الوحدة الثانية: الغلاف الجوي — الدرس 2-3: العوامل الفيزيائية المؤثرة في الغلاف الجوي وفي الكائنات الحية

• يتحدد طقس أي مكان ومناخه بعدد من العوامل الفيزيائية التي يتغير بعضها بتغير الآخر، وأهمها أربعة: الحرارة والضغط الجوي والرياح والرطوبة.
• وهي لا تعمل منفصلة؛
• فالحرارة تسخّن الهواء فيتمدد ويقل ضغطه، والضغط يحرك الهواء رياحًا، والرياح تنقل الرطوبة، والرطوبة تؤثر في الحرارة التي نشعر بها.
• وفي هذا الدرس سندرس كل عامل: مفهومه وقياسه وتأثيره في الإنسان والكائنات الأخرى.

• تؤثر الحرارة في بقية العوامل، فهي تتحكم في الضغط الجوي والرياح والرطوبة، وبالتالي في تكوّن السحب والأمطار.
• وعندما تصل أشعة الشمس إلى الأرض يسخن سطح الأرض (اليابسة والماء) بصورة أكبر من الهواء، ثم تنتقل الحرارة من السطح إلى الهواء الملامس له ومنه إلى الطبقات الأعلى.
• ولذلك تكون طبقات الجو القريبة من السطح أعلى حرارة من البعيدة عنه.

• تقيس الجهات المهتمة بالأرصاد الجوية درجة حرارة الهواء بصفة دورية وتقارنها بدرجات الحرارة المسجلة في الأعوام السابقة في الموسم نفسه ولمناطق أخرى.
• وتستخدم أحد المقاييس الثلاثة:

1. مقياس سيليزيوس (°C) وهو التدريج المئوي المألوف عندنا، وفيه تتجمد المياه النقية عند 0°C وتغلي عند 100°C.
2. مقياس فهرنهايت (°F) وهو المستخدم مثلًا في الولايات المتحدة، وفيه يتجمد الماء عند 32°F ويغلي عند 212°F.
3. مقياس كلفن (K) وهو التدريج المطلق المستخدم في المجالات العلمية، وفيه يتجمد الماء عند 273 K ويغلي عند 373 K، والصفر المطلق هو 0 K أي نحو −273°C.

العلاقات بين المقاييس:

T = t + 273

حيث T بالكلفن وt بالسيليزي، و

\[\begin{gathered}\,\text{tF} = 1.8 t + 32\end{gathered}\]

حيث tF بالفهرنهايت وt بالسيليزي.

نحولها أولًا إلى سيليزيوس: \[\begin{gathered}t = 283 - 273 = 10{}^{\circ} \,\text{ext}{C}\end{gathered}\]

\[\begin{gathered}\,\text{tF} = 1.8 \times 10 + 32 =\;\color{#15803d}{\mathbf{50{}^{\circ}F}}\end{gathered}\]

نعيد ترتيب العلاقة: \[\begin{gathered}t = (\,\text{tF} - 32) \div 1.8 = (104 - 32) \div 1.8 = 72 \div 1.8 =\;\color{#15803d}{\mathbf{40{}^{\circ} \,\text{ext}{C}}}\end{gathered}\]

الانخفاض = \[\begin{gathered}0.528 \times 6.5 \approx 3.4{}^{\circ} \,\text{ext}{C}\end{gathered}\]

الحرارة = 32 − 3.4 = \[\begin{gathered}28.6{}^{\circ} \,\text{ext}{C} \approx 29{}^{\circ} \,\text{ext}{C}\end{gathered}\]

تنتقل الحرارة بصفة عامة بثلاث طرق:

1. التوصيل: تنتقل الحرارة خلال الجسم الصلب أو بين جسمين متلامسين، من المنطقة الأعلى حرارة إلى الأقل دون أن تنتقل جسيمات المادة نفسها. وبعض المواد جيدة التوصيل كالفلزات، وبعضها رديء التوصيل كالفلين والخشب والهواء.
2. الحمل الحراري: تنتقل الحرارة خلال الموائع (السوائل والغازات) بتيارات الحمل؛ إذ تقل كثافة الجزء الأسخن من المائع فيرتفع، ويحل محله الجزء الأبرد الأكثر كثافة، فتتكون دورة مستمرة. وتستغل الطيور الجارحة هذه الظاهرة فيما يسمى الطيران الحراري: تطفو فوق تيارات الهواء الساخن الصاعدة وتحلق عاليًا دون رفرفة، فتوفر طاقتها.
3. الإشعاع: انتقال الحرارة على هيئة موجات كهرومغناطيسية (الإشعاع الحراري)، وهو لا يحتاج إلى وسط مادي؛ ولذلك تصل حرارة الشمس إلى الأرض عبر الفراغ.

نشاط:

• أفضل المواد لصنع أواني الطهي توفيرًا للطاقة هي الجيدة التوصيل للحرارة كالنحاس والألومنيوم لقاع الإناء، مع ملاحظة عوامل أخرى كالسعر وعدم تفاعلها مع الطعام ومتانتها ووزنها، ويكون مقبض الإناء من مادة رديئة التوصيل.

أولًا: التكيف مع التجمد.

• الضفدع الخشبي: يعيش في مناطق باردة في الشمال مثل ألاسكا وكندا حيث تنخفض الحرارة دون الصفر. وفي الشتاء يتجمد جزء كبير من ماء جسمه فيتوقف تنفسه وتتوقف دقات قلبه. لكنه ينتج قبل التجمد كميات كبيرة من الجلوكوز في الكبد وتنقله إلى أعضائه (القلب والدماغ)، ويعمل الجلوكوز مادة مضادة للتجمد إذ يمنع تكوّن بلورات الثلج داخل الخلايا فيحميها من التلف. وعند ارتفاع الحرارة في الربيع ينصهر الجليد ويعود القلب إلى النبض وتستأنف الوظائف الحيوية.
• سمك الجليد: يعيش في مياه القارة القطبية الجنوبية المتجمدة حيث تنخفض حرارة الماء دون الصفر، وهو أمر قاتل لمعظم الكائنات البحرية. وهو يفرز في دمه بروتينات مضادة للتجمد تمنع تكوّن بلورات الثلج في الدم والأنسجة. وهو من الأنواع النادرة التي لا يحتوي دمها على هيموجلوبين (دم شفاف)، وبدلًا من ذلك يمتص الأكسجين الذائب في الماء البارد مباشرة ويحمله البلازما.

ثانيًا: التكيف مع الحرارة العالية.

• السحالي الصحراوية: تعيش في صحارى قد تبلغ الحرارة فيها درجات غير مناسبة لمعظم الكائنات. ومن تكيفاتها: السحلية الشوكية لها قنوات صغيرة على سطح جلدها تجمع الرطوبة من الهواء أو حتى من الرمل وتوجهها إلى فمها، فتبقى رطبة في بيئة جافة.

200 ÷ 5 = 40 مرة

وكلما زاد تركيز المذاب انخفضت درجة تجمد المحلول (الخاصية الجامعة التي درستها في الدرس 1-4)، ولذلك يحمي الجلوكوز الخلايا.

• يبقى الغلاف الجوي منجذبًا نحو سطح الأرض بفعل الجاذبية الأرضية، فتجذب الجاذبية جزيئات الهواء نحو الأسفل، ونتيجة لذلك يكون الغلاف الجوي أكثر كثافة بالقرب من سطح الأرض، وتتركز معظم كتلته في الطبقة من السطح حتى ارتفاع 30 km تقريبًا.
• وتقل كمية الهواء وكثافته في الطبقات العليا.
• وفي المناطق المرتفعة تقل كمية الأكسجين التي يمكن أن يحصل عليها الجسم، ولهذا يحتاج المتسلق والطيار المقاتل إلى التزود بالأكسجين عند الارتفاعات الكبيرة.

الضغط الجوي ناتج عن وزن عمود الهواء الممتد من نقطة معينة حتى نهاية الغلاف الجوي والمؤثر على وحدة المساحات حول هذه النقطة.

ويتغير الضغط من نقطة لأخرى؛ فتقل قيمته كلما ارتفعنا عن سطح البحر.

الضغط الجوي المعتاد هو قيمة الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر عند 0°C، ويساوي:

\[\begin{gathered}1 \,\text{atm} = \dfrac{1.013 \times 10^{5} N}{m^{2}} = 760 \,\text{mmHg} = 76 \,\text{cmHg}\end{gathered}\]

وتستخدم وحدة الميللي بار (mbar) للتعبير عن الضغط الجوي على خرائط الأرصاد الجوية:

\[\begin{gathered}1 \,\text{mbar} = 100 N/m^{2}\end{gathered}\]

• وبالتالي فالضغط المعتاد يساوي نحو 1013 mbar.
• والخطوط التي ترسم على الخرائط لتصل بين الأماكن ذات الضغط الجوي المتماثل تسمى الخطوط الأيزوبارية (Isobars).

الضغط = \[\begin{gathered}(750 \div 760) \times 1.013 \times 10^{5} = 0.98684 \times 1.013 \times 10^{5} \approx \;\color{#15803d}{\mathbf{\dfrac{9.997 \times 10^{4} N}{m^{2}}}}\end{gathered}\] (نحو \(99 967 N/m^{2}\))

• يُستخدم البارومتر الزئبقي لقياس الضغط الجوي، وهو أنبوب زجاجي مملوء بالزئبق مقلوب في حوض زئبق.
• فرق الارتفاع الرأسي بين مستويي الزئبق عند سطح البحر نحو 760 mm.

• لماذا يعبر هذا الارتفاع عن الضغط الجوي؟ لأن عمود الزئبق في الأنبوب يتزن مع عمود الهواء الواقع فوق سطح الزئبق في الحوض، فضغط عمود الزئبق عند مستوى سطح الحوض يساوي الضغط الجوي: P = ρgh.
• كيف نستخدمه لتعيين ارتفاع جبل؟ نقيس ارتفاع الزئبق عند السفح وعند القمة؛ ينخفض بنحو 1 mm لكل 11–12 m تقريبًا، فيدل الفرق على الارتفاع.

وهو يطابق الضغط المعتاد.

• نقص الأكسجين في الأماكن المرتفعة: النسبة المئوية للأكسجين ثابتة (21%) لكن الضغط أقل، فتقل كمية الأكسجين في وحدة الحجم من الهواء، ويضع هذا النقص ضغطًا على الجسم مما يدفعه إلى التكيف بزيادة إنتاج خلايا الدم الحمراء الحاملة للأكسجين، فينقل الدم كمية أكبر من الأكسجين المتاح إلى الأنسجة.
• تأثير الضغط المنخفض على الأوعية: عند القمم العالية يكون الضغط الجوي منخفضًا، وقد يسبب الفرق بين الضغط داخل الجسم والضغط الخارجي المنخفض انفجار الشعيرات الدموية الدقيقة في الأنف لدى بعض المتسلقين.

مكونات الدم:

• الدم نسيج ضام متخصص يتكون من البلازما (المكوّن السائل الذي يحمل البروتينات والمغذيات والهرمونات والفضلات) وخلايا الدم: الحمراء (تحوي الهيموجلوبين الذي ينقل الأكسجين وجزءًا من CO₂)، والبيضاء (تحمي الجسم من البكتيريا والفيروسات والفطريات)، والصفائح الدموية (تشارك في تجلط الدم عند النزيف).

ضغط الدم:

• هو القوة التي يبذلها الدم أثناء دورانه على وحدة المساحات من جدران الأوعية.
• ويعبر عنه بقيمتين: الضغط الانقباضي (عند انقباض القلب) والانبساطي (عند استرخائه).
• والمعدل الطبيعي للبالغ الصحيح نحو \(\dfrac{120}{80} \,\text{mmHg}\).
• والحفاظ عليه ضروري لتوصيل الأكسجين والمغذيات إلى الأنسجة ولصحة القلب والأوعية.

ضغط النبض = 120 − 80 = 40 mmHg

ولذلك يتنفس المتسلق بوتيرة أسرع، ويزيد جسمه خلايا الدم الحمراء بعد أيام من التأقلم.

• يؤثر الضغط الجوي في الطقس والمناخ؛
• فالاختلاف الأفقي في الضغط يؤدي إلى حركة الهواء، إذ يتحرك الهواء من منطقة الضغط المرتفع إلى منطقة الضغط المنخفض فتهب الرياح.
• وللرياح عند سطح الأرض أنظمة عدة (الرياح التجارية والغربية والقطبية)، منها الرياح القطبية وهي رياح جافة باردة تهب من مناطق الضغط المرتفع حول القطبين إلى مناطق الضغط المنخفض في المناطق شبه القطبية.

• ويعود اختلاف الضغط أصلًا إلى اختلاف التسخين: فالهواء فوق منطقة ساخنة يتمدد ويرتفع فيقل ضغطه عند السطح، ويحل محله هواء أبرد من منطقة مجاورة.
• ولهذا تنشأ نسيم البر والبحر: نهارًا تسخن اليابسة أسرع من البحر فيرتفع هواؤها ويقل ضغطه، فتهب الرياح من البحر إلى البر، وليلًا ينعكس الاتجاه.

• تؤثر سرعة الرياح في توزيع الحرارة والرطوبة في الغلاف الجوي؛
• فالرياح القوية قد تؤدي إلى زيادة معدل التبخر وجفاف التربة وتقليل الرطوبة، وقد تسبب أضرارًا للنباتات والمنشآت.
• وتقاس سرعة الرياح بجهاز يسمى الأنيمومتر.
• وكلما زاد الفرق في الضغط بين منطقتين على مسافة معينة زادت سرعة الرياح.

• تؤثر الرياح الشديدة في النباتات، وقد تكسر السيقان أو تمزق الأوراق إذا لم تكن مدعومة بأنسجة قوية.
• لذلك تمتلك النباتات أنسجة دعامية تختلف في تركيبها:

1. النسيج البرنشيمي: يتكون من خلايا حية رقيقة الجدر (سليلوز) تشكل معظم الأنسجة اللينة في الأوراق والساق والجذور، وتحتوي بلاستيدات خضراء وفجوات عصارية كبيرة مملوءة بالماء والنشا والمعادن. ويعطي النبات قدرًا من الدعم بانتفاخ خلاياه بالماء (التوتر)، لكنه ضعيف إذا جفت الخلايا.
2. النسيج الكولنشيمي: خلايا أكثر طولًا من البرنشيمية وجدرها السليلوزية سميكة غير منتظمة (سليلوز وبكتين). يوفر قوة مع ليونة ومرونة للأجزاء النامية، ويوجد غالبًا أسفل بشرة الساق وعروق الأوراق، فيسمح للأجزاء بالانحناء مع الرياح دون كسر.
3. النسيج الإسكلرنشيمي: خلايا جدرها شديدة السماكة من السليلوز واللجنين، لا تنفذ الماء، وتكون عادة ميتة في النبات الناضج. يمنح صلابة وقوة كبيرة للنبات.

وتسمح هذه الأنسجة للنبات بالتوازن بين المرونة والصلابة: الأنسجة المرنة تتحمل الرياح الخفيفة والمتوسطة بالانحناء، والصلبة تدعم الهيكل الرئيس.

• لأن أعواد الذرة الحية تحتوي أنسجة كولنشيمية مرنة وخلاياها متوترة بالماء، فتنحني وترجع.
• أما العود الجاف فقد فقد الماء وجفت خلاياه وصارت أنسجته هشة فينكسر.

الرطوبة هي كمية بخار الماء الموجود في الهواء. ونسبة الرطوبة المرتفعة في المناطق الاستوائية تسبب أمطارًا غزيرة وتدعم نمو الغابات الكثيفة.

• وتعتمد الرطوبة على درجة حرارة الهواء وضغطه؛
• فكلما ارتفعت حرارة الهواء زادت قدرته على حمل بخار الماء.
• ويصل الهواء إلى حالة التشبع عندما يحتوي أقصى كمية من بخار الماء يمكنه حملها عند حرارة معينة.
• وتعرف الرطوبة النسبية بالعلاقة:

الرطوبة النسبية = (كتلة بخار الماء الموجودة فعلًا ÷ كتلة بخار الماء اللازمة للتشبع عند الحرارة نفسها) × 100%

وتقاس رطوبة الهواء بجهاز الهيجرومتر (مقياس الرطوبة).

الرطوبة النسبية = \[\begin{gathered}(15 \div 30) \times 100 =\;\color{#15803d}{\mathbf{50\%}}\end{gathered}\]

وإذا بُرِّد هذا الهواء إلى حرارة يكون عندها أقصى حمل 15 g فإنه يتشبع (نقطة الندى) ثم يتكثف الزائد.

• يشعر الإنسان بأكبر قدر من الراحة عندما تتراوح الرطوبة النسبية بين 40% و60%، إذ تعمل آليات الجسم الفسيولوجية مثل التعرق وتنظيم حرارة الدم بكفاءة.
• وتتحكم الرطوبة في كفاءة الجسم في التخلص من الحرارة الزائدة بالتعرق، حيث يمتص الماء الحرارة اللازمة لتبخره من الجسم.

• عند ارتفاع الرطوبة يصبح معدل تبخر العرق أبطأ، فيفقد الجسم قدرته على تبريد نفسه، فنشعر بالحرارة والإرهاق بسرعة، وقد يؤدي التعرض الطويل إلى إجهاد حراري.
• في الأجواء الجافة يتبخر العرق بسرعة كبيرة فيجف الجلد وتتشقق الشفاه، وقد يحدث جفاف للأغشية المخاطية في الأنف والجهاز التنفسي مما يزيد القابلية للالتهابات. كما أن فقدان الماء السريع يرفع خطر الجفاف (Dehydration).

• يحافظ جسم الإنسان على نسب معينة من الماء والأملاح بداخله فيما يعرف بعملية التوازن المائي (Osmoregulation).
• وبذلك يحافظ على ضغط الدم عند المستوى الطبيعي، ويضمن استمرار التفاعلات الحيوية داخل الخلايا، ويمنع حدوث الجفاف الذي قد يسبب الدوار أو الفشل الكلوي في الحالات الشديدة.

• مثال: عندما تكون الرطوبة منخفضة يفقد الجسم الماء بسرعة أكبر بالتعرق والزفير.
• وتستشعر مستقبلات خاصة في الدماغ هذا النقص، فتقوم الكليتان بإعادة امتصاص الماء من البول حتى يحافظ الجسم على مستوى ثابت من السوائل، ويصبح البول مركّزًا إذ يحتوي على كمية أقل من الماء.

• تتأثر بعض العمليات الحيوية بنسبة الرطوبة في الهواء.
• فمع زيادة الرطوبة النسبية للهواء المحيط بالنبات ينخفض معدل النتح (لأن بخار الماء في الهواء يقلل فرق التركيز الذي يدفع بخار الماء للخروج من الثغور)، مما يقلل معدل رفع الماء والأملاح من الجذر إلى الأوراق.
• وفي الإنسان يقل معدل تبخر العرق فتقل كفاءة خفض درجة الحرارة.

المعدل الجديد = \[\begin{gathered}12 \div 3 = 4 \,\text{mL}/h\end{gathered}\]

الفقد في 3 ساعات = 4 × 3 = 12 mL

النشاط الأول: قياس تأثير العوامل الفيزيائية.

• الهدف: فهم تأثير العوامل الفيزيائية في الغلاف الجوي.
• الأدوات: ترمومتر، بارومتر، هيجرومتر، أنيمومتر.
• الخطوات: تُقاس الحرارة والضغط والرطوبة وسرعة الرياح في أوقات مختلفة من اليوم في موقع ثابت، وتُسجل البيانات في جدول، ثم تُحلل كيف تؤثر تغيرات هذه العوامل في الطقس المحلي (مثلًا هبوط الضغط مع ارتفاع الرطوبة ينذر بالأمطار).

النشاط الثاني: تحليل بيانات الطقس.

• تُختار منطقتان مختلفتان (استوائية وقطبية)، وتقارن بيانات الحرارة والضغط والرطوبة وسرعة الرياح فيهما، ثم يُحلل أثرها في الحياة في كل منطقة.

بحث واستقصاء:

• إعداد عرض تقديمي عن التغير المناخي وتأثيره في النظم البيئية المحلية والعالمية، والإجابة عن سؤال: هل يمكن التنبؤ بالتغيرات البيئية والتكيف مع آثارها لضمان استدامة الحياة؟

الرطوبة النسبية في (أ) = \[\begin{gathered}9 \div 17 \times 100 \approx \;\color{#15803d}{\mathbf{53\%}}\end{gathered}\]

الرطوبة النسبية في (ب) = \[\begin{gathered}20 \div 40 \times 100 =\;\color{#15803d}{\mathbf{50\%}}\end{gathered}\]

• رغم أن (ب) يحتوي بخارًا أكثر فإن رطوبته النسبية أقل قليلًا لأن الهواء الأسخن يتسع لبخار أكثر.
• ولذلك تقيس الرطوبة النسبية لا كمية البخار وحدها.

الهبوط = \[\begin{gathered}760 - 700 = 60 \,\text{mm}\end{gathered}\]

الارتفاع = 60 × 11 = 660 m تقريبًا.

ملاحظات تطبيقية:

• تُغلق الأذن عند الصعود السريع في الطائرة لاختلاف الضغط على جانبي طبلة الأذن؛
• وتنتفخ كيس رقائق البطاطس عند الارتفاع لأن الضغط الخارجي يقل فيتمدد الهواء داخلها؛
• وتغلي المياه عند حرارة أقل في الجبال لأن ضغط الغلاف أقل (الدرس 1-4)؛
• ويستفيد الصيادون وملاحو السفن من البارومتر في التنبؤ بالعواصف إذ يسبق الهبوط السريع للضغط وصول المنخفضات الجوية.

• نسيان إضافة 273 عند التحويل إلى الكلفن، أو استخدام 273 بدل 32 وعامل 1.8 عند التحويل إلى الفهرنهايت.
• القول بأن الضغط الجوي يزداد بالارتفاع؛ الصواب أنه يقل.
• الخلط بين الميللي بار والباسكال؛ \[\begin{gathered}1 \,\text{mbar} = 100 \,\text{Pa}\end{gathered}\].
• القول بأن الرياح تهب من الضغط المنخفض إلى المرتفع؛ العكس هو الصحيح.
• الخلط بين الأنسجة النباتية: البرنشيمي لين ورقيق الجدر، والكولنشيمي مرن، والإسكلرنشيمي صلب ميت.
• القول بأن الرطوبة العالية تزيد التبخر؛ الصواب أنها تبطئه.

1. لماذا تعد الحرارة من أهم العوامل المناخية؟
2. حوّل 25°C إلى كلفن وفهرنهايت.
3. قارن بين التوصيل والحمل والإشعاع.
4. كيف يتكيف الضفدع الخشبي وسمك الجليد مع التجمد؟
5. عرّف الضغط الجوي، واذكر وحدات قياسه.
6. كيف يتكيف الجسم مع الضغط المنخفض في المرتفعات؟
7. اذكر أنواع الأنسجة النباتية الداعمة ودور كل منها.
8. كيف تؤثر الرطوبة في التعرق وفي النتح؟