الأجواء العليا (علم-)

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الأجواء العليا (علم-)

اجواء عليا (علم)

Aeronomy - Aéronomie

الأجواء العليا (علم( -

محمد وليد الجلاد

طبقات الغلاف الجوي الأرضي

الجو الأوسط

الإشعاع الشمسي

الجو العلوي

الأجواء العليا للكواكب الأخرى

علم الأجواء العليا Aeronomy علم يدرس الطبقات العليا من الأغلفة الجوية atmosphere للأرض والكواكب الأخرى. وقد غدا هذا المصطلح رسمياً مع تبني الاتحاد الدولي للجيوديزية والجيوفيزياء International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) له في عام 1954 . ويُعدّ فرعاً من فروع الفيزياء الجوية atmospheric physics، ويُعنى - فيما يخص الأرض - بدراسة كيمياء الأجزاء العلوية من الغلاف الجوي الأرضي وفيزيائها، إضافةً إلى التبدلات الناجمة عن القوى الخارجية والداخلية فيها.

تؤثر خصائص الجو الكيميائية والفيزيائية والتبدلات التي تنجم عن القوى الخارجية والداخلية في كل طبقات الغلاف الجوي، كما تؤثر في توزع الذرات والجزيئات والإيونات والإلكترونات فيها سواء من حيث التركيب أم الكثافة. وتشاهد في الأجواء العليا المؤثرات الديناميكية للحركات الجوية الشاقولية والأفقية، وتنتقل الطاقة فيها بوساطة الإشعاع radiation والتفاعلات الكيميائية والناقلية conduction والحمل الحراري convection وانتشار الأمواج wave propagation.

وعليه فإن علم الأجواء العليا هو مجال متنوع المعارف يجمع بين الكيمياء والفيزياء وهندسة الكهرباء والرياضيات، ويتعامل مع كل ما يتصل بهذه المجالات من النواحي النظرية والمحاكاة والنمذجة والمختبرات والتجارب الحقلية. تشمل بحوث هذا العلم استخدام الأجهزة البصرية ومعدات الرادار الأرضية المتخصصة والسواتل والصواريخ ومناطيد الرصد الجوي، إضافةً إلى الموارد الحاسوبية المحلية والإقليمية والعالمية. ولما كان علم الأجواء العليا غير مقيد بعلوم الأرض تستعمل التقانات البصرية والرادارية وتقانات الاستشعار من بعد أيضاً لدراسة أجواء الكواكب الأخرى في المنظومة الشمسية.

طبقات الغلاف الجوي الأرضي

يتغير الغلاف الغازي المحيط بالأرض مع تزايد الارتفاع عن سطح الأرض. وقد أمكن تحديد خمس طبقات مختلفة، بحسب الخصائص الحرارية (تغيرات درجة الحرارة) والتركيب الكيميائي والحركة والكثافة، وهي:

الشكل (1) طبقات الغلاف الجوي وتغير درجات الحرارة والكثافة بدلالة الارتفاع

- التروبوسفير troposphere : تبدأ هذه الطبقة - وهي الطبقة من الغلاف الجوي التي نحيا فيهــا - من سطح الأرض، في حين يختلف ارتفاع هذه الطبقة من خط الاستواء (قرابة 20 كم) إلى القطبين (قرابة 6 كم). وبالارتفاع تدريجياً عن سطح الأرض تتناقص درجات الحرارة من 17 درجة مئوية (17°C ) وسطياً إلى 51 درجة مئوية تحت الصفر (- 51 °C ) وتحدث معظم ظواهر الطقس في هذه الطبقة. ويطلق على الحدود الفاصلة بين التروبوسفير والطبقة التي تعلوها اسم التروبوبوز tropopause، ويشكل كل من التروبوسفير والتروبوبوز ما يدعى الجو (الغلاف الجوي) الأدنى lower atmosphere.

- الستراتوسفير Stratosphere: تمتد هذه الطبقة من قمة التروبوسفير إلى ارتفاع 50 كم تقريباً عن سطح الأرض. وتزداد الحرارة في هذه الطبقة بدلالة الارتفاع من 51 درجة مئوية تحت الصفر عند التروبوبوز إلى 15 درجة مئوية تحت الصفر (-15°C ) عند أعلى الستراتوسفير. ويطلق على الحدود الفاصلة بين الستراتوسفير والطبقة التي تعلوها اسم الستراتوبوز stratopause.

- الميزوسفير mesosphere: تبدأ هذه الطبقة من أعلى الستراتوسفير إلى ارتفاع 90 كم تقريباً عن سطح الأرض. وتتناقص درجة الحرارة، وسطياً، من 15 درجة مئوية تحت الصفر إلى 120 درجة مئوية تحت الصفر (-120°C ) ويشكل كل من الستراتوسفير والميزوسفير ما يدعى الجو (الغلاف الجوي) الأوسط middle atmosphere. ويطلق على الحدود الفاصلة بين الميزوسفير والطبقة التي تعلوها اسم الميزوبوز mesopause.

- الترموسفير thermosphere: تمتد هذه الطبقة من أعلى الميزوسفير إلى ارتفاع 600 كم تقريباً عن سطح الأرض. ويطلق على هذه الطبقة اسم الجو (الغلاف الجوي) الأعلى upper atmosphere. وتزداد درجات الحرارة بازدياد الارتفاع في هذه الطبقة، وقد تصل إلى قرابة 2000 درجة مئوية (2000°C ) عند أعلى الترموسفير.

- الإكزوسفير exosphere: وتشكل الطبقة الخارجية من الغلاف الجوي الأرضي، وتمتد من أعلى الترموسفير إلى قرابة 10000 كم ارتفاعاً عن سطح الأرض. وتدور السواتل حول الأرض في هذه الطبقة.

ويبين الشكل (1) طبقات الغلاف الجوي الأرضي المختلفة والحدود الفاصلة بينها، إضافةً إلى تغير درجات الحرارة (بواحدة الكلفن (ك) kelvin (K) ) والكثافة (عدد الذرات والجزيئات في المتر المكعب الواحد) في ذروة النشاط الشمسي بدلالة الارتفاع.

الجو الأوسط

في الجو الأوسط، أي المنطقة الجوية التي تتوسط بين التروبوبوز والميزوبوز، تختلف درجات الحرارة الوسطية المبينة في الشكل (1)، باختلاف الفصول والحرارة والرياح تبعاً لتأثير الشمس في الجو. كما تختلف كثافة الجو بما يزيد على خمس مراتب five orders of magnitude . ومع وجود وزن جزيئي وسطي وثابت في هذه المنطقة - أي وجود وفرة ثابتة نسبياً من جزيئات الأكسجين والآزوت (النتروجين)، وهي المكونات الرئيسية للجو - يوجد عدد من المكونات الأقل أهمية التي لها تأثير عميق في المحيط الحيوي biosphere، وتأثير متزايد على التبدلات الحادثة في الجو تحت طبقة التروبوبوز مترافقة مع الطابع العام للتبدلات في العالم. ويطلق على هذه المكونات اسم «غازات الدفيئات» greenhouse gases (بخار الماء والأوزون وثاني أكسيد الكربون والميتان ومركبات الكلور وأكاسيد الآزوت والكلوروفلوروكربونات)، وكلها موجودة في الجو الأوسط.

يتطلب وضع نموذج لمنطقة المحيط الجوي هذه؛ دراسة التبدلات التي تطرأ على الشمس، وعلى منظومات الرياح الأفقية والشاقولية، ومعدلات التفاعل reaction rates والثوابت الزمنية time constants التي لها علاقة بكل العمليات الكيميائية والإشعاعية التي تتحكم بتوزع هذه المكونات. وينبغي الحصول على هذه المعلومات بصورة متواقتة عند كل الارتفاعات وكل المواضع على الكرة الأرضية. ولضخامة هذه المهمة يتطلب علم الأجواء العليا برامج منسقة على جميع الأصعدة المحلية والإقليمية والعالمية.

الإشعاع الشمسي

يمثل الإشعاع الشمسي المصدر الأول للطاقة التي تحرض مختلف العمليات في الجو الأوسط. ومع أن الطيف الشمسي يمكن أن يُشَبَّه أحياناً بجسم يشع بدرجة حرارة 6000 ك، تبين الدراسة التفصيلية لطيف الشمس على الارتفاعات المختلفة في الجو الأوسط أن الامتصاص الذي تقوم به مكونات الجو يعدل من إشعاع الشمس عند أطوال موجية wavelengths محددة. ولأن الأزون في الستراتوسفير يمتص بشدة الإشعاع الشمسي تحت 300 نانومتر، فإن كمية الإشعاع التي تصل إلى الأرض مرهونة كثيراً بكمية الأوزون الإجمالية. وتحظى العلاقة (المؤذية) بين الإشعاع تحت 300 نانومتر والمنظومات الحيوية biosystems على الأرض باهتمام كبير للحيلولة دون إتلاف الأوزون بإضافة مواد كيميائية جديدة تبدل في التوازن الكيميائي التاريخي لطبقة الستراتوسفير.

يتطلب فهم الأجواء في طبقات الجو الوسطى دراسة حركات الجو الفيزيائية. بيد أن معرفة التركيب الخاص لهذه الطبقات وكيميائيتها في أي وقت أو موقع أو علو مرهونة بمعرفة كيفية انتقال المكونات المختلفة من منطقة إلى أخرى. وعليه فإن وجود نماذج لدوران الغلاف الجوي سواء بحركات أفقية أم شاقولية ضروري لوصف حالة الجو الكيميائية. وتحتل أمواج الجاذبية الداخلية internal gravity waves وأمواج الجاذبية الصوتية acoustic gravity waves على مختلف الارتفاعات مكانة مهمة في فهم ديناميكية الجو الأوسط؛ اعتماداً على ما إذا كانت حركة الجسيمات المترافقة والموجة عرضية تماماً purely transverse بالنسبة إلى اتجاه الانتشار أم أن لها مُركبة طولية longitudinal component إلى حد ما. تتكون هذه الموجات مبدئياً من الظواهر الجوية المختلفة كالرياح المستعرضة wind shears والعواصف المضطربة turbulent storms وجبهات الطقس weather front. وقد يرتبط مقدارها بوجود مرتفعات جبلية orographic features على سطح الأرض. ومن أمثلة الجمع بين المناطق في الجو الأوسط تلك الحوادث المعروفة باسم الترفع الحروري التروبوسفيري، التي تسخن الستراتوسفير وتبرد الميزوسفير. ففي المناطق القطبية تميل الدورة الشتوية circulation winter إلى الاستقرار حول القطب circumpolar، ويشار إليها عادة على أنها دوامة قطبية polar vortex. وهذه المنطقة مستقرة تماماً في القارة القطبية الجنوبية Antarctic بحيث لا يحدث تحلل ضوئي photolysis للكثير من الأنواع في الجو الأوسط، مما يسمح بتجمعها build-up of species من دون تطوير تركيزات مميزة. وبعد التعرض مجدداً لضوء الشمس في الربيع يحدث تحول مثير في التحلل الضوئي لتركيزات كبيرة من الأنواع الأخرى بوجود الغيوم القطبية الستراتوسفيرية، وينجم عنها ما يشاهد من استنفاد الأوزون الربيعي ozone depletion spring (ثقب الأوزون) في طبقة الستراتوسفير الدنيا.

أما في الصيف فتنخفض درجات حرارة الميزوبوز جداً في المناطق القطبية (قد تصل إلى أقل من 140 ك)، وتؤدي إلى تشكل غيوم عالية جداً (على ارتفاع 84 كم) وقد رُصدت من الأرض منذ العام 1885، وكانت تسمى السحب الليلية المضيئة noctilucent clouds، وهي تشاهد اليوم بوساطة السواتل ويطلق عليها اسم السحب القطبية الميزوسفيرية.

الجو العلوي

الجو العلوي هو المنطقة التي تعلو الجو الأوسط، وتمتد إلى الحد الأقصى المعروف (المستكشف) من جو كوكب الأرض. وتمتاز هذه المنطقة بتزايد درجات الحرارة حتى تبلغ درجة الحرارة الثابتة للجو الخارجي (الإكزوسفير). وهناك انتقال بطيء من منطقة الوزن الجزيئي الوسطي الثابت في الجو الأوسط إلى المستويات العليا من الإكزوسفير التي تحوي الهدروجين الذري النقي نسبياً. وهذه المنطقة هي انتقالية أيضاً بين انتقال يسوده التصادم والتشتت diffusion، وانتقال متأثر بالحمل الحراري البلازميplasma convection في الحقل المغنطيسي. وتختلف معدلات الكثافة بين حد وحد بما يزيد على عشر مراتب، وتسودها عمليات جزيئية في المنطقة الأشد كثافة، مع ازدياد مهم في العمليات الذرية والإلكترونية والإيونية نظراً لتناقص الكثافة مع ازدياد العلو.

تتشكل طبقة الإيونوسفير مبدئياً بتأثير الإشعاع الشمسي فوق البنفسجي بأطوال موجات أقل من تلك التي يصدرها خط انبعاث ذرة هدروجين (ليمان ألفا Lyman alpha) عند 121.6 نانومتر. يؤين هذا الإشعاع كِسراً من ذرات الجو العلوي وجزيئاته تختلف بحسب الارتفاعات. وتهتم الدراسات الأساسية بمصادر الطاقة energy sources ومفارغها sinks، وبالديناميكية بوصفها من وظائف الارتفاع، وبالتفاعلات الكيميائية، وترسب الجسيمات particle precipitation الذي يؤدي إلى الانبعاثات الضوئية من مكونات الجو، مقرونة بين الارتفاعات المنخفضة والارتفاعات العالية، وتأثر الحرارة بالإيونات والإلكترونات وتفاعلها في مختلف الحقول الكهربائية (بسبب النشاط الشمسي) والتبدلات الناجمة عنها في الحقل المغنطيسي للأرض.

إن الدراسات المتعلقة بحركة الجو الحيادي هي دراسات معقدة بسبب التنوعات في كثافة الجو والمؤثرات المختلفة الأخرى. كما أن البنية العامة لحقل الريح في الجو العلوي تنجم عن تدرج الضغط الذي يسببه اختلاف التسخين الشمسي في النهار والليل على جانبي الأرض. وتدل المقارنة بين المشاهدات العينية وهذا النمط البسيط من النماذج، على وجوب الأخذ بعين الحسبان التداخل بين الإيونوسفير والجو الحيادي على مستوى العالم كله، مع أن معظم المؤثرات الرئيسية يرافقها ترسب جسيمات وآثار ناجمة عن شكل الحقل الكهربائي في المناطق القطبية. ولا يمكن للنماذج أن تبدأ في إظهار تلك المشاهدات من دون مراعاة تأثير انجرار الإيونات (تباطؤ الإيونات المتحركة بسبب تصادمها مع غازات الجو). وعليه يتوجب عند مقارنة النماذج الإيونوسفيرية والترموسفيرية مراعاة مجمل هذه الموضوعات، بما فيها تسخين جول وترسب الجسيمات والناقلية الكهربائية والحمل البلازمي والجاذبية ونشاط موجة المد والكواكب.

وهج النهار:

يؤدي ضوء الشمس المرئي دوراً كبيراً في تسخين الجو الأوسط في النهار، حيث يؤين الضوء الساقط من الأشعة الشمسية فوق البنفسجية البعيدة - بأطوال موجات أدنى من 200 نانومترـ مختلف الجزيئات والذرات الجوية التي تؤلف الجو الأعلى ويفككها ويستثيرها إلى الحالة المشعة. ويؤلف الضوء المنبعث من هذه المكونات الجوية ما يدعى طيف وهج النهار في الجو.

وهج الليل:

مع غروب الشمس عن الجو تحدث تبدلات مثيرة نتيجة الفقد في إشعاع الشمس، فيخف هيجان excitation الجو وتسود التفاعلات الكيميائية بين المكونات شيئاً فشيئاً مع توالي ساعات الليل. ولدى مراقبة السماء بمعدات حساسة تبدو السماء متوهجة بأضواء مختلفة الألوان، تغلب عليها انبعاثات ذرية خضراء وحمراء بسبب الأكسجين عند 555.7 و 630 نانو متر على التوالي، ويظهر ضوء الصوديوم الأصفر عند 589 نانو متر، في حين تظهر حزم جزيئية من مجموعة الهدروكسيل أحادي الذرة hydroxyl radical وجزيئات أكسجين أبعد في الأحمر، وتسهم مجتمعة في الشدة الإجمالية لطيف الوهج الليلي.

الشفق القطبي

الشفق القطبي aurora الذي يظهر في المناطق القطبية الجنوبية والشمالية هو استعراض ضوئي للطاقة المفقودة من الجزيئات النشطة المنطلقة في الجو. وتدعى المنطقة الأكثر احتمالاً لحدوث ذلك «إهليلج الشفق القطبي» the auroral oval. وفي المستويات العليا تتسارع الإلكترونات والإيونات الموجودة في الجو (الغلاف الجوي) المغنطيسي magnetosphere على امتداد خطوط المجال المغنطيسي إلى داخل الجو عند العروض القطبية العليا.

تضيع معظم طاقة جزيئات الشفق والتي تتجاوز 15 KeV (كيلو إلكترون ڤولط) قبل توغلها عميقاً في الجو. ومن ثَم يتركز معظم الطاقة deposited بين 100 و 120 كم، مع أنه يمكن ملاحظة انبعاثات ضوئية optical emissions خلال منطقة تراوح بين 80 و300 كم. وفي الجزء المرئي من الطيف يبدو خط الأكسجين الذري الأخضر atomic oxygen green line عند 557.7 نانو متر (557.7 nm)المعلم الأبرز؛ إذ تملأ حزم bands جزيئات إيونات النتروجين المنطقة بين 380 و530 نانو متر، وحزم جزيئات الأكسجين والنتروجين فوق 590 نانومتر. تحدث الانبعاثات الضوئية من مختلف المكونات الجوية عند أطوال موجات متقطعة discrete wavelengths فوق المنطقة كلها اعتباراً من 30 نانو متر حتى أبعد موجة تحت الحمراء (15000 نانومتر). تستقر طاقة الشفق الأولية في دفق الإلكترونات، إلا أن بعض مناطق الإهليلج الشفقي يسودها أحياناً ترسبات من البروتونات النشطة، مع شواهد على وجود كميات لا بأس بها من إيونات الأكسجين وإيونات الهليوم النشطة في أحيان أخرى.

الأجواء العليا للكواكب الأخرى

تنطبق معظم الموضوعات المتعلقة بعلم الجوين الأوسط والعلوي على أجواء الكواكب الأخرى. ويمكن تطبيق تقنيات الاستكشاف من بعد المطبقة في دراسة الأرض في دراسة مختلف مظاهر الأجواء العليا للكواكب الأخرى. إذ يحيط بالمريخ والزهرة أجواء يسودها أكسيد الكربون وأثر من الأكسجين، وبعض جزيئات الآزوت وقليل من المياه. ونظراً لتوفر القليل القليل من الأوزون هناك، ومن دون الحرارة الواصلة من امتصاص أشعة الشمس، كما هو الحال في جو الأرض، يبقى الجو الأوسط لهذين الكوكبين بارداً. أما الكواكب الخارجية فجوها السائد مؤلف من الهدروجين والهليوم، ولا تمتص الكثير من إشعاع الشمس وتبقى شديدة البرودة. وقد يحدث بعض التأين هناك، وتتشكل أجواء إيونية مختلفة الارتفاعات، كما هو الحال على الأرض. وينجم عن ترسبات الجسيمات النشطة على كوكب المشتري وزحل وأقمارهما (سواتلها الطبيعية) إيو Io و تيتان Titan شفقٌ قطبيٌ شبيهٌ بما يحدث على الأرض، إلى جانب الانبعاثات التي لها علاقة بخصائص أجوائهما وحقولهما المغنطيسية.

مراجع للاستزادة:

- Andrew F. Nagy, Comparative Aeronomy, Springer, 2008.

- G.K. Vallis, Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics. Cambridge University Press, 2006.

- G. Brasseur and S. Solomon, Aeronomy of the Middle Atmosphere: Chemistry and Physics of the Stratosphere and Mesosphere, Springer, 2005.

- S. J. Bauer and H. Lammer, Planetary Aeronomy: Atmosphere Environments in Planetary System, Springer, 2004.