق الارتفاع بين الموقعّين، أيضاً حتى المواقع ذات الارتفاع المتقارب والمتشابه والموقع على خط العرض قد يختلف مناخها بسبب الرطوبة.
تعمل الرطوبة على التخفيف من التقلّبات في درجات الحرارة، ذلك لأنَّ الماء يحمل حرارة كامنة، فعندما يبرد الهواء ليلاً في المناطق الرطبة، حينها يتكاثف بخار الماء الموجود في الهواء ويطلق حرارته الكامنة في الجو، هذا يؤدي إلى تسخين الهواء حتى بعد غياب الشمس، ويحدث عكس ذلك خلال النهار، فعند شروق الشمس؛ تعمل أشعتها على تسخين الهواء، ثم يتحول الماء إلى بخار، ويمتص فيها الماء طاقة إضافية كانت ستستخدم في تسخين الأرض والهواء، بهذا الشكل لا ترتفع درجة الحرارة بسرعة مثل ما يحدث في المناطق الرطبة مثل: مدينة شيكاغو الأمريكية الواقعة على ضِفاف بحيرة ميشيغان، والتي لا تشهد تفاوتاً كبيراً في درجات الحرارة بين النهار والليل، هذا على عكس المدن الجافّة مثل: مدينة فينيكس الأمريكية الواقعة في وسط الصحراء الجافّة.
الهطول
يعتبر الهطول (بالإنجليزية: Precipitation) أحد العمليّات الثلاثة المكونّة للدورة المائيّة الطبيعيّة مع عمليتيّ التبخر والتكاثف، أيضاً جزء مهم في التبادل المستمر للمياه بين الغلاف الجوّي وسطح الأرض، حيث يتبخر الماء من المحيطات، والمياه العذبة السطحية، واليابسة، والمياه العذبة السطحيّة، إضافةً إلى اليابسة، بعدها ينتقل هذا البخار عالياً عن طريق التيارات الهوائية ويتكاثف بعد أن يبرد مشكلاً الغيوم، ثم يعود إلى سطح الأرض على شكل هطول مطري، ويشمل الهطول تساقط الماء بأشكاله الثلاثة من الغلاف الجوي إلى سطح الأرض، هي: الثلج، والبرد، والمطر، وحتى الضباب.
يعتبر الهطول جزءاً مهماً من المناخ، وذلك لتأثير التغيّرات في كمية الهطول على حياة الإنسان بشتى الطرق، مثل الكثير من الأنشطة الأعمال البشريّة اليومّية ومنها: الصناعية، والزراعية، والبيئية، والتي تتطلب الكثير من المياه التي يكون مصدرها الهطول، والذّي يسبّب إلى جفاف التربة، وضعف في جريان الجداول المائية، ونقص إمدادات المياه، في حال نقصان معدّلاته، ويكون لكثرته تأثيراً سلبياً، ومن الممكن أن تؤدي كثرة الأمطار، وذوبان الثلوج إلى حدوث فيضانات، التي تعرّض الكائنات الحية، والمحاصيل الزراعية للغرق، ويمكن أن تجرف الفيضانات المنازل، والمنشآت، كذلك تجرّد الأراضي.
الضغط الجوي
الضغط الجوي (بالإنجليزية: Atmospheric pressure)؛ هو وزن الهواء أو قوتّه التي تؤثر على سطح الأرض بفعل الجاذبية الأرضية، ويكون الضغط الجوّي مؤشراً على الطقس، فهو يحدد أنماط الطقس المتوقّع حدوثها، مثلاً عند تأثر منطقة ما بضغط جوي منخفض تتعرض لرياح وهطول الأمطار، أما المنطقة المتأثرة بضغط جوي مرتفع، فتشهد طقساً دافئاً وهادئاً. وفيما يلي تأثير الضغط الجوي في تشكيل المناخ عند الضغط المنخفض، والضغط المرتفع.
الضغط الجوي المنخفض
الضغط الجوي المنخفض (Low-Pressure Systems) في منطقة الضغط المنخفض يكون الضغط الجوي أعلى من ضغط المنطقة المحيطة، ويرتبط الضغط الجوي المنخفض بالرياح العاتية، والسحب والأمطار، واضطرابات أخرى في الطقس منها: الأعاصير والعواصف الاستوائية.
من ميّزات المناطق المعرّضة للمنخفضات الجوية أنها تتباين في درجات حرارتها اليومية بشكل كبير، بالإضافة إلى أنّها تتعرض للاختلافات الموسمية الكبيرة في درجات حرارتها، لأن الغيوم في النهار تعكس الإشعاع الشمسي الوارد إلى الغلاف الجوي، وفي الليل تعمل كعازل يحبس الحرارة في الأسفل.
الضغط الجوي المرتفع
الضغط الجوي المرتفع (High-Pressure Systems) في منطقة الضغط المرتفع يكون الضغط الجوي أعلى من ضغط المنطقة المحيطة، وتتحرك أنظمة الضغط المرتفع في اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الشمالي، وعكس عقارب الساعة في نصف الكرة الجنوبي، وذلك بسبب تأثير كوريوليس (Coriolis Effect)، وعادةً ما يكون سبباً في حدوث مناطق الضغط المرتفع هبوط الهواء، ذلك أنّ الهواء في الأعلى عندما يبرد يصبح أكثر كثافة؛ مما يتسبب في هبوطه أرضاً، حينها يرتفع الضغط الجوي بسبب زيادة كمية الهواء التي تملأ المساحة، وهبوط الهواء يتسبب في تبخر معظم الماء في الغلاف الجوي.
السماء الصافية، والطقس الهادئ يرتبطان بأنظمة الضغط العالي عادةً، لأن عدم وجود السحب في المناطق المعرضة للضغط المرتفع، يتسبب في عدم منع الإشعاع الشمسي الوارد، أو حجز الإشعاع الحراري الصادر عن سطح الأرض ليلاً، لذلك تتميز مناطق الضغط المرتفع بوجود تبايّن كبير في درجات الحرارة اليومية والموسمية.
الرياح
الرياح (بالإنجليزية: Wind) تؤدي دوراً مهماً في تحديد المناخ والطقس والتحكم فيهما، وتُعرف الرياح في علم المناخ على أنّها حركة الهواء فوق سطح الأرض، والتي تحدث نتيجةً لاختلاف درجة حرارة الهواء الذي يعود لتسخين الشمس غير المتساوي لسطح الأرض.
يتحرك الهواء فوق قطاعات كبيرة من سطح الأرض على شكل تيارات هوائية، وتدعى التيارات الهوائية التي تهب في اتجاه واحد، وتسود في اتجاه حركتها باسم الرياح السائدة (Prevailing winds)، كما وتؤثر الرياح السائدة في المناخ، فعلى سبيل المثال، الرياح الدافئة هي التي تنتقل فوق الماء وتجمع الرطوبة أثناء حركتها، ثم يتكثف بخار الماء الموجود في الهواء عند انتقاله إلى مناخات أكثر برودة، لذلك غالباً ما تشهد المناطق الساحلية المعتدلة هطولاً غزيراً للأمطار.
الفرق بين الطقس والمناخ
يعرف الطقس بأنّه الحالة اليوميّة للغلاف الجوّي، والتغيرات التي تطرأ عليه خلال مُدة قصيرة، والتي تتراوح بين بضعة دقائق، وعدة أسابيع، أمّا المناخ فيعبّر عن التغيّرات التي تحدث على قيم متوسّط الطقس اليومي لفترات طويلة، يشكِّل مفهوم الطقس وتقلّباته اليوميّة مزيجاً بين كلٍ من قيم درجات الحرارة، ومُعدّلات الرطوبة، وكثافة الغيوم، ومستوى الرؤية، بالإضافة إلى تحرّكات الرياح، وتحدث مُعظم التغيّرات في الأحوال الجويّة في طبقة التروبوسفير من الغلاف الجوّي والأقرب لسطح الأرض، هذا يؤدي إلى حدوث تغيّرات في الطقس في كافّة أنحاء العالم، وذلك خلال مُدّة زمنيّة تتباين بين عدّة دقائق ويمكن أن تصل إلى عدة أسابيع.
يساعد الطقس في تحديد ما يرتديه الأفراد في يوم مُعيّن، بينما يُقدّم المناخ معلومات حول نوعيّة الملابس التي لا بدّ من تواجدها في الخزانة في تلك الفترة، وعلى سبيل المثال الطقس يعطي الحالة السائدة في الخارج في أي يوم، مثلاً درجة الحرارة 25 درجةً مئويّة والجو مُشمس، أو درجة الحرارة -5 درجةً مئويّة مع تساقط كثيف للثلوج، أمّا المناخ مثلاً سيادة جو حار ورطب في شهر يوليو في مناطق الجنوب الشرقي، أو تساقط كثيف من الثلوج في شهر يناير في مناطق الشمال الشرقي؛ حيث يحتوي سجل المناخ المُتوقّع على قيم متوسّط الطقس اليومي لفترات طويلة.
أجهزة قياس عناصر المناخ
مقياس الحرارة
أو ميزان الحرارة ويسمّى أيضاً المحْرار، وهو أداة صغيرة تُستخدم من أجل قياس درجة حرارة الغازات، والسوائل، والمواد الصلبة، ويستعمل في مجال الطبّ، لقياس ومتابعة درجة حرارة المرضى، أيضاً يتم استخدام أنواع أخرى لقياس درجة حرارة الطقس، وذلك عن طريق وضعها خارج الأبواب والنوافذ.
تقوم فكرة عمل ميزان الحرارة على أساس الحقيقة العلمية؛ وهي أنّ الخصائص الفيزيائية للمواد مثل: حجم السائل، وحجم الجسم الصلب، وحجم الغاز، بالإضافة إلى مقاومة سريان التيار الكهربائي في المواد والفلزّات؛ جميعها تتغيّر بتغيُّر درجات الحرارة، هذا ما يسبب تمدد الجسم بارتفاع درجة حرارته، ويكون أكبر تغيّر عند ارتفاع درجة حرارة الغاز درجة مئوية واحدة أو درجة كلفن واحدة، فإنها تسبّب ازدياد في حجم الغاز بنسبة 1/273 من حجمه الأصلي، وتوجد عدة أنواع من مقاييس الحرارة، والتي تختلف استخداماتها، منها:
- المقاييس ثنائية الفلز.
- المقاييس الكهربائية.
- المقاييس الرقمية.
- المقاييس الأحادية الاستعمال.
- مقاييس البلور السائِل.
مقياس الضغط الجوي
يسمّى مقياس الضغط الجوي البارومتر، وهو جهاز لقياس الضغط الجوَي، تمّ اختراعه عام 1643 على يد العالم الإيطالي إيفانجليستا توريشلي، وتكونّ من أنبوب زجاجي طويل وضعه مقلوباً وهو مملوء بالزئبق؛ حيث لاحظ أنً عمود الزئبق انخفض في الأنبوب، وأصبحت قمته على ارتفاع 76سم فوق سطح الزئبق الذي في الكوب، وظل الزئبق ثابتاً في الأنبوب نتيجة لضغط الهواء على سطح السائل في الكوب، وبذلك أثبت العالم توريشلي أن الضغط الجوي يعادل تقريباً وزن عمود من الزئبق طوله 76 سنتيمتراً.
تستخدم مراكز الأرصاد الجوية لمعرفة التغيّرات في ضغط الهواء، والتي تعني تغّير الطقس، أيضاً يمكن استخدامه البارومتر لقياس الارتفاعات المختلفة؛ حيث أنّه كلمّا زاد الارتفاع، يقل الضغط الجوي.
تقاس البارومترات الحديثة الضغط الجوي بالمليمتر الزئبقي أو بوحدة تسمى البار، وهي وحدة الضغط الجوّي في النظام المتري، ويسجل العلماء معظم قياسات الضغط بالمليبار، ويصل متوسط الضغط الجوي عند مستوى سطح الأرض 1,013 مليبار، وهو يساوي 760 ملم زئبقي، وللمقارنة بين قياسات الضغط المأخوذة عند الارتفاعات ودرجات الحرارة المختلفة، يقوم العلماء بتحويل هذه القياسات إلى القيمة التي تساوي الصفر المئوي عند سطح البحر.
يوجد نوعين من مقياس الضغط الجوّي، هما:
- مقياس فورتين للضغط الجوي (Fortin barometer e): هو أحد أنواع الأجهزة الزئبقية المستخدمة في قياس الضغط الجوي، وفي هذا الجهاز يجب ضبط مستوى الزئبق في المستودع، حتى يكون محاذياً لمؤشر ثابت يبدأ من عند تدرج مقياس الضغط.
- مقياس كيو (Kew barometer): أحد أنواع الأجهزة الزئبقية المستخدمة في قياس الضغط الجوي، والتي لا تحتاج إلى ضبط مستوى الزئبق في المستودع، وليس كما هو الحال في مقياس فورتين، ذلك لأن الضغط يمكن أن يقرأ مباشرة من قمة عود الزئبق في أنبوب الزجاج المدرج.
- مقياس الرياح: يطلق عليه أسم المرياح أو مقياس سرعة الرياح؛ وهو اسم الأداة التي تقيس سرعة الرياح، وتمّ اختراعه في عام 1846 على يد العالم الأيرلندي روبنسون، ويوجد أنواع عديدة من مقياس الرياح، ومن أكثرها استخداماً هي التي يكون له ثلاثة أقداح أو أربعة لها شكل قمعي أو مخروطي مغلق، وموصول في نهايته قضبان يبلغ طولها ما بين 5 – 20 سنتيمتراً؛ حيث تتوزع الأقداح بشكل محوري على رأس بكرة دائرية.
يمكن تلخيص مبدأ عمل مقياس الرياح بأن ضغط الرياح على القعر المغلق للقدح يكون أكبر من ضغط الرياح على الجانب المفتوح منه، وهذا من شأنه أن يدفع الأقداح إلى الحركة، وكلمّا كانت الرياح أسرع زادت سرعة دوران الأقداح والعكس صحيح، وتقاس سرعة الرياح بعد ذلك بحساب عدد مرات دوران الأقداح خلال فترة زمنية معينة، وغالباً ما ترسل النتائج إلى قرص مدرج في المرياح نفسه، أيضاً يمكن أن تُرسل النتائج كهربائياً إلى أجهزة للعرض موجود على مسافة قريبة من المرياح.
جهاز قياس الرطوبة
بالإنجليزية: Psychrometer؛ وله عدة أسماء منها: المِرْطاب، أو مقياس الرطوبة، أو مقياس درجة الرطوبة، أو مقياس رطوبة الجو، أو هيجروميتر (بالإنجليزية: Hygrometer)، وهو جهاز يستخدم لقياس محتوى الرطوبة في بيئة رطبة، أو هوائية.
العالم البريطاني جون فريدريك دانيال هو من اخترع جهاز قياس الرطوبة، ومعظم أجهزة قياس عناصر المناخ تعتمد في عملها على قياس بعض الكميّات الأخرى منها: درجة الحرارة، والضغط، والكتلة أو ما يسمى بالتغير الكهربائي أو الميكانيكي في المادة عند امتصاصها للرطوبة، ويمكن لهذه الكميّات المقاسة أن تقيس الرطوبة وذلك بعد القيام بالعديد من الحسابات الفيزيائية، أو المعايرة باستخدام معيار مرجعي.
