كيمياء الغلاف الجوي ودرجات الحرارة - معرفة مبسطة

إنه لا يمكن تبسيط هذا الجانب ولكن لابد وأن نلقي وإياكم ولو إطلالة يسيرة حوله

قد تكون هذه المعلومات التي سأطرحها ليست جديدة بالنسبة لكم .. كباحثين وقراء ... قد نهتمّ وتهتمّون بشكليات الغلاف الجوي ولا نبدي اهتماما بما وراء تلك الشكليات من أسس كامنة في العمق .. لا تزال الأرصاد الحديثة تهمل الكثير منها وأخص أرصاد بيرغن النرويجية المُروّجة للأرصاد الجوية الحديثة والتي هي منذ سنين تتراجع أمام سيل متدفق من الأبحاث والاكتشافات

:::::

يتكون الغلاف الجوي من عدة طبقات تبدأ من سطح الأرض وتنتهي في الفضاء الخارجي

يتم قياس طبقات الجو العليا عبر عدة طرق

الأولى : بواسطة درجات الحرارة

الثانية : بواسطة الضغط + الارتفاع

أما الثالثة فهي بواسطة كيمياء الغلاف الجوي ، ولا تزال ناشئة بالرغم من تقدمها في السنوات الأخيرة وعلى الأقل خلال العشر سنوات الماضية

​وهي أكثر الطرق أهمية قصوى وقدرة على كشف التغيرات الحرارية .. ومن المشاريع المهمة عالميا في ذلك ، مشاريع المركز الأوروبي والمشروع الفنلندي
 ​
وهناك طرق أخرى تتعلق بمقاييس الغلاف الجوي الطبقية الرأسية يناقشها بتوسع ما يعرف بالبناء الرأسي للنماذج العددية
​
:::::

ماذا نعني بالكيمياء الحرارية ؟

نريد أن نلفت النظر للتغيرات الحرارية التي تعقب التغير الكيميائي في مكوّن وتركيب الغلاف الجوي
حيث أن كل تغير في كيميائية الغلاف الجوي يتلوه تغير في الحرارة عكسي أو إيجابي

هذا باختصار شديد

ومثل ذلك يحدث مع المحيطات ، حيث الكيمياء البحرية تدرس المحتوى الكيميائي لمياه المحيطات
وأكثر عنصر شائع تتم دراسته دوما هو : الأملاح البحرية

​::::::::::::

يتواجد 75 بالمائة من كتلة الغلاف الجوي على ارتفاع يقارب 11 كم ، وبنسبة 99 بالمائة من مجموع كتلة غازات الغلاف الجوي فإن معظم كتلة الغلاف الجوي محصورة غالبا من السطح حتى ارتفاع 30 كم 

​وهذا التحديد بالطبع نظري .. ولكل منطقة في الأرض طبقاتها الخاصة بها .. ولكل مستوى نشاط شمسي اختلاف أيضا
​
::::::::::
​
معنى هذا أن غازات الغلاف الجوي تتحرك وتختلط وتتأثر بالرياح فضلا
عن تكوّن الكثير منها بواسطة الإشعاع
وأخرى تتكون بواسطة الغلاف الحيوي والنشاط الجيولوجي الأرضي متمثلا بالبراكين للتمثيل لا الحصر
​
::::::
​

لقد أثبتت الكيمياء الحرارية أن غازات الغلاف الجوي تمارس دورا كبيرا هي الأخرى على تغيرات درجات الحرارة .. فهي إما أن تُفقد أو تُضيف كميات حرارية للوسط المحيط

فعلى سبيل المثال : يمتص الأوزون الأشعة الشمسية ويرفع درجة حرارة الطبقة الجوية التي يتواجد فيها ومثله بالطبع ثاني أكسيد الكربون وعلاقاته وما يرتبط به وغازات جوية أخرى

:::::::
​
إن الكيمياء الحرارية تشير إلى أن التحولات التي تشهدها غازات الغلاف الجوي يتبعها تغير في الحرارة
​
ومن هنا .. كان لابد وأن تُكتب خارطة طبقات جوية كيميائية .. كأمر ضروري وحتم لازم

---

ربما تسمع كثيرا أن طبقات الغلاف الجوي بمسميات : التروبوسفير والستراتوسفير وغيرها .. ويتبادر لذهنك أنها هي الوحيدة في التسميات !؟

بالنسبة لدارسي كيمياء الغلاف الجوي فإن طبقات الغلاف الجوي وفقا لمكونه الكيميائي تأخذ مسميات أخرى

سأوضحها هنا كمثال لا للحصر

هناك طبقتان من منظور التركيب الكيميائي للغلاف الجوي

الأولى : الهوموسفير

والثانية : الهيتروسفير
​

---

هنا مخطط رأسي - كيميائي كمثال على طبقات الغلاف الجوي من منظور كيميائي
من سطح الأرض حتى 1500 كم ارتفاعا
​​

هناك ثلاث طبقات رئيسية اصطُلح عليها
​
الأولى حتى ارتفاع 40 كم
وهي الطبقة التي تحتوي معظم غازات الغلاف الجوي

تليها الطبقة الكيميائية الثانية وتبدأ من ارتفاع 80 كم

وتليها الطبقة الكيميائية الثالثة والتي تبدأ عند ارتفاع 500 كم

وبين الطبقة الثانية والثالثة يقع الغلاف الجوي المتأين بسبب ارتفاع درجات الحرارة الناتجة عن الإشعاع الشمسي

وبعد ارتفاع 1000 كم تأتي طبقة كيميائية تكاد تكون رتيبة وبهواء رقيق جدا 

---

ليست هذه الطبقات بهذه التقسيمات وحيدة .. بل هناك تقسيمات أخرى

فالطبقة الجوية حتى 30 كم ارتفاعا تعرف بطبقة خلط ومزج غازات الغلاف الجوي
وهي طبقات غالبا يحدث فيها تجمع وتشتت وحياة وفناء غازات الغلاف الجوي
لأنها طبقة جوية غير مستقرة .. فتتأثر أيضا غازات الغلاف الجوي بهذا

:::::
​
ومن الطبقات عند ارتفاع 50 كم تبدأ غازات الغلاف الجوي بالاستقرار أكثر وأكثر نظرا
لضعف عدم الاستقرار كلما صعدنا عاليا

بإمكاننا تقسيم الطبقات الكيميائية بشكل آخر ومغاير إلى

أولا : طبقة جوية كيميائية غير مستقرة ، وهي التي تشهد نشاطا في الرياح وعدم الاستقرار

ثانيا : طبقة جوية كيميائية مستقرة ، وهي التي تشهد خمولا في الرياح وضعفا شديدا في عدم الاستقرار

هذه الأقسام ليست من باب التكوّن .. ولكنها تقسيمات من باب الحركية .. أعني تواجد تلك الغازات استنادا لحركة الغلاف الجوي 

"""
​
ربما أنا أميل إلى أن الطبقات الكيميائية في الغلاف الجوي عامة تكون على مؤثرين ومظهرين
شهيرين
​
الأول : مظهر يتعلق بحركة الغلاف الجوي وما يؤثر به ويتأثر به من نظم كبيرة في الأرض كالأحياء والمحيطات
​ والبراكين وهذا يمتد من السطح غالبا حتى ارتفاع 50 كم

والثاني : يتعلق بمستويات النشاط الشمسي 

---

غازات الغلاف الجوي .. أثبت العلماء الكيميائيون أن لها عمرا محددا تقريبا

ربما تتساءل عن وجود حرارة معينة تعبر أجواء كوكب الأرض في جزء منه فترة من الفترات ثم تضعف تلك الحرارة سريعا

هناك غازات تنشأ في الغلاف الجوي للأرض ولا يتجاوز عمرها أياما وهناك غازات لا تفنى ولها زمن طويل جدا

وهي تترك أثرا على درجات الحرارة

:::

على سبيل المثال : وأكثر غازات الغلاف الجوي تأثيرا على درجات الحرارة هو الأوزون

يعيش بين الأسبوع إلى الشهر ثم يتجدد مرة أخرى

كذلك بخار الماء يعيش عشرة أيام ثم يتجدد ، وعلى هذه المعلومة ملاحظة ونقد
​
وهناك الهيدروجين يستمر لسنتين ثم يتجدد

وهنا جدول يصف كل غاز وكتلته - تركيزه - وعمره الزمني المقدّر ومصدره
​

---

هذا التحديد العمري لغازات الغلاف الجوي ربما ينضبط كلما ارتفعنا عاليا عن الطبقات الجوية غير المستقرة
بينما الطبقة الغير مستقرة فتحديد عمر غاز معين صعب جدا لأن التفاعلات ونسبة الخلط والمزج كبيرة جدا والتجدد مستمر

لذا تقسّم غازات الغلاف الجوي باعتبار هذا الأمر إلى غازات دائمة وغازات متغيرة متجددة بشكل عادي وإلى غازات عالية التغير والتجدد

---

غازات الغلاف الجوي وموجات الحر على سبيل المثال

حينما ترتفع درجات الحرارة السطحية فهناك عدة أمور لابد وأن تحدث على مستوى موجات الغلاف الجوي التي تقوم بتنظيم تركز وتكوّن تلك الغازات سواء على الطبقات الدنيا أو العليا​

​حدوث موجة حر في جهات كثيرة من الأرض .. هو أمر يجمع بين الكيمياء والفيزياء ليعطي الضوء الأخضر للإشعاع

---

الرياح الغربية والرياح الشرقية تحملان مكونات كيميائية مختلفة في الغلاف الجوي

ومن عجائب الرياح الشرقية أنها رقيقة من كميات الأوزون
بينما الرياح الغربية فإنها عالية من كميات الأوزون

بل حتى تيارات المحيطات الشرقية والغربية تختلف أيضا حراريا وكيميائيا
​
وليس الأوزون سوى مثال فقط .. هناك كثير من غازات الغلاف الجوي تنحو بسلوك محدد مع الرياح الشرقية والغربية .. ولهذا أسباب عميقة ومتنوعة على صعيد الذرات وأخرى تتعلق بقيمة الخلط والمزج التي تختلف بين الرياح الشرقية وهي مكون المرتفعات الجوية الهادمة للغازات والرياح الغربية وهي مكوّن المنخفضات الجوية
التي تقوم بحصر غازات الغلاف الجوي .. ومكون آخر يتعلق بالإشعاع الشمسي وهو شديد التأثير
​
كلما كان الضغط في طبقات الجو العليا مرتفعا كلما بدّد غازات الغلاف الجوي فتبدأ في التجمع في مناطق سيادة الضغط الجوي المنخفض في طبقات الجو العليا المجاور لذلك المرتفع
​
بالمعنى البسيط : تقارب الرياح في المستوى الأدنى من التروبوسفير أحد أهم عوامل ارتفاع نسب وتراكيز غازات الغلاف الجوي فوق جهة معينة

وتشتت الرياح في المستوى الأدنى من التروبوسفير أحد أهم أسباب انخفاض نسبة وتراكيز غازات الغلاف الجوي فوق جهة معينة

هذا في المنظور العادي ولكنه في المنظور المتطرف يكون أكبر

والكلام أعلاه ليس عموميا على كوكب الأرض .. فمناطق الدوائر القطبية الشمالية والجنوبية تختلف عن المنطقة المدارية في ذلك

---

إن أبسط الأمثلة على غازات الغلاف الجوي هو بخار الماء حيث يزداد مع الكتل الهوائية الرطبة وينخفض مع الكتلة الهوائية الجافة

---

الطبقة الجوية العليا كمثل التروبوبوز وأدنى الستراتوسفير حينما تتواجد فيها كمية عالية من غازات الغلاف الجوي فإنها تعاني من ارتفاع درجات الحرارة أو توجهًا ناحية الارتفاع

لأن غازات الغلاف الجوي تقوم بامتصاص الأشعة الشمسية بشكل أكبر
​فترتفع درجات حرارة طبقة الستراتوسفير الدنيا تلك

وهذا جزء من إحدى العمليات الكيمياء حرارية

Endothermic Reactions

ونقيضها العملية الأخرى

Exothermic Reactions

---

كباحث في فيزياء مناخ المنطقة المدارية .. إن أكبر وأوسع تغير يحدث لغازات الغلاف الجوي في المنطقة المدارية يحدث مع تذبذب الرياح المدارية
​
MJO

إنه يقوم بتشكيل وحصر وتوزيع وتشتيت غازات الغلاف الجوي من جهة إلى أخرى

بل يقوم بتنظيم الكهرباء الساكنة الطبيعية في الغلاف الجوي المداري​

بل أكثر من ذلك
​
وهو أن أغرب ظاهرة في كوكب الأرض موجودة اليوم على خط الاستواء والقلة يهتمّون بها نظرا لغرابتها الشديدة وهي ظاهرة التيار الكهربائي المداري والذي يحيط بأواسط المنطقة المدارية على طول كوكب الأرض

​يتواجد كتيار كهربائي يظهر من الشرق ناحية الغرب بين طبقات 90 حتى 130 كم
​​​

---

بل إن ظاهرة البرق والرعد هما عمليات لم توجد إلا بوجود عنصر كيميائي في الغلاف الجوي
وغالبا تتجه ظاهرة البرق بالازدياد كلما توجهنا للمنطقة المدارية وتبدأ بالتناقص كلما اتجهنا للقطب الشمالي

وليس البرق محصورا فقط على الغلاف الجوي في التروبوسفير .. بل هناك البرق المعروف بالبرق العملاق ومسميات أخرى أيضا
​
يقفز عاليا مسافة تصل 100 كم ارتفاعا عن سطح الأرض
​

:::::::::::::::::


تذبذب الرياح المدارية شبه ثنائي السنوات
QBO
​
هو أحد أبسط الصور والنتائج لموجات الغلاف الجوي في المنطقة المدارية

هذا التذبذب في الرياح على ارتفاعات عالية بين 15 كم حتى 32 كم ، أو بين طبقات 70 هكتوباسكال حتى 10 هكتوباسكال في طبقات التروبوسفير المدارية والستراتوسفير المدارية وله مقاييس أخرى
تبدأ من طبقة 1 حتى 100 هكتوباسكال
​
إن الطبقات العليا من الغلاف الجوي وخصوصا حينما نصعد إلى طبقة 100 عاليا فإننا نجد ملخصات هائلة لما يحدث في الطبقات الجوية الأدنى

التذبذب شبه ثنائي السنوات سبب وجوده هو الموجات المدارية .. وهناك سبب آخر لم يناقشه الكثير من العلماء وهو أن هذا التذبذب شبه ثنائي السنوات صفة لازمة للغلاف الجوي العلوي كلما ابتعدنا عن الطبقات المضطربة كثيرا

بمعنى أن الاضطراب والتشوش الحادث في الطبقات الدنيا من الغلاف الجوي حتى 10 كم تقريبا يبدأ تدريجيا بالضعف ثم يحدث لنا انتظام يزداد أكثر وأكثر في المنطقة المدارية لأن الانتظامية على خط الاستواء عالية بسبب الجاذبية الأرضية وضعف وتراخي مؤثر كوريوليس
​
هي ببساطة مثل حركة السيارات داخل المدن .. لا يوجد فيها انتظامية كبيرة .. بل متنوعة .. وما إن تغادر المدن على الطرق السريعة الطويلة ... يبدأ يحدث الانتظام

هذا تمثيل بسيط .. ومثله : حركة تيارات الأنهار .. تزداد انتظاما حينما لا يكون هناك تعرجات في مجرى النهر الأساسي .. وحينما تنتظم الطبوغرافيا المتسببة في انحدار النهر يبدأ في الانتظام شيئا فشيئا

إذن .. سبب وجود تذبذب الرياح شبه ثنائي السنوات في طبقات الستراتوسفير المدارية
هو عائد إلى 
​
أولا : حركة الموجات المدارية في الطبقات السفلى

ثانيا : ضعف الاضطرابات الجوية في طبقات الستراتوسفير المدارية

وثالثا : الجاذبية الأرضية على خط الاستواء وضعف أثر كوريوليس

ولعل هناك أسباب أخرى قد تظهر مع اهتمام الباحثين به أخيرا

هذا ما يجعل التذبذب شبه ثنائي السنوات يعيش عمرا أطول .. حيث يمتد في المرحلة الغربية أو الشرقية إلى 
أكثر من 28 شهرا بانتظامية كمتوسط

الأغرب أن تذبذب شبه ثنائي السنوات ينظم غازات طبقة الستراتوسفير المدارية وله آثار على الستراتوسفير القطبية الجنوبية والشمالية

المرحلة الشرقية من تذبذب الرياح شبه ثنائية السنوات هي مرحلة تعاني من طبقة أوزون أقل

بينما المرحلة الغربية من تذبذب الرياح شبه ثنائية السنوات هي مرحلة تتميز بطبقة أوزون أعلى

​التأثير على القطبين يعود لأوضاع الفصول المناخية

فمثلا .. في شتاء النصف الشمالي من الكرة الأرضية تنتقل وتتشكل دوامات طبقات الستراتوسفير إلى القطب الشمالي فتتزايد مستويات الأوزون هناك .. فحينما يكون التذبذب شبه ثنائي السنوات شرقيا فإن الأوزون سيقل على القطب الشمالي .. ثم تبدأ هناك أشبه بالخلخلة في نظام دوامة القطب الشمالي

وعليه .. فإن موجات البرد الشديدة على أوروبا وأطراف آسيا وأمريكا الشمالية .. غالبا ما تكون مصاحبة للمرحلة الشرقية من التذبذب المداري شبه ثنائي السنوات

وعلى العكس من ذلك المرحلة الغربية .. حيث يزداد الأوزون في طبقات القطب الشمالي .. وبالتالي تقل فرص تشكل الموجات الكبيرة والمتعبة من البرد الاستراتوسفيري القطبي القاسي على أوروبا وأطراف آسيا وأمريكا الشمالية

وهذا الأمر حاليا يحتاج إلى زيادة إمعان .. لكون الأوزون في تناقص مستمر
​

---

بالنسبة للمحيطات .. فهي تشبه الغلاف الجوي بشكل كبير ولكن بقدر معكوس

حيث أن الطبقات الأدنى من المحيطات تتميز بالاستقرار وضعف التغير الحراري والكيميائي فيها

بينما كلما اقتربنا من الطبقات السطحية للمحيطات فإننا نشهد اضطرابا مستمرا وتغيرا سريعا في الثيرموهالين المحيطي

من أغرب الظواهر هو أن كيمياء المحيطات تتغير مع حركة التيارات .. ولكل تيار كيمياء خاصة به يقوم بنقلها
لا يفقدها 

فعلى سبيل المثال .. ارتفاع درجات حرارة المياه السطحية دليل على وجود رياح غربية وتيارات مائية غربية .. وهذا يساهم في نقص ملوحة البحر لأنه يساهم في وجود عنصر آخر وهو المطر

الأمطار على المحيطات حينما تزداد فإنها تنقص من ملوحة المحيطات

وهذا يصدق على أجزاء من المحيطات دون أخرى

إن من أكثر المظاهر غرابة هو ارتباطية تيارات المحيطات وخصوصا على المنطقة المدارية
 بموجات الرياح العملاقة الشرقية والغربية

فتجد أن كل تيارات مائية ضخمة عابرة تقترن غالبا مع أو بعد موجات الرياح العملاقة تلك

على سبيل المثال : موجة غربية كبيرة جدا على المنطقة المدارية شهر مارس 2015 حركت موجة كبيرة من التيارات الغربية في المنطقة المدارية وارتفع مستوى سطح البحر في معظم المنطقة المدارية
وهذا الأمر يستمر إلى أكثر من ثلاثة أشهر ثم يبدأ بالهبوط متضامنا مع موجة أخرى من الرياح

هذه النقطة واضحة بقدر لا نحتاج فيه إلى إحصاء .. بل مجرد معاينة ليس إلا ونعرف ذلك

إن تغير كيمياء الغلاف الجوي والماء .. ناتج عن حركة الرياح والإشعاع
​

إن الغلاف الجوي مكوّن كيميائي ضخم .. التدقيق فيه يعطي إجابات كثيرة عن أسئلة حائرة لدى العلماء

أهمها : لماذا يقل حدوث البرق مع الأعاصير المدارية ؟

ولماذا يقل الأوزون بشدة مع الأعاصير المدارية ؟


​ولي وقفة أوسع مع ذلك بإذن الله

:::::::

​
والله تعالى وحده أعلم