الدرس الرابع: طبقات الغلاف الجوي ودور الأوزون في حماية الأرض

• الغلاف الجوي (Atmosphere): غلاف غازي يحيط بالكرة الأرضية بفعل الجاذبية، يمتد حتى ارتفاع يزيد عن 1000 كم، ويتألف أساساً من النيتروجين (78%) والأكسجين (21%) وغازات أخرى بنسبة 1%.
• الضغط الجوي القياسي (Standard Atmospheric Pressure): وزن عمود من الزئبق مساحة مقطعه 1 سم² وارتفاعه 76 سم عند مستوى سطح البحر، ويعادل 1.013 بار أو 1013.25 مليبار.
• ظاهرة الصوبة الزجاجية والاحتباس الحراري (Greenhouse Effect): احتباس الأشعة تحت الحمراء ذات الأطوال الموجية الطويلة في طبقة التروبوسفير نتيجة زيادة تركيز الغازات الدفيئة، مما يمنع تسرب الحرارة إلى الفضاء الخارجي.
• طبقة الأوزون الستراتوسفيرية (Ozone Layer): طبقة من غاز الأوزون O3 تتركز في الستراتوسفير بين ارتفاع 20 إلى 40 كم، تحمي الكائنات الحية بامتصاص الأشعة فوق البنفسجية الخطرة (UV-C و UV-B).
• التوازن الإشعاعي للأرض (Earth Radiation Balance): حالة التوازن الديناميكي بين كمية الإشعاع الشمسي قصير الموجة الممتص بواسطة نظام الأرض والغلاف الجوي وكمية الإشعاع الحراري تحت الأحمر طويل الموجة المنبعث للفضاء.

• معدل الانحدار الحراري في التروبوسفير (Lapse Rate): [ الصيغة: معدل التغير في درجة الحرارة = -6.5 °م لكل ارتفاع قدره 1 كم، حتى تصل عند طبقة التروبوبوز إلى نحو -60 °م:${\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">T</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">h</span>}}={\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">T</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">0</span>}}-\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">6.5</span>}\times \mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">h</span>}$ (حيث $\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">h</span>}$ الارتفاع بالكيلومتر). ]
• معادلة تكون وتفكك الأوزون الكيميائية: [ الصيغة: تتكون جزيئات الأوزون عبر خطوتين ضوئيتين كيميائيتين بفعل الأشعة فوق البنفسجية:${\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">2</span>}}\stackrel{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">U</span>}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">V</span>}}{\to }\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}+\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}$$\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}+{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">2</span>}}\to {\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">3</span>}}$ويتفكك الأوزون عند امتصاص الأشعة الضارة:${\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">3</span>}}\stackrel{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">U</span>}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">V</span>}}{\to }{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">2</span>}}+\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}$ ]
• قانون ستيفان-بولتزمان للإشعاع الحراري: [ الصيغة: القدرة الإشعاعية المنبعثة من وحدة المساحات للجسم الأسود تتناسب طردياً مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة المطلقة:$\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">E</span>}=\sigma \cdot {\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">T</span>}}^{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">4</span>}}$ (حيث $\sigma =\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">5.67</span>}\times \mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">1</span>}{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">0</span>}}^{-\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">8</span>}}{\text{ <span class="eqx" dir="ltr" style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">W/m</span>}}^{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">2</span>}}{\text{<span class="eqx" dir="ltr" style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">K</span>}}^{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">4</span>}}$). ]

ينقسم الغلاف الجوي رأسياً إلى أربع طبقات متباينة في خصائصها الحرارية والفيزيائية والحركية تفصل بينها حدود توقف حراري:

1. • طبقة التروبوسفير (Troposphere): تمتد من سطح الأرض وحتى ارتفاع 13 كم عند خط الاستواء (متوسط 13 كم)، وتحتوي على 75% من كتلة الغلاف الجوي و99% من بخار الماء، ولذلك تحدث فيها كافة الظواهر الجوية والتقلبات الطقسية من أمطار ورياح وسحب.
   • تنخفض درجة الحرارة فيها بالارتفاع بمعدل 6.5 °م لكل كيلومتر حتى تبلغ -60 °م عند التروبوبوز، كما يقل الضغط الجوي حتى يصل إلى 100 مليبار.
2. • طبقة الستراتوسفير (Stratosphere): تمتد من 13 كم إلى 50 كم، وتتميز باستقرارها الهوائي التام وخلوها من السحب والاضطرابات الجوية مما يجعل الجزء السفلي منها مثالياً لتحليق الطائرات النفاثة.
   • ترتفع درجة الحرارة فيها تدريجياً من -60 °م لتصل إلى الصفر المئوي عند الستراتوبوز بسبب وجود طبقة الأوزون التي تمتص الأشعة فوق البنفسجية وتولد طاقة حرارية.

3. طبقة الميزوسفير (Mesosphere): تمتد من 50 كم إلى 85 كم، وتعد أبرد طبقات الغلاف الجوي حيث تهبط درجة الحرارة فيها إلى -90 °م، وفيها تحترق الشهب الساقطة من الفضاء نتيجة احتكاكها بجزيئات الهواء النادرة.

4. طبقة الثرموسفير (Thermosphere): تمتد حتى 700 كم، وتسمى الطبقة الحرارية لارتفاع حرارتها إلى 1200 °م، ويسمى جزؤها السفلي &quot;الأيونوسفير&quot; لكثرة الأيونات المشحونة التي تعكس موجات الراديو والاتصالات اللاسلكية وتحدث فيها ظاهرة الشفق القطبي (الأورورا).

يستقبل كوكب الأرض الإشعاع الشمسي على شكل موجات كهرومغناطيسية قصيرة تشمل الضوء المرئي وقسماً من الأشعة فوق البنفسجية، فتمتص الأرض قسماً منه وتدفأ، ثم تعيد إشعاعه نحو الفضاء الخارجي على هيئة إشعاع حراري تحت أحمر ذي أطوال موجية طويلة.

• في الحالة الطبيعية، تحافظ الغازات الدفيئة الطبيعية على بقاء متوسط حرارة الأرض عند 15 °م، ولولاها لانخفضت إلى -18 °م وتجمدت الحياة.
• ولكن مع الثورة الصناعية وحرق الوقود الأحفوري وقطع الغابات، ارتفعت تركيزات ثاني أكسيد الكربون CO2 والميثان CH4 وأكسيد النيتروز N2O بشكل حاد.
• تمتلك هذه الغازات روابط كيميائية قادرة على امتصاص الفوتونات تحت الحمراء والاهتزاز، مما يعيد بعث الحرارة نحو سطح الأرض محبوسة في التروبوسفير، وهو ما يعرف بظاهرة الاحتباس الحراري المتزايد (Global Warming).

• يمثل غاز الأوزون O3 الدرع الواقي للأرض من الإشعاعات الكونية الضارة.
• غير أن الاستخدام المكثف لمركبات الكلوروفلوروكربون (CFCs - الفريونات) في أجهزة التبريد وعبوات الإيروسول، والهالونات المستخدمة في إطفاء الحرائق، أدى إلى حدوث استنزاف خطير لطبقة الأوزون وظهور &quot;ثقب الأوزون&quot; فوق القطب الجنوبي.

• تتفكك مركبات CFCs في الستراتوسفير بفعل الأشعة فوق البنفسجية منتجة ذرات كلور حرة نشطة جداً (Cl•).
• تعمل ذرة الكلور الواحدة كعامل حفاز يفكك أكثر من 100,000 جزيء أوزون قبل أن تخرج من السلسلة التفاعلية، وفق الآلية:$\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">C</span>}{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">F</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">2</span>}}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">C</span>}{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">l</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">2</span>}}\stackrel{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">U</span>}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">V</span>}}{\to }\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">C</span>}{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">F</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">2</span>}}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">C</span>}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">l</span>}\cdot +\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">C</span>}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">l</span>}\cdot$$\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">C</span>}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">l</span>}\cdot +{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">3</span>}}\to \mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">C</span>}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">l</span>}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}\cdot +{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">2</span>}}$$\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">C</span>}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">l</span>}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}\cdot +\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}\to \mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">C</span>}\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">l</span>}\cdot +{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">O</span>}}_{\mathrm{<span\; class="eqx"\; dir="ltr"\; style="direction:ltr;unicode-bidi:isolate;display:inline-block">2</span>}}$مما يعيد تحرير ذرة الكلور الحرة لمواصلة التدمير المتسلسل.

يؤدي استمرار ظاهرة الاحتباس الحراري إلى اضطرابات خطيرة في النظام المناخي العالمي، تشمل: ذوبان الكتل الجليدية الضخمة في القطبين وجبال الألب، مما يسبب ارتفاع مستوى أسطح البحار والمحيطات ويهدد بغرق الدلتاوات الساحلية والمدن الشاطئية كالإسكندرية ودمياط وبورسعيد وبندقية إيطاليا.

كما يتسبب الاحترار في زيادة حدة وتكرار الظواهر المناخية المتطرفة، كالأعاصير المدارية المدمرة، وموجات الجفاف الطويلة التي تؤدي إلى التصحر ونقص المحاصيل الغذائية، واشتعال حرائق الغابات، وتغير مواسم الأمطار ونظم تدفق الأنهار، مما يهدد الاستقرار المائي والغذائي العالمي.

نص المسألة / السؤال: المعطيات: درجة الحرارة عند سفح جبل كاترين 24 °م، وارتفاع الجبل 2600 متر (2.6 كم).المطلوب: حساب درجة الحرارة عند قمة الجبل، وهل تتساقط الثلوج عند القمة إذا توافرت الرطوبة؟الحل بالخطوات:1) مقدار الانخفاض في درجة الحرارة = الارتفاع بالكم × 6.5 °م = \[\begin{gathered}2.6 \times 6.5 = 16.9 {}^{\circ}\end{gathered}\]م.2) درجة الحرارة عند قمة الجبل = درجة الحرارة عند السفح - مقدار الانخفاض = \[\begin{gathered}24 - 16.9 = 7.1 {}^{\circ}\end{gathered}\]م.3) إذا انخفضت حرارة السفح شتاءً إلى 10 °م: تكون حرارة القمة = \[\begin{gathered}10 - 16.9 = -6.9 {}^{\circ}\end{gathered}\]م (أقل من الصفر المئوي)، وبالتالي تتساقط الثلوج وتتجمد المياه فوق القمة.

• تكة دقيقة: الأشعة فوق البنفسجية تنقسم إلى 3 نطاقات: UV-C (خطيرة جداً وممتصة بنسبة 100% في الأوزون)، UV-B (خطيرة وضارة ممتصة بنسبة 95%)، و UV-A (نافذة بنسبة 100% ومفيدة لتكوين فيتامين D).
• فخ امتحاني: لا تخلط بين &quot;تآكل الأوزون&quot; و&quot;الاحتباس الحراري&quot;؛ تآكل الأوزون سببه الفريونات ويحدث في الستراتوسفير ويزيد نفاذ الأشعة فوق البنفسجية المسببة للسرطان، بينما الاحتباس الحراري سببه زيادة CO2 والميثان في التروبوسفير ويحبس الأشعة تحت الحمراء الحرارية.
• سر تفوق: الأيونوسفير هي المسؤولة عن نقل البث الإذاعي طويل ومتوسط الموجة عبر انعكاس الموجات بينها وبين سطح الأرض.

• بروتوكول مونتريال الدولي: اتفاقية بيئية تاريخية ناجحة حظرت إنتاج مركبات CFCs عالمياً، مما أدى إلى بدء تعافي طبقة الأوزون تدريجياً ومن المتوقع عودتها لسابق عهدها بحلول منتصف القرن الحادي والعشرين.
• استراتيجية مصر لتغير المناخ 2050 ومؤتمر COP27: إطلاق مشروعات حماية الشواطئ الشمالية لمصر بصدادات الأمواج وزراعة غابات المانجروف لامتصاص الكربون وحماية الدلتا من الغرق.