logo

logo

logo

logo

logo

الأرصاد الجوية

ارصاد جويه

Meteorology - Météorologie

الأرصاد الجوية

نبيل حامد 

أهم تطبيقات الأرصاد الجوية المبادئ الأساسية في الأرصاد الجوية
التقنيات الحديثة للأرصاد الجوية تقنيات الأرصاد الجوية
الآفاق المستقبلية شبكات الأرصاد الجوية والتنبؤ

 

 

يهتم علم الأرصاد الجوية  meteorology بدراسة الغلاف الجوي  atmosphere للأرض، بهدف التنبؤ بأحوال الطقس اعتماداً على عدد من الموسطات من أهمها درجة الحرارة والضغط الجوي وبخار الماء. ويُعنى بالتغيرات التي تطرأ على تلك الموسطات مع الزمن وتأثيراتها المتبادلة.

المبادئ الأساسية في الأرصاد الجوية

الشكل (1): تغير درجة الحرارة والضغط بدلالة الارتفاع

الشكل (2): المسبار الراديوي

يحتوي الغلاف الجوي على مزيج من الغازات، يشكل غاز الآزوت (النتروجين) 78 % من حجمها الكلي، والأكسجين 21 %، وذلك بالقرب من سطح الأرض (أقل من8  كم). أما بخار الماء فهو موجود بنسب تختلف من مكان إلى آخر، ومتغيرة مع الزمن، ويشكل 4 % من الحجم الكلي في المناطق الاستوائية الحارة.  يتحول بخار الماء من غاز إلى سائل «ماء»، أو إلى صلب «جليد»، تبعاً لدرجة الحرارة والضغط الجوي، ويؤدي دوراً أساسياً في توازن الطاقة الحرارية للأرض.

تتركز جزيئات الهواء بسبب الجاذبية بالقرب من سطح الأرض، وتكون كثيفة، وتتناقص كثافة الهواء  بازدياد الارتفاع عن سطح الأرض. يمثل الضغط الجوي وزن جزيئات الهواء في واحدة السطح، وتكون قيمته 1000 ميلي بار عند مستوى سطح البحر، وينخفض ليصبح 500 ميلي بار عند ارتفاع 5.5 كم. في حين تنخفض درجة الحرارة 5.6 درجة عند كل ارتفاع بمقدار 1 كم، حتى ارتفاع 11 كم فوق سطح الأرض، لتثبت درجة الحرارة بعدها حتى ارتفاع 20 كم. يبين الشكل (1) منحني تغير كل من درجة الحرارة، والضغط في طبقات الغلاف الجوي.

تقنيات الأرصاد الجوية

الطقس هو حالة الغلاف الجوي في زمن وموقع محددين. يتغير الطقس على نحو مستمر مع الزمن، ويتضمن العناصر الآتية:

- درجة حرارة الهواء.

- الضغط الجوي.

- الرطوبة، وهي كمية بخار الماء في الهواء.

- الغيوم.

- الهواطل، الماء الساقط من الغيوم على سطح الأرض سواء كان مطراً أم ثلجاً أم بَرَداً.

- مدى الرؤية، وهو مسافة الرؤية العظمى.

- الرياح، وهي شدة حركة الهواء الأفقية واتجاهها.

يُقاس التوزع الشاقولي لدرجات الحرارة والضغط والرطوبة حتى ارتفاع 30 كم، بوساطة المسبار الراديوي (اللاسلكي) radiosonde، وهو صندوق صغير مجهَّز بأدوات قياس وجهاز إرسال، ومعلَّق بحبل مع مظلة ومنطاد، كما هو مبيّن بالشكل (2). يقوم المسبار الراديوي بتسجيل قياسات عناصر الطقس في أثناء صعود المنطاد، ويرسلها إلى الأرض على نحو مستمر، وهذا ما يسمح برسم مخططات التوزع الشاقولي لدرجات الحرارة والرطوبة وسرعة الرياح. ويطلق على هذه الإجرائية «سبر الأحوال الجوية» atmospheric sounding. وغالباً ما ينفجر المنطاد بعد مدة من إطلاقه ويسقط على الأرض لتقوم المظلة بإبطاء السقوط بهدف المحافظة على الأجهزة وإعادة استخدامها في وقت لاحق.

شبكات الأرصاد الجوية والتنبؤ

التنبؤ هو المعرفة المسبقة للتغيرات التي ستطرأ على حالة الغلاف الجوي. يتطلب التنبؤ معرفة الظروف المناخية الحالية ضمن منطقة واسعة، وهذا ما يستلزم توافر شبكة مكونة من آلاف محطات الرصد الموزّعة في أنحاء العالم.

يتوافر ما يزيد على عشرة آلاف محطة أرضية، ومئات السفن التي تقوم برصد معطيات المناخ أربع مرات في اليوم. وتقوم المطارات بالرصد على مدار الساعة، إضافة إلى الطائرات والمسَيّرات اللاسلكية والسواتل. تُرسل جميع بيانات الطقس إلى المراكز الوطنية للتنبؤ البيئي  National Centers for Environmental Prediction (NCEP) ، والتي تقوم بتحليلها وتحضير خرائط المناخ، والتنبؤ بالطقس على المستوى المحلي والعالمي. لا يُعدّ علم التنبؤ بالطقس من العلوم الدقيقةexact sciences ، ومن ثمَّ يمكن أن تكون التنبؤات خاطئة في بعض الأحيان.

إن قياس عناصر الطقس خلال مدة طويلة، وعلى نحو متكرر، يمكن من تحديد الطقس الوسطي   average weather أو ما يسمى المناخ؛ وهو يمثل التراكم اليومي والفصلي للأحداث المرتبطة بالطقس خلال مدة زمنية طويلة لمنطقة محدّدة. تؤدي معرفة الطقس والمناخ دوراً رئيسياً في حياة الانسان، فالطقس يملي عليه نوع الملابس التي يرتديها، في حين يفرض عليه المناخ نوع الملابس التي يشتريها.

أهم تطبيقات الأرصاد الجوية

يمكن للتنبؤ بالطقس إنقاذ الأرواح وحفظ الممتلكات والمحاصيل، كما يؤدي دوراً مهماً في تحديد النشاطات البشرية في العديد من المجالات، من أهمها:

أ- الملاحة الجوية والبحرية

تُعدّ التغيرات الجوية من أهم العوامل التي تؤثر مباشرة في الملاحة الجوية والبحرية والفضائية. لذا تساعد الخدمات التي تقدّمها مرافق الأرصاد الجوية على تجنب الكثير من الكوارث، سواء أكانت في نطاق الجو أم في البحر. وتقوم مرافق الأرصاد الجوية في خدمة الملاحة الجوية والبحرية بإصدار التقارير والتنبؤات الجوية الخاصة بالمطارات والموانئ العالمية. فبالنسبة إلى رحلات الطيران تصدر التقارير التي تضم بيانات عن الأحوال الجوية في المطارات من درجة حرارة وضغط واتجاه وسرعة الرياح، وتكون المدة الفاصلة بين كل تقرير وآخر نصف ساعة.

أما بالنسبة إلى الملاحة البحرية فتقوم المراكز الخاصة بالتنبؤ بإصدار التقارير البحرية التي تشمل أماكن العواصف وحركتها، والأحوال الجوية السيئة التي قد تتسبب بكوارث للسفن، وإصدار التحذيرات المناسبة حتى يتسنى اتخاذ الاحتياطات اللازمة لمواجهة الخطر واختيار المسارات الآمنة.     

ب- الزراعة

تعتمد إنتاجية المحاصيل الزراعية على الحالة الجوية إلى حد كبير. ومن ثمَّ تساعد المعرفة المُسبقة للعوامل الجوية السائدة في المناطق الزراعية المختلفة على اختيار أفضل المحاصيل التي تناسب كل منطقة، وكذلك أفضل أوقات السنة لبدء الزراعة، إضافةً إلى الاحتياجات المائية خلال مراحل نمو النبات المختلفة.

وبذلك تتضح أهمية معرفة العلاقة بين الغلاف الجوي والزراعة؛ ولتحقيق ذلك يجب توفر البيانات اللازمة من الناحيتين الجوية والزراعية. وقد أُنشئت محطات أرصاد جوية زراعية خاصة برصد المعلومات الجوية المعتادة من درجة حرارة الهواء والرطوبة والرياح وكمية الهطل ومركبات الإشعاع الشمسي، ورصد البيانات الزراعية التي تشتمل على درجة حرارة التربة ورطوبتها على أعماق مختلفة، وكمية البخر والعناصر الجوية على ارتفاعات مختلفة، وبذلك يمكن للباحثين تحديد مدى تأثير العناصر الجوية على نمو النبات وإنتاجيته، والحصول على أكبر إنتاجية زراعية ممكنة.

تؤثر الحالة الجوية تأثيراً كبيراً في انتشار الحشرات والآفات الزراعية الضارة بالنبات، إضافةً إلى كون حركة الجراد تعتمد إلى حد كبير على حركة الرياح، ومن ثمَّ يمكن التنبؤ بالأحوال الجوية الملائمة لانتشار هذه الحشرات والأمراض المرتبطة بها، بهدف اتخاذ الإجراءات اللازمة وتحديد الأوقات المناسبة لبدء عملية المكافحة ورش المبيدات، وأنسب الارتفاعات لها في ظروف جوية مناسبة لتحقيق أفضل النتائج بأقل التكاليف.

جـ- البيئة

أدى التطور المذهل في المجالين الصناعي والتقاني إلى زيادة معدلات التلوث البيئي. إذ ارتفعت معدلات المخلفات الصناعية الناتجة من المصانع، وأدت المواد الكيميائية والمبيدات الحشرية وعوادم السيارات إلى تلوث الهواء، وهذا ما دفع بالمنظمة العالمية للأرصاد الجوية  World Meteorological Organization (WMO)  لإنشاء برامج بحثية مثل برنامج البيئة وبحوث الغلاف الجوي Atmospheric Research and Environment Programme (AREP).  ويتلخص عمل الأرصاد الجوية في مجال البيئة في إنشاء محطات لقياس التلوث الهوائي وتجهيزها. وتجري هذه القياسات في المناطق النائية البعيدة عن العمران وأنشطة الإنسان لمراقبة التلوث العام لكوكب الأرض بعيداً عن أي ملوثات ناتجة من منطقة معينة.

تؤدي الأرصاد الجوية دوراً مهماً في مجال دراسة حركة الملوثات وتراكمها في الغلاف الجوي، وذلك بدراستها للهواء وحركته. فالأضرار الناتجة من انبعاث الملوثات تقل كثيراً إذا حركها الهواء إلى أعلى بعيداً عن سطح الأرض، أو إذا خف تركيزها بنشرها وتحركها أفقياً إلى مناطق بعيدة. كما أن الأضرار الناتجة من الملوثات تزيد ازدياداً كبيراً، إذا ساعدتها الحالة الجوية بأن تجعلها تتركز في منطقة محدودة قرب سطح الأرض.

وفي حال حدوث أي كارثة بيئية - كالانفجار الذي حدث في مفاعل تشيرنوبل عام 1986 - يصبح للأرصاد الجوية دور مهم في تتبع مسار الملوثات، وذلك بدراسة حركة الهواء الراهنة والمتوقعة في مختلف طبقات الهواء. وتجدر الإشارة إلى أن محطات الأرصاد الجوية هي الجهة الوحيدة التي تقوم بقياس كمية الأوزون في طبقات الجو العليا ومراقبة تغيراته على نحو منتظم.

د- المشروعات العمرانية وتخطيط المدن

تُستثمر المعلومات المتاحة من محطات الأرصاد الجوية المختلفة في التخطيط للمشروعات الصناعية، وذلك باختيار أنسب المواقع لها بحيث يكون تأثير التلوث البيئي الناتج منها أقل ما يمكن. ويدخل في ذلك دراسة استقرارية طبقة الغلاف الجوي القريبة من سطح الأرض، والتي تساعد في الحدّ من انتشار الملوثات، بدراسة الرياح بحيث يكون هذا الانتشار بعيداً عن المناطق السكنية.

أما بالنسبة إلى تخطيط المدن فيكمن دور الأرصاد الجوية في دراسة حركة الرياح في المدينة بحيث يكوّن لها مسارها، أي أن يكون تخطيط الشوارع موازياً لحركة الرياح، لكي يتم التخلص آنياً من الملوثات الناتجة من عوادم وسائل النقل. كما يتوجب في تصميم المشروعات العمرانية مراعاة التهوية المناسبة، وإنشاء شبكات تصريف مياه الأمطار بما يحقق استيعاب أعلى كثافة ممكنة لكمية الأمطار.

تساعد الدراسات الجوية على اختيار أنسب المواقع والجدوى الاقتصادية لاستخدام الطاقة النظيفة والمتجددة،  كطاقة الرياح والإشعاع الشمسي، وهذا ما يساعد على التقليل من التلوث البيئي.

هـ - التحذير من الكوارث الطبيعية

تقوم مراكز الأرصاد الجوية بالتحذير من الكوارث الطبيعية مثل الأعاصير الاستوائية والعواصف الترابية والسيول والفيضانات، وذلك باستخدام السواتل؛ إذ تقوم المراكز بمراقبة تلك الظواهر منذ نشأتها، وبمتابعتها طوال مدة سيرها، وتوقع اتجاهها، وإطلاق التحذيرات المناسبة لعمليات الإخلاء إذا تطلب الأمر ذلك. ومن ثمَّ تستطيع الجهات المسؤولة، كالدفاع المدني، أداء وظيفتها على أكمل وجه في حال حدوث فيضانات وجريان للسيول.

التقنيات الحديثة للأرصاد الجوية

الشكل (3): صورة حرارية للأرض

الشكل (4): صورة للأرض بمجال الأشعة تحت الحمراء

الشكل (5): صورة ساتلية لبخار الماء

ليس بمقدور شبكات الرصد الأرضية - مهما بلغ اتساعها - رصد حالة الغلاف الجوي رصداً مستمراً، وخاصة في المناطق النائية. واستطاعت سواتل الطقس (الأرصاد الجوية) meteorological satellites التغلب على تلك المعضلة بصعوبة كبيرة. كما أسهمت بمراقبتها للأرض لسنوات عديدة في اكتشاف أشكال الطقس والمناخ، ودراستها وصولاً إلى فهم آلية عمل الغلاف الجوي. تُعدّ الصور المأخوذة بوساطة تلك السواتل، مصدراً وفيراً للمعلومات اللازمة للتنبؤ بالطقس لمدة قصيرة (من 6 إلى 12 ساعة) اعتماداً على التحليل البصري السريع لها، إضافةً إلى كونها مصدر معلومات حيوياً لبرامج النمذجة المستخدمة في التنبؤ لمدة زمنية طويلة تصل إلى 10 أيام، إذ توفر البيانات المتعلقة بدرجات حرارة سطح البحر، وشدة الرياح فوق البحار، وحركة الغيوم، والهطل المطري ومعدلاته.

تتميز سواتل الطقس بسمات عديدة من أهمها:

 - تحتوي على المحسّات اللازمة لإجراء القياسات المناخية، وتقوم بإرسال المعلومات إلى المحطات الأرضية دورياً.

 - تقوم بتجميع المعطيات من محطات الرصد الأرضية المتوضعة في المناطق البعيدة والمحيطات.

 - توفر تبادل المعطيات المناخية بين مراكز التنبؤ لتسريع عمليات التنبؤ والتحذيرات للأفراد والمنظمات.

تُصنّف سواتل الطقس - بحسب مدارها - في فئتين:

 - السواتل ذات المدار القطبي polar:  تقع على ارتفاع 850 كم عن سطح الأرض تقريباً، وتقوم بمسح رقعة من الأرض swath  عرضها 2600 كم، وتقوم بإتمام دورة كاملة حول الأرض مرتين في اليوم.

 - السواتل الثابتة بالنسبة إلى الأرض geostationary :  تدور على ارتفاع 36000 كم تقريباً عن خط الاستواء، وتتم دورة واحدة حول الأرض في اليوم. تمتاز بقصر زمن تكرار الصور image repetition time حيث توفر صورة كاملة للأرض كل 30 دقيقة، لكنها تمتلك مَيْزاً resolution فضائياً منخفضاً مقارنة بالسواتل ذات المدار القطبي، إضافة إلى أن تغطيتها غير فعالة خارج خطيّ العرض 70 درجة شمالاً وجنوباً. يبين الشكل (3) صورة حرارية للأرض مأخوذة من أحد سواتل منظومة متيوسات Meteosat التي تستخدم المدار الثابت بالنسبة إلى الأرض.

 تعتمد المحسّات المستخدمة في السواتل عموماً على قياس الامتصاص absorption، أو الإصدار (الانبعاث) emission، أو الانعكاس للأشعة الصادرة عن الأجسام، وتتعلق كميتها بطول الموجة ودرجة حرارة  الجسم. إذ تصدر الأجسام كمية من الأشعة الكهرطيسية تزداد بارتفاع درجة حرارتها، وتتأثر كمية الأشعة الصادرة أيضاً بنوع الجسم، أي إن لكل مادة انبعاثية  emissivity خاصة بها ، تكون قيمتها أصغر من الواحد لأي جسم، باستثناء الجسم الأسود black body   الذي يتميز بأنه يمتص كل الأشعة الواردة إليه، وتكون انبعاثيته مساوية للواحد

ومن ثمَّ تسمح تلك القياسات بمعرفة معلومات حول نوعية الأجسام ودرجة حرارتها ونسبة الرطوبة والغازات، ويمكن بوساطة برامج المعالجة الرقمية حساب خشونة سطح المحيط، وسرعة الرياح السطحية واتجاهاتها باستخدام المحسات الرادارية أو مقاييس التبعثر scatterometer  أو مقاييس الاستقطاب  polarimeter. وتؤخذ الصور الساتلية بإحدى الطرق الآتية:

- صور بالطيف المرئي visible: من انعكاس ضوء الشمس في المجال المرئي وتحت الأحمر القريب  (0.4 µm - 1.1µm)

- صور بالمجال تحت الأحمر   infrared (IR)من الإصدار الحراري للأرض والغلاف الجوي في المجال تحت الأحمر الحراري (12 µm – 10 µm) ، ويبين الشكل (4) صورة ساتلية في مجال الأشعة تحت الحمراء.

- صور عن الإصدار الناتج من بخار الماء  (6-µm 7)، كما هو مبيّن بالشكل (5).

- صور بمقياس الإشعاع المِكروي microwave radiometer   وميزتها عدم تأثرها بالغيوم، ولها أهمية كبيرة في قياس درجة حرارة سطح البحار، وسرعة الرياح، وكمية بخار الماء فوق سطح المحيط، ونسبة الماء في الغيوم، وفي تحديد أماكن الهطل المطري أو الثلجي.

تُعدّ سواتل الطقس العائدة لإدارة المحيطات والغلاف الجوي الوطنية National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)  الأمريكية من أهم سواتل الطقس القطبية المدار، فهي مزوّدة بعدة حمولات مفيدة payload  منها:

مقياس إشعاع متقدم ذو ميْز عالٍ جداً  Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR)  تبلغ قدرة الميز 1.1 كم، وفيه خمس قنوات طيفية تغطي من المجال المرئي حتى تحت الأحمر الحراري، تُستخدم في رسم الغيوم ورسم حدود المسطحات المائية.

المسبار الشاقولي العملياتي تيروس  TIROS Operational Vertical Sounder (TOVS)، وفيه مسبار حراري له قدرة ميز عالية، ومسبار يعمل بالأمواج المِكروية، ويُستخدم للحصول على قياسات شاقولية لدرجات الحرارة والرطوبة في طبقة التروبوسفير من الغلاف الجوي.

الميزانية الإشعاعية للأرض  Earth Radiation Budget (ERB)، وتعطي الفرق بين امتصاص الأشعة الشمسية والفقدان الحراري في الفضاء، بوساطة الانعكاس أو الإصدار على كامل سطح الكرة الأرضية.

أما الساتل الهندي إنسات  INSAT فهو مثال على السواتل المتزامنة مع الأرض، وله قدرة ميز 2 كم في المجال المرئي، و8 كم في المجال الحراري وبخار الماء. ويقوم بإرسال صورة كاملة للهند كل نصف ساعة، إضافةً إلى استقبال معطيات منصات قياس الطقس المنتشرة في كافة أطراف الهند وتوزيعها.

الآفاق المستقبلية

يجري العمل حالياً على  تطوير المحسّات المحمولة على سواتل الطقس بحيث تصبح قادرة على سبر الغلاف الجوي شاقولياً، لإعطاء معلومات عن درجات الحرارة والرطوبة والرياح في طبقات الغلاف الجوي المختلفة، وللوصول إلى دقة أكبر في قياسات محددات الطقس، ومن ثمَّ تحسين القدرة على التنبؤ بتغيراتها.

مراجع للاستزادة:

- S .Ackerman & J. Knox, Meteorology: Understanding the Atmosphere, Jones & Bartlett Publishers, 2011.

- C. D. Ahrens, Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment, Cengage Learning, 2007.

- R . Guzzi, Exploring the atmosphere by remote sensing techniques, Springer, 2010.

- F. K. Lutgens, E. J. Tarbuck and D. Tasa, The Atmosphere: An Introduction to Meteorology, Pearson Prentice Hall, 2007.

- S. Raghavan, Radar Meteorology, Springer, 2011.


التصنيف : التقانات الصناعية
النوع : التقانات الصناعية
المجلد: المجلد الأول
رقم الصفحة ضمن المجلد : 533
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1040
الكل : 43822531
اليوم : 105926