تغيرات شديدة في درجات الحرارة في الصحاري وانخفاض شديد في بعض الجزر. تفسيرات مادية.
تعد الصحاري مثل الصحراء أو كالاهاري أو الصحراء الأسترالية العظيمة مكانًا لاتساع حراري قوي جدًا على مدار يوم واحد.
في حين أن درجة الحرارة يمكن أن تصل إلى حوالي خمسين درجة تحت أشعة الشمس الحارقة للصحراء في مدينة مثل جانت في الجزائر ، يمكن أن تنخفض بنحو ثلاثين درجة في الليلة التالية.
كيف يحدث أنه في بعض الأماكن ، مثل الجزر في وسط المحيط ، نادرًا ما تتباين درجة الحرارة بين النهار والليل ، بينما في أماكن أخرى ، مثل الصحاري ، يكون التباين في درجات الحرارة قويًا جدًا؟
التوصيل والحمل والإشعاع
يتم نقل الحرارة بثلاث طرق. التوصيل ، الذي يتوافق مع انتقال الحرارة في المادة من درجات حرارة عالية إلى درجات حرارة منخفضة ، الحمل الحراري ، وهو نقل الحرارة المرتبط بحركة السوائل والإشعاع ، والذي يتوافق مع انتقال الموجات الكهرومغناطيسية بين الأجسام الساخنة. لأخذ التبادل الحراري في الاعتبار ، من الضروري أيضًا مراعاة القصور الذاتي الحراري ، الذي يحدد قدرة المادة على تخزين الحرارة.
تهيمن المبادلات الإشعاعية (المرتبطة بالإشعاع الحراري) على توازن الحرارة في الصحاري. مصدر الطاقة الرئيسي على الأرض يأتي من الشمس ، وهي جسم تبلغ درجة حرارة سطحه 6000 درجة مئوية ويصدر إشعاعًا في النطاق المرئي.
خلال النهار ، في غياب الغطاء السحابي كما هو الحال في أي نقطة على سطح الكوكب ، يتلقى قاع الصحراء ويمتص الإشعاع الحراري من الشمس. مثل أي جسم يتم تسخينه إلى درجات الحرارة العادية ، تنبعث الأرض الساخنة بشكل أساسي في نطاق الأشعة تحت الحمراء وتشع باتجاه الغلاف الجوي للأرض والسماء. ومع ذلك ، إذا كان الغلاف الجوي للأرض شفافًا تمامًا بالنسبة للإشعاع المرئي ، فإن هذا ليس هو الحال بالنسبة للأشعة تحت الحمراء. يمنع الغلاف الجوي بعضاً من هذا الإشعاع من العودة إلى الفضاء. إنه تأثير الاحتباس الحراري الشهير الذي يسمح لكوكبنا أن يكون متوسط درجة حرارة 15 درجة مئوية ، والتي ستكون -18 درجة مئوية في غياب هذه الظاهرة. خلال النهار ، يكون امتصاص الإشعاع الشمسي أكبر بكثير من انبعاث الأرض عبر الغلاف الجوي ، بحيث تصل درجة حرارة الأرض في النهاية إلى سماكة صغيرة تصل إلى عشرة سنتيمترات. في الليل ، لا يتم امتصاص الإشعاع الشمسي وتبرد الأرض باتجاه السماء عبر الغلاف الجوي.
جو أكثر أو أقل شفافية
تعتمد شفافية الغلاف الجوي على عدة معايير. يعتمد ذلك على الإشعاع المعتبَر (المرئي ، الأشعة تحت الحمراء) ، تركيز بعض غازات الدفيئة (CO2والميثان وبخار الماء) وسماكته وغطائه السحابي. وهكذا ، في الأشعة تحت الحمراء ، كلما كان الغلاف الجوي أكثر جفافاً وكان الغلاف الجوي أرق (على سبيل المثال في الارتفاع) كلما كان أكثر شفافية. على العكس من ذلك ، فإن الغلاف الجوي الذي يحتوي على السحب يكون عمليا معتمًا للأشعة تحت الحمراء. في الصحراء ، يمكن أن تنخفض الرطوبة إلى مستويات منخفضة جدًا في الصيف ، وصولاً إلى نسبة قليلة من الرطوبة النسبية. في ظل هذه الظروف ، يكون الغلاف الجوي شبه شفاف بحيث تتبادل الأرض مباشرة مع الفضاء الذي تكون درجة حرارته أعلى ببضع درجات من الصفر المطلق. ثم يتم استيفاء الشروط من أجل تبريد إشعاعي كبير جدًا.
يمكن للمعلمات الأخرى زيادة هذه الظاهرة. بادئ ذي بدء ، يعتمد الانبعاث الحراري للأرض على تكوينها. وهكذا تنبعث الرمال والثلج أكثر بكثير من الغطاء النباتي ، ولا سيما تلك التي تشكل السهول والغابات. من ناحية أخرى ، يزيد وجود الرياح التبادلات بين الهواء والأرض.
نحن بعد ذلك في وجود انتقال للحرارة بالحمل الحراري. إذا أصبح الهواء أثناء الليل أكثر دفئًا من الأرض ، فإن الأخير سوف يسخن الأرض وبالتالي يقلل من برودة الأرض. على العكس من ذلك ، فإن غياب الرياح سيقلل من عمليات النقل بالحمل الحراري ويؤدي إلى ظروف مواتية جدًا للتبريد.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن الرمال التي تشكل تربة الصحراء تعاني من خمول حراري منخفض نسبيًا. بمعنى آخر ، كمية الحرارة المخزنة بواسطة الرمل المسخن لدرجة حرارة معينة أقل من كمية الحرارة التي يخزنها مادة مثل الأرض أو الرطوبة أو الخرسانة أو الماء. بالنسبة لتبريد معين ، كلما انخفضت كمية الحرارة المخزنة ، كلما كان إخلاء الحرارة أسرع ، مما يؤدي إلى انخفاض مفاجئ في درجة الحرارة أثناء الليل. وبالتالي ، فإن انخفاض الرطوبة في الصحاري ، وغيابها للغطاء السحابي وتكوينها من مادة شديدة الانبعاث مع قصور حراري منخفض ، هي المسؤولة عن التبريد الليلي القوي والسعة الحرارية الكبيرة التي لوحظت في هذه المساحات.
تتيح الاعتبارات السابقة أيضًا شرح المواقف الأخرى التي يمكن أن يكون فيها السعة الحرارية اليومية مهمة جدًا. وهكذا فإن قرية موثي (Doubs) في كتلة جورا تحمل الرقم القياسي للبرودة (-36,7 درجة مئوية) والسعة الحرارية اليومية في فرنسا (37,8 درجة مئوية). موقعه في الشتاء على هضبة ثلجية يجعله موقعًا ينبعث بقوة في الفضاء عندما تكون الرطوبة منخفضة جدًا. يعد تكوين الهضبة هذا أكثر ملاءمة أيضًا لغياب الرياح ، على عكس المدن الجبلية حيث تؤدي الاختلافات في درجات الحرارة على ارتفاعات متغيرة إلى تيارات الحمل الحراري التي تخفف من تبريد الأرض.
على العكس من ذلك ، من المعروف أن جزر مثل Ouessant ، التي تعاني من الصقيع أقل من يوم واحد في اليوم ، هي أماكن ذات سعة حرارية منخفضة. تتميز مدينة أويسانت بمناخ عاصف وغائم جدًا وتقع في وسط البحر ، كما أن المحيط ، الذي تكون درجة حرارته موحدة على سمك كبير ، يعاني من خمول حراري مرتفع. بالكاد تختلف درجة حرارته على مدار اليوم. في النهاية ، لم تتحقق أبدًا شروط التبريد الليلي القوي (غياب الرياح ، والليل الصافي ، والرطوبة المنخفضة ، والقصور الذاتي الحراري). كل هذه العناصر التي تحد من التبريد الإشعاعي تعني أن درجة الحرارة على الجزر وبشكل عام على شاطئ البحر تختلف كثيرًا على مدار اليوم مقارنة بالداخل.
كارل جولين، أستاذ الفيزياء وعلم الطاقة ، جامعة بواتييه
تم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة بموجب رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ الالمادة الأصلية.