هل تسقط قطرات الماء من الغيوم بفعل الجاذبية
علاقة الجاذبية بالأمطار
يتكون
المطر
من
الماء
وهو ظاهرة شائعة وطبيعية، بعد تكثف بخار الماء يسقط المطر على سطح الأرض ويتساقط بسبب الجاذبية.
للمطر مكونات أخرى هي الغبار والهباء الجوي، اللذين يرتفعان معًا في الغلاف الجوي للأرض، والهباء الجوي عبارة عن خليط من الجسيمات العالقة السائلة أو الصلبة في الغاز، يحدد هذان المكونان للمطر أيضًا قيمة الأس الهيدروجيني.
هناك أشكال مختلفة من المطر والتي تتمايز من بين أشياء أخرى من خلال شدتها ومدتها وتأثيرها ومنشأها، ولا يمكن أن ينشأ المطر بدون غيوم لأنه يحدث اعتمادًا على الارتفاع ودرجة الحرارة فتكون سبب لتتشكل بلورات الجليد أو قطرات السحب.
عندما تصل بلورات الجليد في السحابة إلى بيئة أكثر دفئًا فإنها تذوب في قطرات الماء، بعد ذلك تسقط قطرات الماء على الأرض في شكل مطر.
أن الماء يتبخر من سطح الأرض في دورة الماء حيث يرتفع ويصبح باردا ويتكثف في السحب، فتمطر الغيوم الماء عائدة إلى السطح مرة أخرى ثم تستمر الدورة، ومع ذلك فإن هذا المفهوم البسيط يخفي الكثير من التفاصيل التي لا تزال تشكل الأسئلة للبحث الحالي.
لماذا لا تسقط الغيوم
تكمن الإجابة على سؤال
لماذا لا تسقط الغيوم
في سبب بسيط وهو التكثيف الذي يمكن أن يتشكل قطرات قطرها حوالي 10 أو 20 ميكرون فقط، هذا صغير جدًا لدرجة أنه يطفو عمليًا في الهواء ولهذا السبب لا تسقط الغيوم من السماء، يبلغ حجم قطرات المطر ما لا يقل عن 10 إلى 100 ضعف حجمها، لذلك يجب أن يحدث شيء آخر.
لكي تكبر الغيوم يجب أن تكون من النوع التي تظل أعلى من 0 درجة مئوية حتى لا تتجمد القطرات، يجب أن تضرب القطرات بعضها البعض وتلتصق ببعضها البعض، تتنبأ بعض النظريات بأن الاضطراب يمكن أن يصدم القطرات معًا.
أو أن بعض الهباء الجوي البادئ الكبير حقًا يمكن أن ينتج قطرات أكبر تصطدم أكثر، ما نعرفه على وجه اليقين هو أن النتيجة النهائية لهذه العملية هي تكزن رذاذ يبلغ حجمها حوالي 100 ميكرومتر وهي كبيرة بما يكفي لتحمل قوة الجاذبية.
بمجرد أن يتشكل رذاذ يبدأ في السقوط ويصادف المزيد من السحب وقطرات الرذاذ فيكبرون أكثر فأكثر، ويعتمد حجمها على مدى تحركها قبل أن تسقط من قاع السحابة وعادة ما تنتج هذه الغيوم أمطارًا خفيفة.
يمكن أن تمتد السحب المنخفضة على بعد بضعة كيلومترات من أعلى إلى أسفل. في هذه الحالة، يمكن أن تصطدم قطرات الرذاذ بالعديد من القطرات الأخرى في طريقها إلى الأسفل، هذه تشكل قطرات مطر كبيرة تصل إلى بضعة ملليمترات وتنتج أمطارًا أكثر غزارة.
كيف تتكون الغيوم
عندما يرتفع الهواء ويبرد يصبح باردًا بدرجة كافية حتى يتكثف الماء، ولكن حتى في درجة الحرارة هذه لن تتشكل أي سحابة إذا كان الهواء نظيفًا تمامًا، وهذا لأن الماء يحتاج إلى شيء يتكثف عليه.
يحدث فقط أن غلافنا الجوي يحتوي على العديد من الجزيئات الصغيرة تسمى الهباء الجوي والذي يمكن أن تأتي من مصادر طبيعية أو مصادر
التلوث
التي من صنع الإنسان مثل عادم السيارات.
يتكثف الماء في الهباء الجوي وتتشكل العديد من القطرات، التي يحتوي كل منها على جزيئات الهباء الجوي فتشكل هذه القطرات سحابة، ومع ذلك هناك حد لحجم هذه القطرات
ولكي تتكون الغيوم هناك حاجة لثلاثة مكونات: بخار الماء في الغلاف الجوي، والجسيمات التي تسمح بتكثيفها، ودرجات الحرارة المنخفضة فيتكون الغلاف الجوي من مجموعة متنوعة من الغازات التي من بينها بخار الماء من تبخر المياه (القارية والمحيطات).
هذا البخار المعلق لا يمكن أن يشكل سحابة بمفرده لكي يكون بخار الماء فيصبح قادرًا على التجمع معًا فإنه يحتاج إلى “نواة التكثيف” أو “الهباء الجوي”، والتي تشرح بعبارات بسيطة تتوافق مع جسيم له خصائص ذات صلة كبيرة بالماء.
مما يسمح بالتجميع من جزيئات بخار الماء وتكثيفها اللاحق، وتوجد هذه النوى المحتملة بكثرة في الغلاف الجوي من بينها الغبار وحبوب اللقاح وجزيئات
الملح
من أمواج
البحر
وانكسار الأمواج والرماد من الانفجارات أو الحرائق البركانية من بين أمور أخرى.
بمجرد العثور على هذين المكونين يصبح هناك حاجة إلى خطوة أخرى لتصبح سحابة، يجب أن تواجه نوى بخار الماء والتكثيف درجات حرارة منخفضة للوصول إلى نقطة الندى أو درجة الحرارة التي تتحول فيها جزيئات بخار الماء إلى قطرات ماء سائل.
تتمثل إحدى الطرق في:
تبريد الكتلة الهوائية في دفعها إلى الأعلى بالحمل الحراري حيث يحدث
الحمل
الحراري عندما يسخن سطح الأرض من الشمس ثم ينقل بعض هذه الحرارة إلى أقرب كتلة هوائية ستكون كتلة الهواء الأكثر سخونة وهذه أقل كثافة من الهواء المحيط.
لذا سترتفع بسهولة بفضل قوة الطفو، والتي تتوافق مع القوة الصاعدة التي تمارسها السوائل الأكثر كثافة على السوائل الأقل كثافة، يمكن أيضًا إجبار كتلة هوائية متحركة أفقيًا (كما هو الحال في الجبهات الباردة) على الارتفاع إلى درجات حرارة منخفضة عندما تصادف جبلًا في مسارها أو عندما تواجه كتلة هوائية أخرى ذات درجات حرارة أقل.
في كلتا الحالتين ستُجبر الكتلة الهوائية المتحركة أفقيًا على الارتفاع والوصول بسرعة إلى نقطة الندى مما يؤدي إلى توليد السحب، وإذا كانت الظروف صحيحة فإن المطر سوف يسقط.
فبمجرد أن ترتفع كتلة الهواء وتبرد إلى نقطة الندى، يبدأ بخار الماء بالتكثف على نوى التكثيف، مما ينتج عنه جزيئات الماء السائلة الأولى، وبعد حجم معين تبدأ جزيئات الماء الأولى في الاصطدام والالتصاق ببعضها البعض.
لماذا تطفو الغيوم
يمكن للسحابة أن تنتشر عموديًا وأفقيًا لأميال وتزن عدة أطنان لكنها لا تزال “تطفو” في الهواء، لقد أشرنا بالفعل في الفقرات السابقة إلى أن الكتل الهوائية الأكثر دفئًا ترتفع في الغلاف الجوي بفضل قوة الطفو التي يدفعها جبل أو كتلة هوائية أخرى أكثر برودة.
من الأمثلة الجيدة لتوضيح الخفة النسبية للسحب مقارنة كتلتها الإجمالية بكتلة الهواء التي تعيش فيها، خذ على سبيل المثال سحابة صغيرة نموذجية على ارتفاع 3000 متر وكيلومتر مكعب واحد والتي يبلغ محتواها المائي السائل 1 جرام لكل متر مكعب.
ويبلغ إجمالي كتلة جزيئات السحابة حوالي مليون كيلوغرام، أي ما يعادل وزن 500 سيارة تقريبًا، لكن الكتلة الكلية للهواء المحيط في نفس الكيلومتر المكعب تبلغ حوالي 1. 000 مليون كيلوغرام، أى أثقل 1000 مرة من السائل.
وهكذا على الرغم من احتواء الغيوم النموذجية على كمية كبيرة من الماء، يبدو أنها تطفو في السماء بفضل حقيقة أن كتلتها أقل من كتلة الهواء المحيط، وتبقى في حالة اتزان عند نفس الارتفاع الذي تتحرك فيه مع الريح.
ما هي أهمية السحب
إنهم يشكلوننا ويغيروننا ويعبروننا بطريقة طبيعية ويومية لدرجة أننا بالكاد ندرك وجودهم في السماء، ومع ذلك فإن وجود السحب في الغلاف الجوي له تأثير كبير على كل من
الوقت
والمناخ.
وكذلك على تطور
الحياة
على هذا الكوكب تلعب السحب دورًا أساسيًا في دورة المياه حيث توفر تساقط الثلوج والمياه التي تشتد الحاجة إليها، ومن ناحية أخرى فهي أساسية لتنظيم متوسط درجة حرارة الكوكب.
على سبيل المثال تساهم بعض السحب في التبريد من خلال عكس بعض الإشعاع الشمسي إلى الفضاء مرة أخرى، بينما تساهم السحب الأخرى في الاحترار من خلال العمل كغطاء يحبس بعض الطاقة المنبعثة من السطح والطبقات السفلية من الغلاف الجوي وغيرها من الفوائد.[1][2][3]