الغلاف الجوي هو أحد أنظمة الأرض بالإضافة إلى الغلاف الصخري والمائي والحيوي والجليدي. وتتفاعل هذه الأنظمة مع بعضها البعض، فيتأثر الغلاف الجوي (المناخ) بالتغيرات التي تحدث في الأنظمة الأخرى، فتغير خصائص الأرض أو مياه المحيطات أو انتشار الغابات يؤثر على مكونات الغلاف الجوي ومناخ الأرض. ويتصف النظام الجوي بالتوازن، وبوجود توازن إشعاعي وتوازن للطاقة ، ولوجود مناطق فائض ومناطق عجز للطاقة على الأرض، لابد وأن يتم انتقال الطاقة بين تلك المناطق، وإن العمليات الجوية المتمثلة في العناصر الجوية والأنظمة الجوية مثل المنخفضات والمرتفعات الجوية تقوم بدور مهم في نقل الطاقة للحفاظ على توازنها في الغلاف الجوي ، ويتكون الغلاف الجوي أو الهواء الذي يحيط بالأرض من النيتروجين (78%) والأكسجين (21%) والأرغون (0.9%)، و نسبة قليلة جداً للغازات الأخرى وأهمها ثاني أكسيد الكربون والأوزون وأكاسيد النيتروجين وغيرها. بالإضافة إلى بخار الماء بمتوسط (1.5%) الذي يعد أساس تكون الظواهر المائية المختلفة مثل الضباب والصقيع والندى والغيوم والهطول بأنواعه ويؤثر تغير كمية الغازات في الجو على مناخ الأرض، ويسبب مشكلات يعاني منها سكان الأرض بسبب التلوث الجوي، ومنها ظاهرة الاحتباس الحراري Greenhouse effect، والمطر الحمضي Acid Rain ومشكلة الأوزون، والضباب الكيماوي أو الدخاني Smog. ومن مكونات الغلاف الجوي أيضاً الشوائب، وهي الأجسام الصغيرة التي تتعلق في الهواء وتزيد من  الغبار والدخان والأملاح وحبوب الطلع التلوث الجوي وتخضع غازات الغلاف الجوي (الهواء) للقوانين الفيزيائية، مثل العلاقة بين درجة الحرارة والضغط والكثافة وحجم الهواء. فهي خصائص مرتبطة ببعضها البعض، وأي تغير في أحدها يؤثر على الخصائص الأخرى ، ويتصف الهواء بأنه قابل للانضغاط، أي أن الهواء يتمدد إذا ارتفعت درجة حرارته وقلت كثافته، ويتقلص إذا برد وزادت كثافته لذلك يوجد الهواء الأكثر كثافة ووزناً في الأسفل نتيجة لتعرضه لضغط الهواء الذي فوقه، وكذلك بسبب قوة الجاذبية الأرضية ولاختلاف عناصر المناخ تحدث الظواهر الجوية ، ويختلف الضغط الجوي رأسيا، والضغط الجوي هو وزن عمود الهواء الواقع عمودياً على وحدة مساحة، ويبلغ عند مستوى البحر 1013 hpa، ويتناقص بالارتفاع إلى النصف 500 hp على ارتفاع 6 كم، وإلى 100 hpa عند التروبوبوز.

ويتكون الغلاف الجوي من أربع طبقات رئيسية مقسمة حسب تغير درجة الحرارة وأهمها للإنسان طبقة التروبوسفير Troposphere التي تعيش فيها الكائنات الحية  وتمتد من سطح الأرض إلى التروبوبوز Tropopause على متوسط ارتفاع 12 كم. وتتناقص فيها درجة الحرارة لتصل إلى حوالي - 60 م عند التروبوبوز، وتتناقص درجة الحرارة في التروبوسفير بمعدل 6.5 م / كم. ولكن معدل تناقص درجة الحرارة يختلف حسب رطوبة الهواء، ففي الهواء الجاف تتناقص بمعدل 9.8 م / كم، ويقل عن ذلك في الهواء المشبع وبمعدل 6م كم ويحدث الانقلاب الحراري Temperature Inversion على أي ارتفاع في التروبوسفير عند تزايد درجة الحرارة بالارتفاع، ويحدث ذلك عندما يبرد سطح الأرض في الليل أو عندما يكون مغطى بالثلوج. فالانقلاب الحراري هو وجود طبقة من الهواء الدافئ فوق طبقة من الهواء البارد والانقلاب الحراري أهمية على الاستقرار الجوي، ومن ثم على الأحوال الجوية التي تحدث على الأرض.

طبقة الستراتوسفير Stratosphere المهمة لاحتوائها على غاز الأوزون الذي يمتص الأشعة القصيرة (فوق البنفسجية الضارة بالكائنات الحية، وهي طبقة انقلاب حراري حيث تتزايد فيها درجة الحرارة لتصل إلى الصفر المئوي عند نهايتها على ارتفاع 50 كم. والطبقة الثالثة هي طبقة الميسوسفير Mesosphere التي تتناقص فيها درجة الحرارة إلى 90 م على ارتفاع 80 كم المنطقة الأبرد على الأرض والطبقة الرابعة هي الثيرموسفير Thermosphere حيث تتزايد درجة الحرارة لتصل إلى أكثر من 1000م، وهي طبقة سميكة، وتتلاشى تدريجياً في الفضاء الخارجي Exosphere.

وهي ويقوم الإشعاع الشمسي بتسخين الأرض بدرجات متفاوتة مسبباً التباين الحراري على سطح الأرض وتعد الشمس مصدر الطاقة الرئيسي للأرض وجميع العمليات التي تحدث عليها. ويختلف التسخين من مكان إلى مكان لعدة عوامل مثل كروية الأرض، ودورانها حول الشمس وحول محورها المائل والتضاريس، وانعكاس الإشعاع الشمسي albedo (أو قدرة السطح على امتصاص الطاقة الشمسية). بالإضافة إلى عوامل نقل الطاقة مثل الرياح والتيارات البحرية ولاختلاف التسخين تختلف درجة الحرارة.

ونتيجة لاختلاف الحرارة على سطح الأرض يتباين الضغط الجوي من مكان إلى مكان ولاختلاف الضغط أسباب أخرى مثل رطوبة الهواء والتضاريس والكتل الهوائية وهذا ما يسبب تكون الرياح (وهي الحركة الأفقية للهواء) ولاختلاف الضغط بين المنطقة الاستوائية والأقطاب تنشأ الرياح السائدة وهي الرياح التجارية Trade winds، والرياح الغربية Westerlies والرياح القطبية Polar Winds. ولاختلاف الضغط بين المحيطات واليابس تنشأ الرياح الموسمية، وعلى مقياس يومي يتكون نسيم البحر والبروبسبب ن يتكون نسيم الجبل والوادي. وتوجد أيضاً أنواع أخرى من الرياح المحلية التي تنشأ بسبب المنخفضات، والمرتفعات الجوية، وعوامل محلية أخرى (مثل رياح الخماسين والبورا والشنوك والفهن).

ويشكل الماء حوالي 71% من مساحة الأرض، وبالطاقة يتحول الماء إلى بخار (عملية التبخر) وينتشر في الهواء كأساس للظواهر الجوية المختلفة ويحدث التبخر Evaporation باستمرار في النظام الأرضي، فهو أحد عناصر الدورة المائية وعندما يرتفع الهواء الرطب ويصل إلى التشيع يحدث التكاثف Condensation ليتحول البخار إلى قطرات مائية تكون الغيوم ثم تهطل الأمطارعلى الأرض لإتمام الدورة المائية ، ولذلك فإن عملية التبخر (خزن الطاقة الكامنة Latent heat) والتكاتف انطلاق الطاقة الكامنة هي من وسائل نقل الطاقة على الأرض علماً بأن جميع العمليات الجوية ناتجة عن عمليات تبادل ونقل الطاقة بين مناطق الفائض ومناطق العجز الحراري ويتأثر معدل التبخر بعناصر كثيرة غير الحرارة مثل الرياح والرطوبة الجوية، والمياه السطحية، والضغط الجوي، ويضيف النبات بخار الماء في الهواء عن طريق عملية النتح Transpiration.

وللرطوبة الجوية أهمية وتأثير على العناصر الجوية الأخرى، لذلك  بقياس الرطوبة الجوية باستمرار وتستخدم عدة مقاييس لوصف الرطوبة الجوية مثل الرطوبة المطلقة Absolute Humidity والرطوبة النوعية Specific Humidity، ونسبة الخلط Mixing Ratio وأكثرها شيوعاً الرطوبة النسبية وهي نسبة كتلة بخار الماء في الهواء إلى كتلة ما. الهواء استيعابه من بخار الماء على درجة حرارة معينة وهي نسبة مئوية تتراوح بين 0-100% وتعبير عن نسبة بخار الماء في الهواء ويكون الهواء مشبعاً ببخار Relative Humidity الماء إذا وصلت الرطوبة النسبية إلى 100% وتتأثر درجة الإشباع Saturation بدرجة الحرارة، فيتشبع الهواء بسرعة عند تبريده إلى درجة الندى Dew Point حيث يبدأ التكاتف وتبريد الهواء ميكانيكية دائمة الحدوث في النظام الأرضي، فيبرد الهواء عندما يرتفع إلى الأعلى ويتكاثف بخار الماء تتكون الظواهر الجوية المختلفة مثل الندى والصقيع والضباب والغيوم والمطول، ولكل ظاهرة متطلبات خاصة لتكونها. ولاختلاف خصائص الهواء من حيث درجة الحرارة والرطوبة تتكون الكتل الهوائية Air Masses وهي أجسام ضخمة من الهواء يمكن تصنيفها حسب درجة الحرارة إلى كتل باردة وكتل دافئة وحسب الرطوبة إلى كتل رطبة وكتل جافة وتستمد الكتل الهوائية خصائصها من مصدرها، حيث تنشأ الكتل الهوائية في مناطق عديدة في العالم وذات معالم طبيعية متجانسة. فالمناطق القارية من العروض العليا (مثل سيبيريا وكندا تكون مصدر الكتل الهوائية الباردة الجافة المناطق القارية المدارية (مثل الصحراء الكبرى واستراليا) تكون مصدر الكتل الهوائية الدافئة الجافة، ومناطق المحيطات المدارية تكون مصدر الكتل الهوائية الدافئة والرطبة، ومناطق المحيطات الباردة شبه القطبية تكون مصدر الكتل الباردة الرطبة. وتعمل الكتل الهوائية على نقل الحرارة والرطوبة من مصدرها إلى الأماكن التي تقع في مسارها أو تحت تأثيرها، فتؤثر الكتل الهوائية على سطح الأرض بحسب خصائصها، فالكتل الباردة مثلاً تسبب المخفـاض درجات الحرارة، والكتل الدافئة تسبب ارتفاع درجات الحرارة، والكتل الجافة تسبب جفاف الهواء وانتشار الغبار وتتكون الجبهات الهوائية Fronts كمناطق فاصلة بين الكتل الهوائية مختلفة الخصائص، فهي تفصل الهواء البارد عن الهواء الدافئ، والهواء الجاف عن الهواء الرطب. لذلك فهي تشكل مناطق تغير سريع في العناصر المناخية مثل تغير درجة الحرارة والرطوبة والضغط الجوي والرياح والجبهات الهوائية هي عبارة عن مقدمات للكتل الهوائية فمقدمة الكتل الباردة تسمى الجبهة الباردة Cold Fronts حيث يندفع الهواء البارد نحو الهواء الدافئ، ومقدمات الكتل الدافئة تسمى الجبهات الدافئة Warm Fronts، حيث يندفع الهواء الدافئ نحو مناطق الهواء البارد وتوجد أنواع أخرى من الجبهات مثل الجبهات الممتلئة Occluded Fronts، والجبهات المستقرة Stationary Fronts التي تتكون نتيجة لتطور الجبهات الباردة والدافئة. وتنشأ الجبهات الهوائية مع المنخفضات الجوية في العروض الوسطى، ولقد اكتشفت خلال سنوات الحرب العالمية الأولى، وكان اكتشافها مهم جداً في فهم تطور المنخفضات الجوية، وفي معرفة الأحوال الجوية السائدة، وللتنبؤ بالأحوال الجوية المستقبلية والجبهات الهوائية (مثل المنخفضات الجوية) تمثل مناطق عدم استقرار تسبب انتشار الغيوم والهطول في المناطق التي تمر عليها.

وتنشأ حالات عدم الاستقرار الجوي بسبب وجود التيارات الصاعدة التي تسبب تبريد الهواء وحدوث التكاثف، وأحياناً تسبب حالات عدم الاستقرار نشاط العواصف الرعدية الشديدة المصحوبة بالهطول الغزير وتنشأ حالات الاستقرار الجوي بسبب وجود التيارات الهابطة، وعندما يهبط الهواء البارد يسخن ويؤدي ذلك إلى صفاء الجو نتيجة لتبخر قطرات الماء وترتبط الأحوال الجوية السائدة والمتوقعة بالأنظمة الجوية السائدة، مثل المنخفضات والمرتفعات الجوية التي تنشأ بسبب اختلاف الضغط الجوي من مكان إلى مكان. وتحدد مراكز المنخفضات والمرتفعات الجوية على خرائط الطقس بعد رسم خطوط تساوي الضغط .Isobars. ويرتبط تطورها بالمظاهر الجوية في طبقات الجو العليا. فالغلاف الجوي نظام متكامل، وما يحدث في طبقات الجو العليا ينعكس على الأحوال الجوية السطحية. وفي الجو العلوي تسود الرياح السريعة المعروفة بالتيار النفاث Jet Stream التي تجري على شكل أمواج Waves تحتوي على أخاديد Troughs ومحدبات Ridges تتحكم في نشأة المنخفضات والمرتفعات الجوية فمقابل المنخفض العلوي يتكون منخفض سطحي، ومقابل المرتفع العلوي يتكون مرتفع سطحي، ولكل منها أحوال جوية متميزة ، فالمنخفضات الجوية تسبب انتشار الغيوم، والعواصف المطرية أو الثلجية، والرياح العاصفة، بينما يصاحب المرتفعات الجوية تحسن وصفاء الجو. والأعاصير المدارية هي منخفضات جوية تنشأ في المناطق المدارية، وهي غير مصحوبة بالجبهات الهوائية ، وتتكون الأعاصير فوق مياه المحيطات الدافئة التي تزيد درجة حرارتها عن 27 م ، أي بالقرب من المياه الاستوائية. وتتطور الأعاصير بطاقة الحرارة الكامنة المنطلقة نتيجة لتكاثف بخار الماء، فالتبخر من مياه المحيطات الدافئة هو مصدر طاقة الأعاصير المدارية. ويتحول بعضها إلى أعاصير مدمرة نتيجة لتزايد سرعة الرياح عن 100 كم/ ساعة. وتسبب أضرار كبيرة في مناطق اليابسة الواقعة تحت تأثيرها أو في مسارها. ومنها أعاصير الهاروكين Hurricane الذي يؤثر على أمريكا الوسطى والشمالية، والتايفون Typhoon الذي يؤثر على جنوب آسيا.

ومما سبق نجد أن عناصر المناخ كثيرة وتتفاعل مع بعضها البعض بطرق متعددة ومعقدة، ويظهر ذلك في صعوبة فهم أحوال الطقس والتغيرات المناخية، ولكن هذه التفاعلات تؤدي إلى تكوين الظواهر الجوية المختلفة وإن تغير أحد العناصر يؤثر في العناصر الأخرى، كما ويؤثر على نوع الظواهر الجوية التي يمكن تكونها، فمثلاً الهواء الدافئ الرطب قد يؤدي إلى تكون الندى أو الضباب أو الغيوم والهطول، بينما الهواء الجاف يؤدي إلى تكون العواصف الغبارية. وكذلك فإن تسخين الأرض يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الهواء فتزداد قابليته للارتفاع مما يسبب نشوء حالة من عدم الاستقرار.

ظواهر جوية متعددة ويصاحب المنخفضات الجوية والعواصف الرعدية يتكون الندى Dew في الليل وعلى السطوح الباردة، ويتكون الصقيع Frost عندما تنخفض درجة الحرارة لأقل من الصفر المئوي وإذا برد الهواء السفلي إلى درجة التشيع يتكون الضباب Fog وتنشأ الغيوم نتيجة لتكون التيارات الصاعدة من الهواء الرطب، حيث يبرد الهواء ويتكاثف إلى قطرات مائية. والغيوم عبارة عن كتل مرئية من قطرات الماء. تكونت نتيجة لتشيع الهواء بالبخار والغيوم هي من المظاهر الأكثر شيوعاً مع المنخفضات الجوية، ولذلك يمكن الاستدلال على مواقع المنخفضات الجوية من خلال الصور الجوية التي تبين أماكن تواجد الغيوم.

والغيوم أنواع متعددة تتباين في لونها وسمكها وارتفاعها. ومنها الغيوم الركامية والطبقية التي تتكون على مختلف المستويات في الغلاف الجوي، وغيوم السمحاق العالية التي تعتبر مؤشراً على قدوم أحوال جوية مضطربة (المنخفضات الجوية). وأكثر الغيوم كثافة وسمكاً هي غيوم المزن الركامية التي تشكل العواصف الرعدية الشديدة، وهي من الاضطرابات الجوية القوية التي تسبب سقوط الأمطار الغزيرة والبرد، والبرق، كما ويصحبها تكون زوابع التورنادو Tornadoes المدمرة. والعواصف الرعدية الشتوية تسبب العواصف الثلجية الشديدة التي تؤثر على نشاط الإنسان، وتسبب خسائر كثيرة. ونتيجة لاختلاف تشبع الغيوم بالقطرات المائية وحجمها تصنف إلى غيوم ممطرة وغيوم غير ممطرة ، وعندما تنمو قطرات الماء في الغيوم إلى أحجام كبيرة يسقط المطر. والأمطار هي أكثر أنواع الهطول انتشاراً لأنها تحدث عندما يكون الهواء دافئاً، كما هو في معظم بقاع الأرض. وتختلف كميات الأمطار من منطقة إلى أخرى، فبعض المناطق في الصحارى الجافة قد لا تسقط عليها الأمطار لعدة سنوات أو تسقط بكميات قليلة جدا، بينما بعض المناطق تستقبل كميات كبيرة جداً من الأمطار تسبب كوارث بيئية وإنسانية خطيرة (جنوب آسيا). وتتأثر كميات الأمطار الهاطلة بعوامل متعددة أهمها تكرار مرور المنخفضات الجوية على المنطقة، التضاريس، وقرب المنطقة من المسطحات المائية، بالإضافة إلى موقعها من درجات العرض فأكثر المناطق أمطاراً هي المناطق المدارية الرطبة والقريبة من المنطقة الاستوائية، وأقلها هي المناطق الصحراوية الجافة والمناطق القطبية ويتغير درجة حرارة الهواء يختلف نوع الهطول فتسقط الثلوج عندما تنخفض درجة حرارة الهواء، فلا تسمح للثلوج المتكونة في طبقات الجو العليا من الذوبان أثناء سقوطها إلى سطح الأرض. وإذا كانت درجة الحرارة مرتفعة تتحول الثلوج إلى أمطار. ويتكون البرد مع التيارات الصاعدة وفي الهواء البارد جداً، ويسقط إلى الأرض على شكل زخات متفرقة في العواصف الرعدية الصيفية والشتوية.

تتغير أحوال الطقس باستمرار وخلال ساعات لذلك تمر على المكان أحوال جوية متعددة خلال شهر أو أكثر، وإن معدل تلك الحالات خلال فترة طويلة من الزمن (30 سنة على الأقل) تقدم معلومات عن مناخ المنطقة. فالمناخ هو صفة عامة للأحوال الجوية في منطقة ما، فقد تكون المنطقة حارة أو معتدلة أو باردة، وربما تكون جافة أو رطبة ، ويوصف المناخ بمعدل تكرار الظواهر الجوية كمعدل درجة الحرارة والأمطار والرياح، بالإضافة إلى ضرورة معرفة مقدار تباينها بذكر خصائص التباين كالانحراف المعياري Standard Deviation أو معامل التغير (الاختلاف) Coefficient of Variation. فتغير الطقس يحدث باستمرار من يوم إلى يوم ومن فصل إلى فصل، ولكن تغير المناخ يحتاج إلى آلاف السنين ويحدث ببطء شديد. وقد يساهم الإنسان بنشاطاته السلبية باستعجال التغير المناخي.

ويعمل العلماء باستمرار على زيادة فهم خصائص الغلاف الجوي من أجل تحسين التنبؤات الجوية اليومية، ومن أجل فهم التغيرات المناخية المستقبلية وهي ضرورية لأن حياة الإنسان تعتمد كثيراً على المناخ فالمناخ والطقس يؤثران على النشاطات الزراعية والصناعية والنقل، وراحة الإنسان وسلوكه، وإن التقدم في العلوم الأخرى يفيد في زيادة تقدم علم المناخ وعلم الأرصاد الجوية.

اخر الاخبار

اخبار العتبة العباسية المقدسة

قسم التطوير والتنمية المستدامة يبحث آفاق التعاون المشترك مع معهد التطوير النيابي

المشاركون في مشروع دار علوم نهج البلاغة يشيدون بمحاضراته وقيمه التربوية والعقائدية

قسم الشؤون الفكرية يقيم ندوة تثقيفية لفريق صناعة المحتوى الهادف في جمعية كشافة الكفيل

المجمع العلمي يقيم المرحلة الثانية لاختبار المتقدمين لقناة حفظة القرآن الكريم في النجف الأشرف

المزيد

الآخبار الصحية

دراسة مقلقة تكشف تفاصيل مفاجئة عن مكملات فيتامين (د)

استراتيجيات غذائية للتحكم بالجوع والشعور بالشبع طوال اليوم

هدف علاجي واعد للحد من تطور أكثر أنواع سرطان البنكرياس شيوعا

وفاة 1147 شخصا على الأقل.. الحر يبطش بالإنجليز !

المزيد

الآخبار التكنلوجية

7 مفاهيم خاطئة حول ضغط الإطارات وكيفية تجنبها

نصائح لتحسين كفاءة محرك السيارة وإطالة عمره الافتراضي

ترامب لرؤساء شركات الـ AI: أنتم تتحكمون في العالم !

القطارات تكشف "عيبا خطيرا" في سيارات تسلا.. ما هو؟

المزيد

مواضيع ذات صلة

رياح الانحدار Gradient Winds

شدة الرياح العلوية

الرياح الحرارية

الرياح الجوستروفية

التيار النفاث المداري Tropical Jet Stream

التيارات النفاثة

العوامل التي تؤثر في التوزيع الجغرافي للأحياء البحرية

اقليم التندرا

الصحاري

خصائص الغلاف الحيوي الصحراوي

اقليم الحشائش

الأساليب النباتية للتوسع والانتشار في البيئة الطبيعية