سنة أولى - مناخ و أرصاد زراعية - نظري - حركة الهواء

Admin المساهمات : 30 تاريخ التسجيل : 27/01/2008

حركة الهواء Air motions

مقدمة
تنتج حركة الهواء عن :
1-التسخين غير المنتظم لسطح الأرض
2-واختلاف امتصاصية سطح الأرض للحرارة
يتبع الغلاف الجوي جملة الكرة الأرضية في حركاتها عبر الفراغ الكوني، وهو يدور أيضاً مع الكرة الأرضية من الغرب إلى الشرق. وهكذا يتحرك الهواء في خط الاستواء شرقاً بسرعة أكثر من 1600 كم/ساعة، بينما يتحرك بنصف السرعة شرقاً في خط العرض 60 درجة، وفي القطبين تكون سرعة الهواء شرقاً تساوي الصفر لأن الأرض تتحرك بنفس السرعة الشرقية وهذه الحركات غير مرئية بوساطة المراقب الأرضي.

- تعمل حركة الهواء على تقارب الاختلافات الكائنة على سطح الأرض من حرارة ورطوبة وضغط، ولذلك فإنها تعتبر كمنظم هام ورئيسي في الجو.
- ويطلق اصطلاح الرياح Winds على الحركة الأفقية للهواء أو القريبة منها تمييزاً عن الحركة الرأسية التي يطلق عليها اسم تيارات هوائية Currents والتي لها أهميتها الخاصة في تكوين بعض السحب، وتعتبر الحركة الرأسية قليلة إذا ما قورنت بحركة الرياح.
قانون نيوتن الأول( قانون العطالة )
الساكن يبقى ساكناً حتى يأتي شيئاً يحركه فيتحرك
والمتحرك يبقى متحركاً حتى يأتي شيئاً يثبته فيسكن .
مثال : الصاروخ حول القمر يدور ( يتحرك ) بدون طاقة حتى يأتي شيئاً يثبته فيسكن .
القوى الأساسية في الغلاف الجوي
قوى موجودة بصرف النظر عن حالة حركة الهواء.
قوى تنشأ فقط بعد وجود الحركة.
يقصد بالنوع الأول أن أصل القوى الأساسية بدون الحركة، وهي قوى التحريك الأساسية التي تنتج بوساطة الجاذبية الأرضية والضغط. والنوع الثاني من القوى هو قوة الاحتكاك friction أو “ drag "، وقوة كوريوليس Coriolis force.
القوى المحركة-الجاذبية الأرضية والضغط الجوي
إذا كان لدينا وزن صغير أو كبير من الهواء (غرام واحد)، فنجد أن محصلة جميع القوى على هذه الحزمة من الهواء تتمثل بتسارعها وحركتها. ولندرس تمثيل القوى على هذه الحزمة من الهواء في الاتجاه العمودي.
آ-تمثيل القوى بالاتجاه العمودي
تدل جاذبية الأرض gravity أو قوة الجذب Fg على التوجه دائماً نحو مركز الأرض.
Fg = Mg
حيث: M كتلة حزمة الهواء.
g تسارع الجاذبية الأرضية وتساوي 9.8 م/ ثا.
ينتج عن الجاذبية الأرضية تسارع نحو الأسفل على حزم الهواء، وهذا ما يوضحه الشكل رقم (6-1).

فإذا لم تكن هذه الحزم متوازنة بوساطة قوى صاعدة (نحو الأعلى) فتتجه الحزم نحو الأسفل بسرعة (هبوطاً). وإذا لم يتغير معدل الهواء إلى الأعلى وإلى الأسفل فيجب أن يكون هناك قوة أخرى تشير إلى الأعلى تعتمد على توازن الجاذبية الأرضية. وهذه القوة هي المكون العامودي لقوة تدرج الضغط الجوي Pressure gradient force التي ترتبط مع الانخفاض الكبير لضغط الهواء مع الارتفاع.

ينخفض الضغط في الغلاف الجوي مع الارتفاع (لأن كتلة الهواء تتناقص مع الارتفاع). ويبين الشكل السابق رقم (6-1) أن الضغط P1 على الجانب الأسفل من الحزمة أكبر من الضغط P2 على الجانب الأعلى للحزمة والذي ينشأ عن التسارع الصاعد. وتشير هذه القوة الموجهة الصاعدة إلى انخفاض الضغط مع الارتفاع، وهي قوة متوازنة دائماً وبشكل تقريبي بوساطة القوة النازلة للجاذبية الأرضية. والاختلاف القليل بين هاتين القوتين المتعاكستين يحدد أي حزمة هواء سوف تتحرك إلى أعلى أو إلى أسفل وبأي معدل.

تحدد محصلة قوة تدرج الضغط عمودياً عن طريق الفرق في الضغط P1- P2، في حين مساحة سطح الوجه الأعلى والوجه الأسفل A.A في معظم الحالات يبين أن قوة تدرج الضغط العامودي والجاذبية الأرضية في حالة توازن، وسبب هذه الحالة هو التوازن الهيدروستاتي Hydrostatic balance. ويمثل هذا التوازن عن طريق تساوي القوتين:
(P1-P2)A=Mg
بما أن M : الكتلة و p الكثافة و AZالحجم فيمكن كتابة المعادلة السابقة على الشكل التالي:
(P1-P2)/ Z=Pg وتعرف هذه بالمعادلة الهيدروستاتية.
ب- قوة تدرج الضغط في الاتجاه الأفقي
ويتغير الضغط أيضاً في الاتجاه الأفقي، وهذه التغيرات الصغيرة نسبياً هامة جداً في نشوء الحركات الجوية بسبب وجود توازن في الجاذبية الأرضية.
ويوضح الشكل (6-2) مثال ضغط نموذجي لمقطع عمودي في الجو.

والمكون العامودي لقوة تدرج الضغط في هذا الشكل نحصل عليه بوساطة تقسيم الفرق في الضغط بين النقطتين C و A على المسافة العامودية لهاتين النقطتين وهي 24 مليبار/ 200 متر أو 120 مليبار / كم. ونحصل على المكون الأفقي بتقسيم الفرق في الضغط بين النقطتين E و D بوساطة المسافة الأفقية بين هاتين النقطتين وهي 4 مليبار / 400 كم أو 0.01 مليبار / كم. وهكذا فإن العنصر الأساسي والعمودي لقوة تدرج الضغط أكبر بـ 12 ألف مرة من العنصر الأساسي والأفقي في هذا المثال النموذجي.
القوى التي تنشأ بعد حركة الهواء (القوى التي تتحكم بحركة الهواء)
تأثير دوران الأرض
المسارات المنحنية والدوامات ( قوى الجذب والطرد المركزي )
الاحتكاك
تأثير دوران الأرض
دوران الأرض حول محورها يسبب انحرافاً في حركة الرياح، وتسمى القوة التي تسبب هذا الانحراف قوة كوريوليس.
وبما أن دوران الأرض هو من الغرب إلى الشرق فإن اتجاه الدوران في نصف الكرة الشمالي يكون في عكس اتجاه عقارب الساعة Counterclok wise، واتجاه الدوران في نصف الكرة الجنوبي يكون في اتجاه عقارب الساعة Clok wise، ولذا فإن انحراف الرياح يكون مع اتجاه حركة عقارب الساعة في نصف الكرة الشمالي وعكس اتجاه حركة عقارب الساعة في نصف الكرة الجنوبي. ومن الملاحظ أن هذه القوة تعمل فقط في التأثير على اتجاه الريح دون التأثير في سرعة هذه الرياح، بينما يؤثر في هذه السرعة قوة تدرج الضغط الجوي وقوى الاحتكاك بصورة كبيرة.
خصائص قوة كوريوليس
حرف الرياح الهابة في نصف الكرة الشمالي إلى يمين خط اتجاهها وإلى يساره في نصفها الجنوبي.
اتجاهها دائماً عمودي على الاتجاه الأفقي للرياح
تتأثر بسرعة الرياح وفقاً لعلاقة طردية فكلما زادت سرعة الرياح زادت قوة كوريوليس
تؤثر على اتجاه الرياح ولاتؤثر على سرعتها
تبلغ ذروتها عند القطب ثم تتناقص تدريجياً إلى أن تصل الصفر عند خط الاستواء
تتناسب طرداً مع قوة تدرج الضغط وتسمى الرياح الموازية لخطوط الضغط المتساوية بالرياح الجيوستروفية .
المسارات المنحنية والدوامات
قوة الجذب المركزية: هي القوة التي تجذب أي جسم يتحرك في مسار منحن نحو مركز الدوران.
قوة الطرد المركزية: هي القوة التي تطرد أي جسم يتحرك في مسار منحن بعيداً عن مركز دورانه.
تبلغ قوة الطرد والجذب المركزية ذروتها عند خط الاستواء ، وتتناقص كلما اتجهنا شمالاً أو جنوباً إلى أن تبلغ صفراً عند القطب.
التفسير : هو أن دوران الأرض حول محورها عند القطب يبلغ صفر ثم يزداد بالاتجاه نحو خط الاستواء إلى أن يبلغ حوالي 1670 كم/ سا عند هذا الخط
أنواع الدوامات
يعتري الغلاف الجوي حركات رأسية وأفقية ودورات ( دوامات ) من مختلف الأشكال والمقاييس :
ذات مقياس صغير للغاية يحدث زوابع ودوامات هوائية صغيرة لاتناهز أقطارها بضعة أمتار وتدوم عدة دقائق ، مثال : الترنادو سرعة الرياح فيها يصل إلى 300كم/سا
ذات مقياس متوسط تشكل رياحاً محلية تتراوح أقطارها الكيلومترات ومئاتها وتدوم عدة ساعات وحتى أكثر من يوم وعادة تعرف بالدورات الثلاثية ، مثال: الهاركين سرعة الرياح 200 كم/سا
ذات مقاييس كبيرة تجري حول مراكز الضغوط الجوية المرتفعة والمنخفضة مغطية مساحات واسعة تتراوح بين مئات والآلاف الكيلومترات المربعة ،مثال : السيكلون والأنتيسكلون سرعة الرياح 70كم / سا
الاحتكاك
إذا كان لدينا صندوق خشبي وقمنا بدفعه على مستوى سطح الأرض، فإن هذا الصندوق سوف يتحرك مسافة قصيرة ثم يتوقف. وتعرف القوة التي تعيق أو تثبط الحركة إلى الأمام بالاحتكاك. وينتج الاحتكاك عن
احتكاك الرياح بسطح الأرض
ولزوجة الهواء : وهي قوة الاحتكاك الداخلية الذاتية لجزيئات الهواء مع بعضها
التدفق الإعصاري والإعصاري المضاد قرب سطح الأرض
يشاهد الهواء في نصف الكرة الشمالي يلتف حلزونياً باتجاه معاكس لاتجاه عقارب الساعة داخل الإعصار ويلتف باتجاه عقارب الساعة خارج الإعصار المضاد. أما في نصف الكرة الجنوبي يلتف داخلياً باتجاه عقارب الساعة في الإعصار وخارجياً باتجاه معاكس لعقارب الساعة في الإعصار المضاد.
أما في المواقع المتقاربة للضغط الجوي المرتفع والمنخفض فيمكن أن يحدد من اتجاه الرياح الملاحظ في نقطة ما باستخدام قانون بويس بالوت Buys Ballot: إذا توجهت بظهرك مع اتجاه الرياح فإن الضغط الجوي المنخفض يكون إلى يسارك والضغط الجوي المرتفع إلى يمينك (في نصف الكرة الشمالي).
خلاصة
أن الهواء المتحرك يتعرض كما تتعرض السوائل أثناء تحركها لقوة ناتجة عن ملامسة السطوح المحيطة بها يطلق عليها اسم قوة الاحتكاك Frictional force، ولذا فإن الهواء الملامس لسطح الأرض يتأثر باحتكاك سطح الأرض مما يجعل سرعته أقل من سرعة الهواء الأعلى منه. وكلما زادت خشونة السطح Surface roughness نقصت سرعة الهواء الملامس له، وكلما بعدنا عن السطح إلى أعلى نقص مفعول هذه القوة حيث ينعدم تأثيرها عند ارتفاع 600 متر تقريباً. وبما أن خشونة الأرض اليابسة أعلى بكثير من خشونة سطح البحار، نظراً لوجود التلال والوديان والعمران، فإن سطح البحار يخفض من سرعة الرياح بحوالي 10% فقط بينما تخفض القارات من سرعة الرياح بنسبة أعلى بكثير.

في الأعاصير المضادة، يكون الهواء هابطاً مع رياح متباعدة Divergence عن السطح، بينما في الأعاصير يكون الهواء صاعداً مع رياح متقاربةConvergenceمن السطح.
تنتج انزياحات الهواء الرأسية
عن أسباب ديناميكية : منها الجبال التي تعمل كحواجز لتدفق الهواء الأفقي Horizontal air flow التي تجبره إلى الصعود بموازاة الجهة التي تهب منها الريح وتهبط على الجوانب المحجوبة عن الريح.
وعن التسارع الرأسي المرتبط بقابلية الطفو في الماء
تباعد divergence وتقارب convergence تيارات الهواء Air currents التي تدور حول دوامات whirls مراكز الضغوط المنخفضة ومراكز الضغوط المرتفعة الضخمة في الغلاف الجوي.

نتيجة
تسيطر مراكز الضغوط المنخفضة فوق المناطق التي تميل إلى تشكل الغيوم وسقوط الأمطار والثلوج
وبينما تسيطر مراكز الضغوط المرتفعة عندما يكون الجو صافياً خالياً من الغيوم، وفي هذه الحالة يسود الضباب غالباً.
التناقص الذاتي
وعندما لا يوجد تبادل حراري على نحو مطلق بين الكتلة ومحيطها envirnment، (نظرياً) تدعى هذه العملية بالتناقص الذاتي adiabatic. وبما أن الهواء يحتوي عادة على ماء فإن تغير حالة الماء يتطلب حرارة كامنة، ونميز هنا بين نوعين من عمليات التناقص الذاتي:
1- عملية التناقص الذاتي الجاف dry adiabatic process: وهي العملية التي لايوجد فيها تغير في حالات الماء (أي لايوجد تكاثف أو تبخر أو تجمد أو تسامي).
2- عملية التناقص الذاتي الرطب Moist or wet adiabatic process: وهنا يظهر تغير في حالات الماء، لأنه أثناء هذه العملية تأخذ الحرارة الكامنة latent heat من الماء.
الاستقرار Stability
يعبر عن توازن الهواء في الجو الأرضي، فإذا ما دفعنا كتلة هوائية في هذا الجو المستقر بالاتجاه الرأسي الصاعد أو النازل بمؤثر ما فإنه لابد لها أن تعود لوضعها الأصلي بعد زوال المؤثر. وبذلك يتميز الجو المستقر بأنه خال من التيارات الصاعدة أو الهابطة ومن الاضطرابات الجوية.

وأما عن الاعتبارات الجوية التي تساعد على نشوء حالة الاستقرار فهي:
1- التبريد الحراري الليلي لسطح الأرض خصوصاً في الأيام الصافية إذ يرافقه انقلاب حراري.
2- مرور كتلة من الهواء الساخن فوق أرض باردة.
3- مرور مناطق جوية مرتفعة لأن حركة الهواء تكون من أعلى إلى أسفل.
ويساعد الجو المستقر في الهواء الرطب على نشوء الضباب والغيوم الطبقية والهطول المطري بصورة رذاذ أو مطر مستمر أو ثلج. أما في حالة الهواء الجاف فإنه يقلل من
وضوح الرؤية بجوار سطح الأرض بسبب تركيز الغبار والأتربة والدخان والرمال المعلقة في هذه الطبقة.
عدم الاستقرار Unstability
عندما لاتعود كتلة الهواء الجوي المزاحة من مكانها تحت تأثير قوة ما إلى وضعها الأصلي تنشأ حالة عدم الاستقرار Unstability ، التي ترافقها تيارات صاعدة وهابطة واضطراب في الجو وتبقى هذه الكتلة بمثل هذه الحالة من التنقل إلى أن تجد الوضعية التي تتوازن فيها مع الهواء الجوي المحيط بها.

وأهم العوامل الجوية المساعدة على نشوء حالة عدم الاستقرار:
1- زيادة التسخين الحراري لسطح الأرض في النهار بتأثير الإشعاع الشمسي وتشكل الرياح.
2- في حالة عبور هواء بارد فوق أرض دافئة.
3- في طبقات الجو العليا وقت عبور كتلة هوائية باردة فوق كتلة هوائية ساخنة.
4- في وجود الهواء الساخن ودفعه أمام مقدمة الجبهات الباردة.
5- استقطاب الرياح وتجمعها إذ ينشأ عن ذلك تيارات هوائية صاعدة.
وفي حالة الهواء الرطب تتسبب حالة عدم الاستقرار في نشوء: الغيوم الركامية والغيوم الركامية المزنية والعواصف الرعدية والهطول المطري أو الثلجي بشكل زخات. وفي حالة الهواء الجاف: وجود غبار ورمال وأتربة معلقة في الجو تبعاً لحالة سطح الأرض.
الحركة العمودية وعلاقتها بالغيوم
حركة الهواء الرأسية تأخذ عدة مسميات حسب اتجاه الحركة والمساحة التي تغطيها، فمثلاً تسمى حركة الهواء الرأسية من أعلى إلى أسفل – تغطي مساحات كبيرة- بهبوط الهواء (Subsidence)، بينما تسمى حركة الهواء الصاعدة إلى أعلى –تغطي مساحات كبيرة نسبياً- بتيارات الحمل (Convection Currents)، أما حركة الهواء الصاعدة والهابطة والتي تغطي مساحة رأسية محدودة فتسمى بالحركة الاضطرابية للهواء (Air Turbulence).