الإشعاع الشمسي
تعتبر الشمس المصدر الأساسي لحرارة الكرة الأرضية، وذلك عن طريق الأشعة الشمسية التي تصل إليها. يجدر بنا، قبل تعريف الإشعاع الشمسي، أن نتعرض إلى مفهوم الطيف الضوئي، لما له من علاقة مع هذه الظاهرة. إن عملية الإشعاع لها علاقة مع حرارة الجسم المشع. فالشمس التي تقدر حرارتها بحوالي 6000 درجة مئوية (م ° )، تشع في حدود 0.5 ميكرون، أي في الجزء المرئي من الطيف الضوئي.
الطيف الضوئي :
هو مجموع الأشعة الشمسية الصادرة من الشمس والواصلة إلى سطح الكرة الأرضية. يتكون هذا الطيف الضوئي، من حيث أطوال الموجات من عدة أنواع من الأشعة نذكر منها: أشعة قاما، وأشعة س، والأشعة ما تحت الحمراء، والأشعة ما فوق البنفسجية...الخ.
تعريف الإشعاع الشمسي :
يعرّف العلماء الإشعاع الشمسي على أنه: "ما أراه بعيني وما أحس به" ( MORIKOFFER ). أي أن الإنسان يمكن أن يرى أشعة الشمس، أو أن يحس بمفعولها، كما يمكن أن يدرك الظاهرتين (الرؤية والإحساس).
أما من الناحية الفيزيائية، فالإشعاع الشمسي عبارة عن ظاهرة تموجية تنطلق من الشمس في اتجاه الكرة الأرضية، خارقة الغلاف الغازي. وتنقسم الأشعة الشمسية (كونها ظاهرة تموجية)، إلى ثلاثة أنواع من حيث طولها:
* أشعة طويلة: تكون في الغالب مائلة وتصل إلى المناطق القطبية. وهي ذات تركيز حراري ضعيف.
* أشعة متوسطة: تصل هذه الأشعة، في غالب الأحيان، إلى المناطق المدارية. وهي ذات تركيز حراري متوسط.
* أشعة قصيرة: تكون دائما عمودية، وتصل إلى المنطقة الاستوائية. وهي ذات تركيز حراري عالي.
إن هذا الاختلاف، في خصائص هذه الأشعة، يؤثر على عملية وصول هذه الأشعة الشمسية إلى سطح الكرة الأرضية.
كمية الأشعة الشمسية التي تصل إلى سطح الكرة الأرضية والعوامل المتحكمة فيها :
تختلف كمية الأشعة الشمسية التي تصل إلى سطح الكرة الأرضية باختلاف الزمان والمكان غير أن هذا الاختلاف لا يتعدى نسبة 5 %. يفسر هذا الاختلاف بتغير المسافة الفاصلة بين الشمس والكرة الأرضية. إن هذه الكمية التي تتلقاها الكرة الأرضية تسمى بالثابت الشمسي، قدرت قيمة هذا الثابت ب: 2 حريرة / سم 2 / دقيقة.
إذن، فالغلاف الغازي يقف كحاجز بين الشمس وسطح الكرة الأرضية، بحيث لا يسمح بوصول كل أشعة الشمس إلى سطح الكرة الأرضية. إن تأثير الغلاف الغازي على كمية الأشعة الشمسية التي تصل إلى سطح الكرة الأرضية، يتجلى في أربعة عوامل هي: الليل والنهار، والفصول، وزاوية ورود أشعة الشمس، وسمك الغلاف الغازي.
1- الليل والنهار: تنتج ظاهرتي الليل والنهار عن دوران الأرض حول نفسها؛ فالجزء المقابل لأشعة الشمس (المضيء) يسمى بالنهار، أما الجزء غير المقابل لأشعة الشمس (المظلم) فيسمى بالليل. تتم هذه الدورة في يوم (ليل + نهار). إن ظاهرتي الليل والنهار لها تأثير على كمية الأشعة الشمسية التي تصل إلى سطح الكرة الأرضية؛ حيث إن النهار يعني وصولها، أما الليل فيعني غيابها. إن مجموعهما يساوي 24 ساعة. غير أن طولاهما يختلف من زمن لآخر. فأحيانا يطول الليل مقارنة بالنهار، وأحيانا أخرى يحدث العكس.
2- الفصول: تدور الأرض حول الشمس في مسار إهليلجي ؛ تبتعد عن الأرض أحيانا وتقترب منها أحيانا أخرى. تسمى أقصى مسافة بين الأرض والشمس بالأوج الشمسي، أما أدنى مسافة فتسمى بالحضيض الشمسي. تمر الكرة الأرضية في دورانها حول الشمس بأربع وضعيات:
* الاعتدال الربيعي: يحدث يوم 21 مارس، وهو بداية فصل الربيع. في هذا اليوم يتساوى طول الليل والنهار في كافة نقاط الكرة الأرضية.
* الانقلاب الصيفي: يلي الاعتدال الربيعي، ويحدث يوم 21 جوان وهو بداية فصل الصيف ونهاية فصل الربيع. في هذا اليوم يصل طول النهار أقصاه في النصف الشمالي للكرة الأرضية.
* الاعتدال الخريفي: يأتي بعد الانقلاب الصيفي، ويحدث يوم 21 سبتمبر وهو بداية فصل الخريف ونهاية فصل الصيف. في هذا اليوم يتساوى طول الليل والنهار في كافة نقاط الكرة الأرضية.
* الانقلاب الشتوي: يحدث بعد الاعتدال الخريفي، ويكون ذلك يوم 21 ديسمبر وهو بداية فصل الشتاء ونهاية فصل الخريف. في هذا اليوم يصل طول الليل أقصاه في النصف الشمالي للكرة الأرضية.
ملاحظة : هذه الوضعيات خاصة بالنصف الشمالي للكرة الأرضية. أما في النصف الجنوبي، فالوضعية عكس ذلك.
على مستوى الكرة الأرضية، يكون الليل مساويا للنهار في المنطقة الاستوائية مهما كانت الوضعية (الانقلابان والاعتدالين).
في النصف الشمالي للكرة الأرضية، يكون الليل أطول من النهار وذلك من يوم الاعتدال الخريفي (21 سبتمبر) حتى يوم الاعتدال الربيعي (21 مارس). يصل أقصى طول له يوم الاعتدال الشتوي. لا تبزغ الشمس يوم 21 ديسمبر (الانقلاب الشتوي) على أقصى نقطة في القطب الشمالي، أي أن الليل يصل طوله إلى 24 ساعة، وينعدم النهار في ذلك اليوم، أي أن الليل يكون أطول من النهار وذلك لمدة ستة أشهر.
تنعكس الآية، من يوم الاعتدال الربيعي (21 مارس) إلى يوم الاعتدال الخريفي (21 سبتمبر)، في نفس المكان أي النصف الشمالي للكرة الأرضية، حيث يكون النهار أطول من الليل. يبلغ النهار في هذه المدة أقصى طول له (24 ساعة)، يوم الانقلاب الصيفي (21 جوان). في هذا اليوم لا تغيب الشمس عن أقصى نقطة في القطب الشمالي. تسمى هذه الظاهرة (عدم غروب الشمس) بشمس منتصف الليل، حيث ترى الشمس عند منتصف الليل. أي أن النهار يكون أطول من الليل وذلك لمدة ستة أشهر (انظر الشكل رقم: 2).
شكل رقم 2: الفصول الفلكية
يتجلى تأثير الفصول على كمية الأشعة الشمسية التي تصل إلى سطح الكرة الأرضية في طول النهار بالنسبة إلى الليل. ففي فصل الصيف يصل طول النهار إلى أقصاه (في النصف الشمالي للكرة الأرضية)، أي أن الإشعاع يصل أقصاه. أما في فصل الشتاء (في النصف الشمالي للكرة الأرضية)، فالنهار يصل أدنى طول له، أي أن كمية الإشعاع تتضاءل بشكل كبير.
3- زاوية ورود أشعة الشمس: يقصد بزاوية ورود أشعة الشمس، كيفية سقوط هذه الأشعة على سطح الكرة الأرضية؛ فقد تكون عمودية أو مائلة، فالإشعاع الشمسي يبلغ أقصاه في حالة ورود أشعة الشمس بشكل عمودي على سطح الكرة الأرضية. وكلما زاد ميل هذه الأشعة كلما قلت الكمية التي تصل إلى سطح الكرة الأرضية، أي أن العلاقة بين كمية الأشعة الشمسية التي تصل إلى سطح الكرة الأرضية وزاوية ورود هذه الأشعة هي علاقة عكسية؛ بمعنى إذا كانت زاوية الورود تساوي 90 ° (زاوية عمودية)، فالإشعاع يبلغ أقصاه، أما إذا كانت الزاوية مائلة بمقدار 30 ° فالإشعاع يقل بنسبة 50%. هذه العلاقة يسميها علماء المناخ بقاعدة Lambert .
إن تفسير هذه العلاقة يكمن في المساحة التي يغطيها شعاع الشمس عند وصوله إلى سطح الكرة الأرضية؛ فالشعاع العمودي يغطي مساحة أقل من تلك التي يغطيها الشعاع المائل. إذا فرضنا أن الطاقة الحرارية لذات الشعاع هي نفسها، فإنها تتوزع على مساحة أكبر في حالة الشعاع المائل، وعلى مساحة أقل في حالة الشعاع العمودي.
إن النتيجة التي تترتب عن هذه القاعدة تتجلى على سطح الكرة الأرضية؛ حيث نجد أن المنطقة الاستوائية التي تصلها أشعة الشمس بشكل عمودي تتميز بارتفاع درجة حرارتها، أما المناطق القطبية التي تصلها أشعة بشكل مائل، فتتميز بانخفاض درجة حرارتها (انظر الشكل رقم: 3).
4- سمك الغلاف الغازي: قبل أن نبين أثر سمك الغلاف الغازي على كمية الأشعة الشمسية التي تصل إلى سطح الكرة الأرضية، يجب أن نبين مفهوم هذا السمك. سبقت الإشارة إلى تمدد الغلاف الغازي في المنطقة الاستوائية وتقلصه في المنطقة القطبية، غير أنه يجب أن نفرق هنا بين مفهوم كتلة الغلاف الغازي من جهة، وسمك الغلاف الغازي من جهة ثانية.
فسمك الغلاف الغازي، يعني ذلك الامتداد العمودي فوق سطح الكرة الأرضية، أما كتلته فيقصد بها الثقل الذي يمارسه هذا الغلاف الغازي على سطح الكرة الأرضية. إذن، قد يكون السمك صغيرا ولكن ثقله أكبر نظرا لكثافة المادة، وقد يكون السمك أكبر غير أن ثقله أقل لتخلخل المادة؛ ففي المناطق الاستوائية، يكون سمك الغلاف الغازي كبيرا لكن ثقله أقل لتمدده، أما المناطق القطبية فسمك الغلاف الغازي فيها قليل لكن ثقله أكبر لتقلصه.
إن الأشعة الشمسية تنطلق من مصدرها في اتجاه سطح الكرة الأرضية عابرة كتلة من الغلاف الغازي. تؤثر هذه الكتلة على كمية الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الكرة الأرضية بفعل عوامل ثلاثة:
* الامتصاص: تنطلق أشعة من مصدرها وهي ذات حرارة عالية، عند عبورها لكتلة الغلاف الغازي، تتعرض هذه الطاقة الحرارية إلى عملية امتصاص من طرف مكونات الغلاف الغازي، خاصة بعض الغازات كالأوزون وبخار الماء.
* الانعكاس: يصطدم شعاع عند اختراقه لكتلة الغلاف الغازي، بأجسام صلبة كالشظايا الجليدية وذرات الغبار ومختلف النفايات العالقة بالغلاف الغازي. إن هذا الاصطدام يمنع وصول هذا الشعاع الشمسي إلى سطح الكرة الأرضية، تبقى تلك الطاقة الحرارية ضمن الغلاف الغازي.
تتم هذه العملية أيضا، على مستوى سطح الكرة الأرضية. إن هذا السطح، وهو المتلقي لأشعة الشمس، يقوم بعكس أشعة الشمس، وهو ما يسمى بعملية الانعكاس أو Albédo . غير أن هذه العملية تختلف من جسم إلى آخر؛ فالأجسام ذات اللون الأبيض أكثر امتصاصا من تلك التي يكون لونها قاتم. أما الأجسام قليلة التماسك فهي أقل عكسا لأشعة الشمس من تلك التي تكون أكثر تماسكا (انظر الجدول رقم 1).
جدول رقم 1: قيمة الانعكاس لبعض الأسطح
نوعية السطح | معامل الإنعكاس |
الرمال | 0.35 |
تربة مبللة | 0.10 |
غابة الصنوبر | 0.15 |
الثلج | 0.70 |
السحب متوسطة الارتفاع | 0.48 |
* التبعثر: إن عملية التبعثر تحدث عند الاصطدام المتكرر لأشعة الشمس بالأجسام الموجودة في الغلاف الغازي. إن هذه الأجسام عبارة عن قطرات مائية، أيونات مكهربة، ذرات الغبار العالقة بالغلاف الغازي. إن عملية التبعثر تمس أكثر الأشعة ما تحت الحمراء.
إن تأثير سمك الغلاف الغازي على كمية الأشعة الشمسية، التي تصل إلى سطح الكرة الأرضية، مرتبط بزاوية الورود؛ فالشعاع العمودي يخترق مسافة أقل، أما الشعاع المائل فيعبر مسافة أكبر،حيث تتضاعف الكتلة، مقارنة بالزاوية العمودية عند الزاوية 30 ° . إن هذا التأثير يعبر عنه بقانون Bouguer .
قياس الإشعاع الشمسي :
تقدر ظاهرة الإشعاع الشمسي أو التشمس بمدة إطلالة الشمس، فهي تتعلق بطول النهار وكذا بالفصل. يرصد أعوان الرصد الجوي ساعتي الشروق والغروب. إن الفرق الزمني بين هذين التوقيتين يساعد على تقدير مدة الإشعاع أو التشمس.
كما يلجأ علماء الرصد الجوي إلى قياس مدة التشمس باستعمال جهاز المشماس. وهو عبارة عن كرة زجاجية يوضع بداخلها ورق خاص. يتغير لون هذا الورق نتيجة لتركيز أشعة الشمس على هذه الكرة، حيث يصبح لونه بني قاتم بعدما كان أصفرا باهتا. يساعد هذا الجزء الذي تغير لونه على تحديد مدة الإشعاع. يجب أن يوضع هذا الجهاز بعيدا عن كل ما من شأنه أن يحجب عنه أشعة الشمس.
حصيلة الإشعاع الشمسي :
يجدر بنا في الأخير، طرح الأسئلة الآتية: ما حصيلة الإشعاع الشمسي على مستوى سطح الكرة الأرضية؟ هل هناك تراكم لهذه الظاهرة ممّا يؤدي إلى تزايد الحرارة؟ هل هذه الحصيلة سلبية ممّا يؤدي إلى تناقص حرارة سطح الكرة الأرضية؟
إن الإجابة عن هذه الأسئلة تستلزم استعراض ما يكسبه سطح الكرة الأرضية وما يفقده من هذه الأشعة الشمسية. إن هذه الحصيلة متوازنة على مستوى سطح الكرة الأرضية. يفسر هذا التوازن بدور كل من الغلاف الغازي (امتصاص، تبعثر، وانعكاس) وسطح الكرة الأرضية.
فالغلاف الغازي الذي يلعب دور الواقي، لا يسمح إلاّ بمرور جزء يسير من الأشعة الشمسية. يقوم سطح الكرة الأرضية نهارا، بامتصاص جزء كبير منها. يقوم هذا السطح ليلا، بإعادة ما امتصه نهارا إلى الغلاف الغازي. تلعب نوعية التربة دورا مهما في عمليتي الامتصاص (نهارا) والإعادة (ليلا). تسمى عملية الإعادة بالإشعاع الأرضي. فالترب المتماسكة، كالطين مثلا، ضعيفة الامتصاص ومن ثم فإشعاعها ليلا يتم في فترة قصيرة جدا. أما الترب غير المتماسكة، كالرمال، قوية الامتصاص وبالتالي ففترة إشعاعها ليلا تكون أطول.
