تسخين الغلاف الجوي

 

الطاقة الشمسيّة Sun Energy
تُعَدُّ الشمسُ مصدر الطاقة الرئيس على سطح الأرض، وتشع الشمس طاقتها في الاتجاهات جميعها، على شكل موجات كهرمغناطيسيّة Electromagnetic Waves تسمّى الإشعاعَ الشمسي.
حيث تشعُّ الشمس طاقتها في الاتجاهات جميعها.

الأشعة: هي المسارات التي تسلكها الطاقة .

الموجات الكهرمغناطيسيّة: هي شكل من أشكال الطاقة، تنتقل عبر الفراغ، ولا تحتاج إلى وسط ناقل حتى تصل إلى الأرض، وهي موجات مستعرضة تكون على شكل قمّة وقاع، لها تردّدات وأطوال موجيّة مختلفة. 

الطول الموجي للموجة: هو المسافة بين قمّتين متتاليتين، أو قاعين متتاليين.

الإشعاع Radiation: هو الطاقة التي تنتقل على شكل موجات كهرمغناطيسيّة إلى الأرض.
الطيف الكهرمغناطيسي: هو النطاق الكامل للموجات الكهرمغناطيسية.

تختلف الموجات الكهرمغناطيسيّة بـ:

-أطوالها الموجيّة.

-تردّداتها.

نشاط: الإشعاع الشمسي تختلف موجات الطيف الكهرمغناطيسي للإشعاع الشمسي في أطوالها الموجيّة، وتردّداتها، وكذلك كميّة الطاقة التي تحملها. ولتعرُّف أنواع الموجات الكهرمغناطيسيّة المكوِّنة للإشعاع الشمسي، أدرس الشكل الآتي، ثم أجيب عن الأسئلة التي تليه: التحليل والاستنتاج: 1. أحدِّد: ما أنواع الأشعة المكونة للطيف الكهرمغناطيسي الشمسي؟ الأشعة القصيرة المرئية / الأشعة الطويلة غير المرئية/ الأشعة القصيرة غير المرئية. 2. أبيّن الأطوال الموجيّة للأشعة المرئيّة بوحدة (nm). $(400-700) \mathrm{nm}$ 3. أقارن بين الأشعة الطويلة غير المرئيّة، والأشعة القصيرة غير المرئيّة من حيث الطول الموجي. من حيث الأشعة الطويلة غير المرئية الأشعة القصيرة غير المرئية الطول الموجي يزيد طولها الموجيُّ على $\left(700\right) \mathrm{nm}$ يقلُّ طولها الموجي عن $\left(400\right) \mathrm{nm}$ 4. أذكر أمثلة على كل من الأشعة الطويلة غيرالمرئيّة، والأشعة القصيرة غير المرئيّة. الأشعة الطويلة غير المرئية: الأشعة تحت الحمراء، أشعة الميكروويف الأشعةِّ القصير ة غير المرئية: الأشعة فوق البنفسجية، الأشعة السينية، أشعة غاما . 5. أستنتِج: إذا علمت أن العلاقة بين تردّد الموجات وطولها الموجي علاقة عكسية؛ فأي الموجات ذات تردّد أكبر؟ أقل الموجات طولا موجيا تحمل أكبر تردد وبذلك تكون الأشعة القصيرة غير المرئية ذات أكبر تردد. 6. أتوقّع: أيُّ الأشعة تحمل طاقة أكبر؟ الأكبر تردد تكون أكبر طاقة أي أن الأشعة القصيرة غير المرئية تحمل طاقة أكبر .

الطيف الكهرمغناطيسي الشمسي Solar Electromagnetic Spectrum
يتكوّن الطيف الكهرمغناطيسي للشمس من العديد من أنواع الأشعة، منها: الأشعة المرئيّة وتحت الحمراء وفوق البنفسجيّة، ويمكن تقسيم الإشعاع في الطيف الكهرمغناطيسي إلى قسمين رئيسين:
الأشعة المرئيّة (الضوء المرئي) Visible Radiation
تتكوّن الأشعة المرئيّة من ألوان متعددة هي:الأحمر، البرتقالي، الأصفر، الأخضر، الأزرق، البنفسجي. ولكل لون منها طول موجيّ خاصّ به، إذ يتراوح الطول الموجي للأشعة المرئيّة بين $(400 - 700) \mathrm{nm}$، ويُعد اللّون الأحمر أكثر الموجات طولا موجيًّا، ويقل الطول الموجي كلّما اتّجهنا نحو اللّون البنفسجي.
أنظر الشكل الآتي والذي يمثل الضوء المرئي.

سؤال الشكل (6): أحدّد على الشكل موقع كل من الأشعة الطويلة غير المرئيّة، والأشعة القصيرة غير المرئيّة.

الأشعة غير المرئيّة Non-Visible Radiation
تقسم الأشعة غير المرئيّة إلى قسمين؛ اعتمادًا عن الطول الموجي، وهما:
- الأشعة الطويلة غير المرئيّة: يزيد طولها الموجي على $700 \mathrm{nm}$ ، ومن أمثلتها الأشعة تحت الحمراء الطويلة، وأشعة الميكروويف.
- الأشعة القصيرة غير المرئيّة: يقل طولها الموجي عن $400 \mathrm{nm}$ ، ومن أمثلتها الأشعة فوق البنفسجيّة، والأشعة السّينيّة، وأشعة غاما.

الربط بالفيزياء يقاس الطول الموجي للموجات بوحدات مختلفة منها وحدة النانومتر (nm) إذ أن (1nm) يساوي ( ${10}^{-9} \mathrm{m}$).

 

الربط بالصحة يسبّب التعرّض المستمر لأشعة الشمس الإصابة بسرطانات الجلد، وقد تتسبّب في حدوث أضرار في العيون؛ لذا ينصح الأطباء بعدم التعرّض لأشعة الشمس المباشرة مُدَدًا طويلة خاصة في وقت الذّروة.

 

عندما يصل الإشعاع الشمسي إلى الغلاف الجوي:

- تعكس الغيوم والغازات والهباء الجوي الموجودة في الغلاف الجوي % 26 تقريبًا منه إلى الفضاء الخارجي.

- تمتص بعض مكوّنات الغلاف الجوي % 19 تقريبًا من ذلك الإشعاع.

-يصل % 55 من الإشعاع الشمسي إلى سطح الأرض، إذ يقوم سطح الأرض بامتصاص % 51 منه، ويعكس % 4 إلى الغلاف الجوي. أنظر الشكل الآتي.

سؤال الشكل (7): أحدِّد نسبة الإشعاع الشمسي الذي ينعكس بفعل الغيوم.

20%
- معظم الإشعاع المنبعث من الشمس الذي يصل إلى الغلاف الجوي يتكون من موجات مرئية وأشعة تحت الحمراء، وأشعة فوق بنفسجية.

- يتكون الإشعاع المنبعث من الأرض من أشعة تحت حمراء.

كيف تعمل الأشعة المنبعثة من الشمس، والأشعة المنبعثة من سطح الأرض على تسخين الغلاف الجوي؟

يقوم غاز الأوزون في طبقة الستراتوسفير بامتصاص الأشعة فوق البنفسجيّة، كما تقوم غازات كل من ثاني أكسيد الكربون والميثان وبخار الماء في الغلاف الجوي بامتصاص الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الشمس، وسطح الأرض.

أفكر تمتصُّ الغازاتُ والأبخرة في الغلاف الجوي جزءًا من الطيف الكهرمغناطيسي المنبعث من الشمس إلى الأرض ما يعمل على تسخين الغلاف الجوي. أفكر بالاستعانة بالشكل (7) هل لسطح الأرض دور في عملية تسخين الغلاف الجوي؟ يمتص سطح الأرض 51% من الإشعاع الشمسي الساقط عليه ويعكس 4% منه على شكل أشعة قصيرة مرئية، ويقوم سطح الأرض بتحويل الإشعاع الشمسي الذي امتصه إلى طاقة حرارية تنطلق إلى الغلاف الجوي على شكل موجات طويلة غير مرئية تسمى الإشعاع الأرضي، يمتص الغلاف الجوي هذه الموجات الطويلة الصادرة من سطح الأرض مما يؤدي إلى تسخينه .

 

الطاقة في الغلاف الجوي Energy in the Atmosphere
ينبعث من المتر المربّع الواحد من السطح الخارجي للشمس في ثانية واحدة طاقة مقدارها

$(6.5 \times {10}^7) \mathrm{W}/{\mathrm{m}}^2$ ، ويطلق على هذه الطاقة تدفق الأشعة المنبعثة من الشمس، ويحسب من العلاقة الآتية:

Φ = P / A
Φ : تدفق الأشعة المنبعثة من الشمس$(\mathrm{W}/{\mathrm{m}}^2 )$  
P : القدرة الإشعاعيّة للشمس(W)
A : مساحة سطح الشمس (m²)
القدرة الإشعاعية: هي المعدّل الزمني لانتقال الطاقة من كامل مساحة السطح الخارجي للشمس، وتساوي $(4\times {10}^{26}) \mathrm{W}$ تقريبًا.
ويمكن حساب مساحة السطح الخارجي للشمس عن طريق العلاقة:
surface area of sun = 4 × π × r²

^{حيث إن:
r : نصف القطر}

$3.14 : \mathrm{\pi }$

مثال أحسب التدفّق المنبعث من سطح الشمس، إذا علمت أن مساحة سطح الشمس ( $616 \times {10}^{10} {\mathrm{km}}^2$ )، وقدرتها الإشعاعيّة ( $4\times {10}^{26} \mathrm{W}$ ). أولأ: أحوّل وحدة مساحة سطح الشمس من km2 إلى m2 $$\begin{gathered} = 616 \times {10}^{10}\times {10}^6 \\ = 616 \times {10}^{16} {\mathrm{m}}^2 \end{gathered}$$ ثانيًا: لحساب التدفّق المنبعث من سطح الشمس أطبّق على العلاقة Φ = P / A $\frac{4\times {10}^{26}}{ 616 \times 10{ }^{16}} = 6.5 \times {10}^7 \mathrm{W}/{\mathrm{m}}^2$

 

 

تمرين أحسب قدرة الشمس الإشعاعيّة إذا علمت أن مساحة سطحها ( $616\times {10}^{10} {\mathrm{km}}^2$ ) وتدفّق الأشعة  المنبعثة منها ($6.5 \times {10}^7 \mathrm{W}/{\mathrm{m}}^2$). Φ = p / A $6.5 \times {10}^7 = \mathrm{p}/616\times {10}^{10}\times {10}^6$ $\mathrm{p} = 4 \times {10}^{24} \mathrm{W}$

 

الإثراء والتوسع: الاحترار العالمي يحتوي الغلاف الجوي وبشكل طبيعي على العديد من الغازات التي تعمل على امتصاص الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأرض، منها ثاني أكسيد الكربون، وبخار الماء، والميثان، والأوزون، وتسمّى هذه الغازات بغازات الدفيئة. ولكن في الوقت الحاضر وبسبب زيادة عمليات حرق الوقود الأحفوري في الأنشطة الصناعيّة، ووسائل النقل المختلفة أدى إلى زيادة كميات تلك الغازات في الغلاف الجوي، وخاصة ثاني أكسيد الكربون. وهذا أدى إلى امتصاص الأشعة المنبعثة من الأرض وعدم تمريرها إلى خارج الغلاف الجوي، ما أدى إلى زيادة درجة حرارة الغلاف الجوي، وظهرت مشكلة الاحترار العالمي، وهي الزيادة التدريجية في متوسط درجة حرارة الغلاف الجوي، وخاصة في طبقة التروبوسفير، بسبب امتصاص الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من سطح الأرض.   الكتابة في الجيولوجيا أبحث في مصادر المعرفة المتوافرة لدي، ومنها شبكة الإنترنت عن مفهوم الاحترار العالمي، وأسباب تشكله، وكيفيّة التقليل من آثاره، ثمّ أصمم عرضًا تقديميًّا، وأعرضه أمام زملائي/ زميلاتي في الصفِّ. الاحترار العالمي: هو الزيادة التدريجية في متوسط درجة حرارة الغلاف الجوي، وخاصة في طبقة التروبوسفير، بسبب امتصاص الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من سطح الأرض. أسباب تشكل الاحترار العالمي: زيادة تركيز غازات الدفيئة في الغلاف الجوي، منها ثاني أكسيد الكربون، الميثان، وغيرها بفعل زيادة عمليات حرق الوقود الأحفوري في الأنشطة الصناعية ووسائل النقل. كيفية التقليل من آثاره: استخدام موارد الطاقة البديلة بدلا من الوقود الأحفوري.