إليكم هذه الوثائق في مادة الفيزياء للسنة الرابعة متوسط " الطاقة "
| اسم الملف | نوع الملف | حجم الملف | التحميل | مرات التحميل |
| energy.zip |  |
363.9 كيلوبايت |  |
المشاهدات 182 |
| اسم الملف | نوع الملف | حجم الملف | التحميل | مرات التحميل |
| مصادر الطاقة في الجزائر.rar |  |
911.4 كيلوبايت | |
المشاهدات 665 |
دمتي للمنتدى يا غالية
| اسم الملف | نوع الملف | حجم الملف | التحميل | مرات التحميل |
| مصادر الطاقة في الجزائر.rar | |
911.4 كيلوبايت | |
المشاهدات 665 |
مشششكووووووووووووووووووووور ين اللهم انصر الجزائر
| اسم الملف | نوع الملف | حجم الملف | التحميل | مرات التحميل |
| مصادر الطاقة في الجزائر.rar | |
911.4 كيلوبايت | |
المشاهدات 665 |
شكرااااااااااااا
| اسم الملف | نوع الملف | حجم الملف | التحميل | مرات التحميل |
| مصادر الطاقة في الجزائر.rar | |
911.4 كيلوبايت | |
المشاهدات 665 |
شكرا على المجهودات المبدولة حبيبتي الغالية وجزاء الله كل خير ودتي نجمة تسطع في السماء تنير درب كل ضالا
| اسم الملف | نوع الملف | حجم الملف | التحميل | مرات التحميل |
| مصادر الطاقة في الجزائر.rar | |
911.4 كيلوبايت | |
المشاهدات 665 |
شكرا على المجهودات المبدولة حبيبتي الغالية وجزاء الله كل خير ودتي نجمة تسطع في السماء تنير درب كل ضالا
| اسم الملف | نوع الملف | حجم الملف | التحميل | مرات التحميل |
| مصادر الطاقة في الجزائر.rar | |
911.4 كيلوبايت | |
المشاهدات 665 |
الله يعطيك الفين حسنة فقط
| اسم الملف | نوع الملف | حجم الملف | التحميل | مرات التحميل |
| مصادر الطاقة في الجزائر.rar | |
911.4 كيلوبايت | |
المشاهدات 665 |
بارك الله فيك يا أختي الكريمة
| اسم الملف | نوع الملف | حجم الملف | التحميل | مرات التحميل |
| مصادر الطاقة في الجزائر.rar | |
911.4 كيلوبايت | |
المشاهدات 665 |
الفكرة العامة
الطاقة واهميتها ودورها في المجالين الاقتصادي والتنموي ووجوب البحث عن طاقات جديدة للحد من نذرتها
الافكار الاساسية
مكانة الطاقة في اقتصاد اي دولة
دعوة الماتب الدول العربية الى تكامل في مجال الطاقة
الحلول المناسبة لمواجهة العجز الطاقوي عند الدول العربية
شكراااااااااااااااااااااااااااااااااااا
كل البحوت والدراسات تجدونها في
هدا الموقع قوقل
berberjawahir
الطاقة المتجددة: مفهومها وأشكالها
عندما عرف الإنسان النار، عرف أول طريقة لاستغلال الطاقة واستخدامها في مختلف أغراضه الحياتية مثل طهي الطعام وتدفئة الكهف وإنارة الظلام، وهكذا كان الحجر هو أول مصدر خارجي للطاقة؛ ثم تلاه الخشب وغيره من أدوات إشعال النار، والحصول على الطاقة الحرارية.
والطاقة هي الوجه الآخر لموجودات الكون غير الحية، فالجمادات بطبيعتها قاصرة عن تغيير حالتها دون مؤثر خارجي، وهذا المؤثر الخارجي هو الطاقة، فالطاقة هي مؤثرات تتبادلها الأجسام المادية لتغيير حالتها، فمثلا لتحريك جسم ساكن ندفعه فنعطيه بذلك طاقة حركية، ولتسخين جسم نعطيه طاقة حرارية، ولجعل الجسم مرئياً نسلط عليه ضوءاً فنعطيه طاقة ضوئية، وهكذا.
ويمكن تعريف الطاقة بأنها القدرة على القيام بنشاط ما، وهناك صور عديدة للطاقة يتمثل أهمها في الحرارة والضوء والصوت، وهناك أيضاً الطاقة الميكانيكية التي تولدها الآلات، والطاقة الكيميائية التي تنتج من حدوث تفاعلات كيميائية، وهناك الطاقة الكهربائية، والطاقة الكهرومائية، والحركية، والإشعاعية، والديناميكية، والذرية. كما يمكن تحويل الطاقة من صورة إلى أخرى، من طاقة كيميائية إلى طاقة ضوئية مثلاً، والكهربائية إلى حركية.
وكمية الطاقة الموجودة في العالم ثابتة على الدوام، فالطاقة لا تفنى ولا تستحدث، ولكنها تتحول من صورة إلى أخرى، ولهذا نجد أن الطاقة هي قدرة المادة للقيام بالشغل (الحركة)، فالطاقة التي يصاحبها حركة يطلق عليها طاقة حركية، والطاقة التي لها صلة بالوضع يطلق عليها طاقة كامنة.
وهناك تصنيف للطاقة ومصادرها يقوم على مدى إمكانية تجدد تلك الطاقة واستمراريتها، وهذا التصنيف يشمل:
1- الطاقة التقليدية أو المستنفذة:
وتشمل الفحم والبترول والمعادن والغاز الطبيعي والمواد الكيميائية، وهي مستنفذة لأنها لا يمكن صنعها ثانية أو تعويضها مجدداً في زمن قصير.
2- الطاقة المتجددة أو النظيفة أو البديلة:
وتشمل طاقة الرياح والهواء والطاقة الشمسية وطاقة المياه أو الأمواج والطاقة الجوفية في باطن الأرض وطاقة الكتلة الحيوية، وهي طاقات لا تنضب.
وفي السطور القليلة التالية سنتعرف على أهم أشكال الطاقة المتجددة وكيفية الاستفادة منها:
أ- طاقة المياه:
توليد الطاقة من المياه
تأتي الطاقة المائية من طاقة تدفق المياه أو سقوطها في حالة الشلالات (مساقط المياه)، أو من تلاطم الأمواج في البحار، حيث تنشأ الأمواج نتيجة لحركة الرياح وفعلها على مياه البحار والمحيطات والبحيرات، ومن حركة الأمواج هذه تنشأ طاقة يمكن استغلالها، وتحويلها إلى طاقة كهربائية، حيث تنتج الأمواج في الأحوال العادية طاقة تقدر ما بين 10 إلى 100 كيلو وات لكل متر من الشاطئ في المناطق متوسطة البعد عن خط الاستواء.
كذلك يمكن الاستفادة من الطاقة المتولدة من حركات المد والجزر في المياه، وأخيراً يمكن أيضاً الاستفادة من الفارق في درجات الحرارة بين الطبقتين العليا والسفلى من المياه التي يمكن أن يصل إلى فرق 10 درجات مئوية.
ب- طاقة الكتلة الحيوية (Biomass fuels):
وهي الطاقة التي تستمد من المواد العضوية كإحراق النباتات وعظام ومخلفات الحيوانات والنفايات والمخلفات الزراعية. والنباتات المستخدمة في إنتاج طاقة الكتلة الحيوية يمكن أن تكون أشجاراً سريعة النمو، أو حبوباً، أو زيوتاً نباتية، أو مخلفات زراعية، وهناك أساليب مختلفة لمعالجة أنواع الوقود الحيوي، منها:
* الحرق المباشر :
ويستعمل للطهي والتدفئة وإنتاج البخار غير أن هذه العملية لها مردود حراري ضئيل .
* الحرق غير المباشر:
لإنتاج الفحم (بدون أوكسجين ).
* طرق التخمير:
لإنتاج غاز الميثان الذي يستخدم في الأعمال المنزلية كالتدفئة والطهي والإنارة.
* الحل الحراري.
* التقطير.
ويعطي كل أسلوب من الأساليب السابقة منتوجاته الخاصة به مثل غاز الميثان والكحول والبخار والأسمدة الكيماوية، ويعد غاز الإيثانول واحداً من أفضل أنواع الوقود المستخلصة من الكتلة الحيوية وهو يستخرج بشكل رئيسي من محاصيل الذرة وقصب السكر.
ج- الطاقة الجوفية:
وهي طاقة الحرارة الأرضية، حيث يُستفاد من ارتفاع درجة الحرارة في جوف الأرض باستخراج هذه الطاقة وتحويلها إلى أشكال أخرى، وفي بعض مناطق الصدوع والتشققات الأرضية تتسرب المياه الجوفية عبر الصدوع والشقوق إلى أعماق كبيرة بحيث تلامس مناطق شديدة السخونة فتسخن وتصعد إلى أعلى فوارة ساخنة، وبعض هذه الينابيع يثور ويهمد عدة مرات في الساعة وبعضها يتدفق باستمرار وبشكل انسيابي حاملاً معه المعادن المذابة من طبقات الصخور العميقة، ويظهر بذلك ما يطلق عليه الينابيع الحارة، ويقصد الناس هذا النوع من الينابيع للاستشفاء، بالإضافة إلى أن هناك مشاريع تقوم على استغلال حرارة المياه المنطلقة من الأرض في توليد الكهرباء.
د- طاقة الرياح:
توربينات توليد الطاقة من الرياح
وهي الطاقة المتولدة من تحريك ألواح كبيرة مثبتة بأماكن مرتفعة بفعل الهواء، ويتم إنتاج الطاقة الكهربائية من الرياح بواسطة محركات (أو توربينات) ذات ثلاثة أذرع دوًّارة تحمل على عمود تعمل على تحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربية، فعندما تمر الرياح على الأذرع تخلق دفعة هواء ديناميكية تتسبب في دورانها، وهذا الدوران يشغل التوربينات فتنتج طاقة كهربية.
وتعتمد كمية الطاقة المنتجة من توربين الرياح على سرعة الرياح وقطر الذراع؛ لذلك توضع التوربينات التي تستخدم لتشغيل المصانع أو للإنارة فوق أبراج؛ لأن سرعة الرياح تزداد مع الارتفاع عن سطح الأرض، ويتم وضع تلك التوربينات بأعداد كبيرة على مساحات واسعة من الأرض لإنتاج أكبر كمية من الكهرباء.
والجدير بالذكر أن طاقة الرياح تستخدم كذلك في تسيير المراكب والسفن الشراعية.
هـ – الطاقة الشمسية:
خلايا تجميع الطاقة الشمسية
تعد الشمس من أكبر مصادر الضوء والحرارة الموجودة على وجه الأرض، وتتوزع هذه الطاقة- المتولدة من تفاعلات الاندماج النووي داخل الشمس- على أجزاء الأرض حسب قربها من خط الاستواء، وهذا الخط هو المنطقة التي تحظى بأكبر نصيب من تلك الطاقة، والطاقة الحرارية المتولدة عن أشعة الشمس يُستفاد منها عبر يتم تحويلها إلى (طاقة كهربائية) بواسطة (الخلايا الشمسية).
وهناك طريقتان لتجميع الطاقة الشمسية، الأولى: بأن يتم تركيز أشعة الشمس على مجمع بواسطة مرايا محدبة الشكل، ويتكون المجمع عادة من عدد من الأنابيب بها ماء أو هواء، تسخن حرارة الشمس الهواء أو تحول الماء إلى بخار. أما الطريقة الثانية، ففيها يمتص المجمع ذو اللوح المستوى حرارة الشمس، وتستخدم الحرارة لتنتج هواء ساخن أو بخار .
وأخيراً فهناك اتجاه في شتى دول العالم المتقدمة والنامية يهدف لتطوير سياسات الاستفادة من صور الطاقة المتجددة واستثمارها، وذلك كسبيل للحفاظ على البيئة من ناحية، ومن ناحية أخرى إيجاد مصادر وأشكال أخرى من الطاقة تكون لها إمكانية الاستمرار والتجدد، والتوفر بتكاليف أقل، في مواجهة النمو الاقتصادي السريع والمتزايد، وهو الأمر الذي من شأنه أن يحسّن نوعية حياة الفقراء بينما يحسّن أيضا البيئة العالمية والمحلية.
الفكرة العامة
يتحدث الكاتب في النص عن دور الطاقة و مكانتها كما يبين تأثير العولمة على الاقتصاد مبينا تزايد الطلب المستهلكين للطاقة و اقتراح بعض الحلول لتوحيد الجهود بين الدول الغربية
الشكل التعبيري
مقال علمي تناول فيه الكاتب دور الطاقة الجديدة في النمو الاقتصادي بنمطية السرد
المغزى
العلم يبني بيوتا لاعماد لها و الجهل يهدم بيوت العز و الشرف
شرح المفردات
الاحترازية = الواقعية / تعزيز= تقوية
الاسلوب
غلب على النص الاسلوب الخبري لانه أنسبللسرد و تقرير الحقائق ومنه امثلة : قوله"كما أن الطلب المتسارع لأعداد المستهلكين"
شكرا على الموضووع***9834;***9660;***9660;***9660;***9660;** *9660;***9829;***9829;***9829;
ممكن بناء فني لنص الطاقة الجديدة ارجوكم ممكم الان
اقتباس 
رائع شكرا
لنسبة
أولا: تعريف النسبة
عرض الأمثلة :
1 ـ لماذا لا تكون المياه البحرية حلوة كالمياه النهرية ؟
القاعدة:
تعريف النسبة:
النسبة هي جعل اسم يرتبط باسم آخر بزيادة ياء مشددة في آخر الاسم المنسوب إليه.
مثال : أنا جزائريٌّ . جزائر:منسوب إليه ـ جزائري :اسم منسوب .
الغرض من استعمال النسبة: عوضوا المنسوب بما يفيد معناه في هذه الجملة : هذا قرار وزاري.لماذا نستعمل النسبة ؟
تستعمل النسبة:
– للإيجاز والاختصار. مثال : هذه صناعة منسوبة إلى الجزائر ***8592;هذه صناعة جزائرية .
– للدلالة على الجنس،مثل :صيني
– للدلالة على الموطن،مثل : دمشقيّ
– للدلالة على الدين،مثل :يهوديّ .
– للدلالة على الحرفة،مثل:هندسيّ
– للدلالة على صفة أولون،مثل : بنفسجيّ
– للدلالة على النوع،مثل: ماسيّ
ثانيا:النسبة إلى الاسم المختوم بتاء التأنيث
عرض الأمثلة:
1ـ نجد المختصين في مجالات رياضية أخرى يرون في كرة القدم نشاطا وتسلية مفضلة.
2ـ هناك صحافيون مغرمون بكرة القدم .
القاعدة:
النسبة إلى المختوم بتاء التأنيث:
إذا أردنا النسبة إلى اسم مؤنث بالتاء المربوطة نحذف التاء ونضيف إليه ياء مشددة ونكسر ما قبلها.مثال:مكِّيٌّ,زهريٌّ , مدرسيٌّ …
تنبيه : قد يحدث تغيير زيادة على حذف التاء المربوطة:
1) كأن يحذف حرف.مثال:مدنيٌّ , جهنيٌّ .
2) أو يرجع حرف محذوف من اسم عند النسبة إليه . مثال: كرويٌّ …
ثالثا:النسبة إلى الاسم الممدود والاسم المقصور والاسم المنقوص
عرض الأمثلة :
أ) 1ـ أنا معلم في مدرسة ابتدائية .
2ـ ما أجمل الطبيعة الصحراوية !
3ـ قام جون جلين برحلة فضائية وعمره اثنان وسبعون عاما .
4ـ كانت الرحلة الفضاوية ناجحة .
ب) 5 ـ حرم الله المكسبرالربويَّ.
6- اعمل خيرا في المرحلة الدنيويَّة للمرحلة الأخرويَّة.
7- تصرفت طبقا لحكم فتْويٍّ .
8- هذا ماء بَرَدِيٌّ. (نسبة إلى نهر بَرَدَى بسوريا)
9-سيستفيد الحقل المستشفيُّ من نتائج الرحلة.
10- الشجي:الشجويّ
11- القاضي: القاضويّ/القاضيّ
12- المعتدي:المعتديّ
القاعدة:
النسبة إلى الاسم الممدود :
الاسم الممدود هو اسم معرب ينتهي بهمزة قبلها ألف مد.
عند النسبة إلى الاسم الممدود :
1) نُبقي همزته إذا كانت أصلية . مثال: إنشاء ، إنشائيٌّ .
2) ونقلبها واوا إذا كانت علامة تأنيث. مثال: صفراء ، صفراويٌّ.
3) ونبقيها أو نقلبها واوا إذا كانت منقلبة عن واو أو ياء.
مثال: دعاء ، دعائيٌّ أو دعاويٌّ. بناء ، بنائيٌّ أو بناويٌّ .
ملاحظات:
1- لمعرفة نوع همزة الممدود:
– إذا كان الاسم مؤنثا فهي للتأنيث.مثال:صحراء.هذه صحراء
– إذا لم تكن للتأنيث نأتي بالفعل فإن وجدناها في الفعل فهي أصلية.مثال:ابتداء:بدأ وإن لم نجدها فهي منقلبة عن واو أو ياء ونعرف ذلك بالمضارع.مثال:بناء:بنى،يبني-عداء:عدا يعدو
– وإن لم تكن أصلية أو منقلبة فهي همزة تأنيث زائدة.مثال:شعراء:شعر
النسبة إلى الاسم المقصور:
الاسم المقصورهو اسم معرب ينتهي بألف مد (طويلة أو مقصورة) مفتوح ماقبلها.
عند النسبة إلى الاسم المقصور :
1) نقلب ألفه واوا إذا كانت ثالثة.مثال: فتى ، فتَويٌّ .
2) ونحذف ألفه أونقلبها واوا إذا كانت رابعة وكان الحرف الثاني ساكنا. مثال: مرْمى، مرمِيٌّ ، مرمَوِيٌّ.
3) ونحذف ألفه إذا كانت رابعة فصاعدا وكان الحرف الثاني متحركا أو كانت خامسة أوسادسة.مثال: جمزى، جمزيٌّ (حمار صغير) ـ حُبَارَى، حبارِيٌّ ـ مرتضى، مرتضِيٌّ
النسبة إلى الاسم المنقوص:
الاسم المنقوص هو اسم معرب ينتهي بياء مد مكسور ماقبلها.
عند النسب إلى الاسم المنقوص ننظر إلى ترتيب يائه بين حروفه :
1- إذا كانت الياء ثالثة تقلب واوا.مثال : الشجي : الشجويّ
2- إذا كانت الياء رابعة يجوز فيها وجهان:
أ- حذف الياء. مثال : القاضي : القاضيّ
ب- أو قلب الياء واواً : مثال : القاضي : القاضويّ
3- إذا كانت الياء خامسة فصاعدا تحذف. مثال :المعتدي: المعتديّ
رابعا: النسبة إلى الأسماء الأعجمية
عرض الأمثلة :من نص :تحية وإشادة ص100 تستخرج الأمثلة عن طريق المناقشة.
1- إني أحمل تحيات الأمة الجزائرية إلى شقيقتها الأمة التونسية.
2- نقدم هذا الرجل العظيم لأبنائنا ليقتفوا أثره لنصل إلى سعادة البشرية كلها لا سعادةِ الشمال الإفريقيّ.
القاعدة :
النسبة إلى الاسم الأعجمي:لاحظوا الأمثلة.ماهي الأسماء المنسوبة؟ من أي الأسماء أخذت؟ كيف صيغت؟
1- الاسم الأعجمي هو كل اسم ليس من وضع العرب.
2- عند النسبة إلى الاسم الأعجمي نعامله معاملة الأسماء الأخرى:
أ- قد نضيف ياء النسبة فقط .الهند:الهنديُّ
ب وقد نزيد حرفا أو أكثر أو نحذف أونزيد ونحذف معا ثم نضيف ياء النسبة:
– رومة :روميٌّ . حذفت التاء المربوطة.
– فرنسا:فرنسّيٌّ .حذفت الألف.
– النمسا:النمساويُّ. قلبت الألف واوا وزيدت قبلها ألف مد .
– المالي:الماليّ. حذفت الياء
– الكونغو: الكونغوليّ.زيدت اللام
– بوركينافاسو:بوركينابيّ.زيدت الباء وحذفت كلمة (فاسو)
3- أما الاسم المركب فقد ينسب إلى أحد جزئيه أو إلى جزءيه مع حذف بعض الحروف.
– كوت ديفوار:إيفواريّ
– تركمانستان:تركمانيّ
– أوزباكستان:أوزبكيّ
4- وقد تتم النسبة باسم يختلف عن المنسوب إليه.مدغشقر:ملغاشي
تعقيبات:
1- المقصور هو الاسم المختوم بألف طويلة أو مقصورة :الرضا /المستشفى.
2- المنقوص هو الاسم المختوم بياء مكسور ما قبلها : الراعي
3- الممدود هو الاسم المختوم بهمزة قبلها ألف زائدة : ابتداء – اعتداء – بيضاء.
4- يجوز في حالة كون الألف رابعة والحرف الثاني ساكنا أن نقلب ألفه واوا ونضيف ألفا قبل الواو : دنيا : دنياويّ
5- إذا كانت الكلمة على وزن ( فَعْلاء ) فالهمزة للتأنيث،مثال: بيضاء.
6- الاسم المؤنث يعرف بإدخال اسم إشارة مؤنث عليه أو وصفه بصفة مؤنثة أو إسناد فعل مؤنث إليه.
1- المجاز اللغوي هو أن تستعمل كلمة للدلالة على معنى غير معناها الأصلي.
2- المجاز نوعان:مجاز لغوي ومجاز عقلي.
3- المجاز اللغوي نوعان:استعارة ومجاز مرسل.
4- في الاستعارة تكون العلاقة بين المعنى المذكور والمعنى المحذوف هي المشابهة.
5- في المجاز المرسل تكون العلاقة بين المعنى المذكور والمعنى المحذوف هي غيرالمشابهة.
6- للمجاز المرسل ثماني علاقات.
7- في المجاز العقلي يسند الحدث إلى غير صاحبه،مثال:بنى أبو جعفر المنصور مدينة بغداد.المقصود أنه أمر ببنائها وأشرف على ذلك البناء.
لفكرة العامة :
دور الطاقة و أهميتها في التطور الاقتصادي و الاجتماعي
فهم العبارات وحسن تمثيلها
الافكار الاساسية:
الفكرة الأساسية1:
* دور الطاقة في ظل العولمة و أهم نتائجها
الفكرة الأساسية الثانية:
* تأثير النمو السكاني و الأنشطة الاقتصادية على زيادة استهلاك الطاقة.
الفكرة الأساسية الثالثة:
* عوامل إيجاد مصادر الطاقة والاعتبارات التي نوليها عند استخدامها.
الفكرة الأساسية الرابعة:
* مشاكل الطاقة و حلولها المقترحة للدول النامية.
المغزى :
العلم يبني بيوتا لا عماد لها و الجهل يهدم بيوت العز و الشرف
تحضير درس ضعف الصناعة العربية (لغة عربية – ثالثة متوسط)
تلخيص درس الطاقة الجديدة للسنة الثالثة متوسط
تحضير درس الطاقة الجديدة
الفكرة العامة
يتحدث الكاتب في النص عن دور الطاقة و مكانتها كما يبين تأثير العولمة على الاقتصاد مبينا تزايد الطلب المستهلكين للطاقة و اقتراح بعض الحلول لتوحيد الجهود بين الدول الغربية
الشكل التعبيري
مقال علمي تناول فيه الكاتب دور الطاقة الجديدة في النمو الاقتصادي بنمطية السرد
المغزى
العلم يبني بيوتا لاعماد لها و الجهل يهدم بيوت العز و الشرف
شرح المفردات
الاحترازية = الواقعية / تعزيز= تقوية
بحث هام حول الطاقة الشمسية
بحث هام حول الطاقة الشمسية حمل من المرفقات بالتوفيق
| اسم الملف | نوع الملف | حجم الملف | التحميل | مرات التحميل |
| الطاقة الشمسية واستخدماتها.doc |  |
28.5 كيلوبايت | |
المشاهدات 52 |
للطاقة مصادر واشكال متعددة، وقد صنفت بحسب تجددها واستمراريتها، فهناك الطاقة المستنفدة او التقليدية وما اتفق على تسميتها بالوقود الاحفوري، التي من اهم اشكالها ، النفط والفحم والغاز الطبيعي والمواد الكيمياوية
وان هذا النوع من الطاقة مهدد بالنضوب او غير دائم، ولايمكن صناعته ثانية ويتعذر تعويضه مجددا.
وهناك مايعرف بالطاقة البديلة او المتجددة ، اذ تشمل اشكالا متعددة، منها طاقة الريح، طاقة الشمس، طاقة المياه والامواج ، بالاضافة الى الطاقة الجوفية في باطن الارض ومصادر اخرى، وتتميز هذه الاشكال من الوقود بتجددها المستمر واتصافها بالديمومة، وبوصفها طاقة نظيفة وصديقة للبيئة، وفضلا عن مزايا اخرى، اجتمعت فيها لتجعلها بديلا عن الطاقة التقليدية، وان يتجه العالم نحو استثمارها، اذ تشير الدراسات والتقارير الى ان العقود المقبلة، ستشهد تزايد الطلب على الطاقة المستدامة التي ستسهم في نصف مايحتاجه العالم من الطاقة النظيفة بحلول العام (2050)، ونظرا لاهمية هذا البديل الجديد عن الطاقة التقليدية، فهناك توجه عام نحو تطوير واستغلال مصادر الطاقة المتجددة واستثمارها كاحد ابرز الحلول الممكنة لتحديات الطاقة في المستقبل.
مصادر الطاقة المتجددة و اهدافها :
تعد طاقة المياه من اهم اشكال الطاقة البديلة، حيث تنشأ من خلال حركة المياه او تدفقها في السقوط كالشلالات او تلاطم الامواج في البحار وحركة المد والجزر، ونتيجة ذلك يمكن تحويل الطاقة المتولدة الى طاقة كهربائية ، كما تعتبر الطاقة الشمسية من اكبر مصادر الطاقة المستدامة ، مصدرها اشعة الشمس التي يمكن استغلالها وتحويلها الى طاقة كهربائية نافعة من خلال الخلايا الشمسية.
اما طاقة الرياح فهي مصدر اخر مهم من مصادر الطاقة البديلة ،اذ تتولد بفعل محركات او توربينات التوليد ذات الاذرع الدوارة التي تتحرك نتيجة الريح فتنشأ طاقة تشغل التوربينات التي بدورها تنتج طاقة كهربائية، وكلما كانت هذه التوربينات بعدد اكثر ومساحة اوسع، كانت كمية الطاقة الكهربائية اكبر. وثمة مصدر للطاقة يمكن الاستفادة منه، الاوهي طاقة الحرارة الارضية او الجوفية ، حيث يمكن تحويل حرارة جوف الارض الى شكل حراري وكذلك استغلال حرارة المياه المنطلقة من جوف الارض في توليد الكهرباء، وكذلك تعتبر الطاقة المستمدة من المواد العضوية كحرق النباتات والمخلفات الزراعية والنفايات شكلا من اشكال مصادر الطاقة .
مزايا مختلفة
ان ايجاد واستثمار مصادر واشكال من الطاقة المتجددة، هو نتيجة دواع تكمن في طبيعة هذه الطاقة النظيفة ومزاياها التي اجمع عليها المتخصصون، حيث تقف في مقدمتها ، كونها الحل الامثل للحفاظ على البيئة في مواجهة قضية التغيير السلبي للمناخ العالمي على الارض ، فهي لاتلوث الهواء او اليابسة او البحر ، فضلا عن كون هذا النوع من الطاقة يتميز بالديمومة والاستمرار التي لانجدها في طبيعة الطاقة الاحفورية والناضبة بمرور الزمن ، كما ان الاعتماد على الطاقة المتجددة المحلية يحمي الاقتصاد الوطني من تقلبات السوق العالمية الناتجة عن اسعار الوقود التقليدية ، ومنشآت الطاقة البديلة عادة ماتكون بمنأى عن الاخطار الخارجية وعن اي استهداف حربي ولاتشكل اهدافا حربية ، الى جانب توفير فرص عمل جديدة ،ولعل غالبية اقامة هكذا مشاريع تكون بتكاليف اقل ، قياسا لمشاريع اخرى ، وتعد عاملا رئيسا لانقاذ الافراد من الفقر ، على مستوى البلاد الواحد ، وكذلك تعتبر وسيلة لنشر المزيد من العدالة في العالم بين البلدان الغنية والبلدان الفقيرة .
بين نظرتين
هناك من يرى في التوجه العالمي لمصادر الطاقة المتجددة والتوسع في استخدامات هذه المصادر هو اليقين بجدوى ومستقبل هذه الطاقة وامكاناتها الاقتصادية في سد النقص الحاصل للاحتياجات المستقبلية في العالم ،ففي حدود ما يقرب من (65) دولة تخطط للاستثمار في الطاقات المتجددة ، وتعمل على وضع السياسات اللازمة لتطوير وتشجيع الاستثمار في هذا الميدان ، وتتوقع مؤسسات عالمية متخصصة في مجال الطاقة ان يبلغ اجمالي الانفاق العالمي على مشاريع الطاقة ( 45) تريليون دولار خلال العقود الاربعة المقبلة ، وترى في قطاع موارد الطاقة البديلة ، انه سيحقق نسبة نمو سنوي بحدود 25بالمائة ليشكل في العام 2030نحو 70 بالمائة من السوق العالمية للطاقة ،وعلى سبيل المثال تشير الحقائق الميدانية الى الاقبال على استثمار هذه الطاقة ، فان اسبانيا والبرتغال وحدهما تمكنتا من انتاج 62ميغاواط من الطاقة الكهربائية باستخدام طاقة الرياح ، كما وفرت الخلايا الكهروضؤية أكثر من 170 ميغاواط ، واعلنت بريطانيا عن رفع مستوى استهلاك الطاقة المتجددة الى عشرة اضعاف من خلال خطة الثورة الخضراء ، ومن الجدير بالذكر ان اميركا تنتج(16) ألف ميكاواط ولديها خطط لانتاج (300) ألف ميكاواط بحلول العام 2030 ودول الاتحاد الاوروبي تخطط لانتاج20 بالمائة للطاقة من طاقة الريح.
ويعتقد المحللون والخبراء ان عصر النفط والغاز في طريقهما الى الزوال ، كما يؤكد العلماء ان الطاقة الشمسية يمكن ان تكون المصدر الاول للكهرباء بحلول نهاية القرن الحالي .
وفي الجانب المقابل ثمة رؤية تشير الى الطاقة التقليدية ستبقى محتفظة بمكانتها المتقدمة ، كونها تستطيع توفير الزيادة المتوقعة في استخدام الطاقة في العالم وان نمو معدلات الطلب عليها سيزداد الازمنة المقبلة واحتفاظ النفط بموقعه منفردا كاكبر مصدر للوقود ،وتشير بعض التوقعات ان معظم اشكال الطاقة التقليدية ستواصل الهيمنة على امدادات الطاقة في العالم خلال العقود القادمة.
مخاطر صناعة البترول:
كانت صناعة البترول في جميع مراحلها صناعة خطرة ،ومن هنا كان من المفروض ان تكون لها منذ البداية قواعدها واجراءاتها الصارمة في مجال حماية البيئة من التلوث أو التسرب وتنفيذ إجراءات السلامة في التشغيل لحماية العاملين ووسائل الانتاج والحفاظ على البيئة المحيطة. تعمقت مخاطر صناعة البترول في ظل عمليات التنمية والطلب المتزايد على استخدام البترول لتوفير احتياجات الطاقة الاولية كمنتجات بترولية وغاز طبيعي بحيث وصل الامر الى ان البترول كان يوفر اكثر من90% من أحتياجات بعض الدول ولاسيما المكتظة بالسكان كما هو الحال في مصر ، بالأضافة الى اهمية ودور البترول كمصدر ودعامة أساسية للدخل القومي في الكثير من البلدان المنتجة له، مما ازداد الوعي العام على ضرورة حماية البيئة والانسان وخاصة العاملين في مجال الصناعة البترول من مخاطره.
يتعرض العاملون في النفط لأربعة انواع من المخاطر،( المخاطرالطبيعية، المخاطر الكيميائية، المخاطر الآلية، المخاطر السيكولوجية – النفسية).
لمهنية والعامة بها عن طريق جهود مشرفي الامن الصناعي واطباء السلامة المهنية واجراء الكشف الطبي الابتدائي والدوري والتفتيش عن اماكن العمل وقياس نسب الغازات والابخرة والاتربة بها حتى يمكن الاحتفاظ بها في الحدود الآمنة الى جانب العناية بالسجلات الطبية والتقاتكمن المخاطر الطبيعية بتعرض العاملين في مجال النفط الى التعرض للشمس اي للحرارة أثناء عمليات الحفر في العراء سواءفي الصحراء او في البحار. التعرض للضوضاء، الاهتزازات الناجمة من الحفر ، التعرض للأشعاع الىجانب التعرض الى الضوء المبهر وللكهرباء في عمليات اللحام . مسببة امراض عديدة مثل ( ضربة الشمس، الانيميا ،سرطان الدم، سرطان الجلد، عتامة عدسة العين).
المخاطر الكيميائية عن طريق الغازات والادخنة والابخرة والاتربة التي تتصاعد في جو العمل. تسبب الغازات اضرارا بالغة تصل الى حد الاختناق والالتهابات ، قد تتسبب في حرائق أوانفجارات لأن مستخرجات البترول مواد ملتهبة ومتفجرة.
المخاطر الآلية تتعلق بالعمليات المتممة في الورش الملحقة بالمنشئات البترولية بهدف صيانة آلآتها.
المخاطر النفسية تكمن في عدم تكيف العامل مع جو العمل المعزول عن الاهل والاصدقاء في اماكن نائبة بالصحراء او البحار مما يسبب للعامل الشعور بالغربة والوحدة والضياع.
ومثل أنواع الوقود الحفري الأخرى، يتسبب حرق النفط في انبعاث ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وهو ما يساهم في ظاهرة الإنحباس الحراري. وبوحدات الطاقة فإن النفط ينتج كميات co 2 أقل من الفحم، ولكن أكثر من الغاز الطبيعي. ونظرا للدور الرئيسي للنفط والبنزين في النقل الشخصي والعام، فإن تخفيض إنبعاثات co 2 تعتبر من المسائل الشائكة في استخدامه. وتجرى مصانع السيارات بحوثا لتحسين كفاءة محركات السيارات، كما هناك أفكار لاحتجاز ذلك الغاز الناتج من المحطات الكهربائية وضخها تحت الأرض.
البدائل هي مصادر الطاقة المتجددة وهي موجودة بالفعل، وإن كانت نسبة هذا الاستبدال لا تزال صغيرة. الشمس، وطاقة الرياح والمصادر المتجددة الأخرى تأثيراتها على البيئة أقل من النفط. ويمكن لهذه المصادر استبدال النفط في الاستخدامات التي لا تتطلب كميات طاقة ضخمة، مثل تدفئة المساكن وأجهزة تكييف الهواء في البيوت واستخدام خلية الوقود التي تعمل بالهيدروجين لتحريك السيارات. ويجب تصميم المعدات الأخرى لتعمل باستخدام الكهرباء (المخزونة في البطاريات أو الهيدروجين عن طريق خلايا الوقود). كما أن هناك خيارات أخرى تتضمن استخدام الوقود السائل الذي له أصل حيوي (إيثانول، الديزل الحيوي).
مظاهر التلوث التي يحدثها البترول وعواقبه
يعتبر النفط من أهمّ الملوثات البيئية سواءً في البرّ أو البحر ، ويصحب عملية استخراج النفط مخاطر تلوّث في أغلب الأحيان ، وخاصّةً عندما يستخرج من قاع البحر ، حيث تتأثّر الكائنات الحيّة التي تعيش في تلك المناطق بشكلٍ كبير، هذا بالإضافة إلى الحوادث التي تتعرّض لها ناقلات النفط العملاقة والتي ينجم عنها تعرّض مناطق واسعة للتلوث النفطي . ولا ننسى أيضاً التلوّث النفطي الناتج عن الحروب ، وليست ببعيدٍ عنّا التلوّث الهائل الذي شمل الخليج العربي والمناطق القريبة منه ابان حرب تحرير الكويت في عام 1991 م .
للنفط تأثير ملحوظ على الناحية البيئية والإجتماعية، وذلك من الحوادث والنشاطات الروتينية التي تصاحب إنتاجه وتشغيله، مثل الإنفجارات الزلزالية أثناء إنتاجه والحفر، تولد النفايات الملوثة. كما أن استخراج البترول عملية مكلفة وأحيانا ضارة بالبيئة، بالرغم من أن (جون هنت من وودز هول) أشار في عام 1981 إلى أن أكثر من 70% من الإحتياطي العالمي لا يستلزم الإضرار بالبيئة لاستخراجه، وعديد من حقول النفط تم العثور عليها نتيجة للتسريب الطبيعي. في نفس الوقت يزعج استخراج النفط بالقرب من الشواطيء الكائنات البحرية الحية ويؤثر على بيئتها. كما أن استخراج النفط قد يتضمن الكسح، الذي يحرك قاع البحر، مما يقتل النباتات البحرية التي تحتاجها الكائنات البحرية للحياة. كذلك نفايات الزيت الخام والوقود المقطر التي تنتشر من حوادث ناقلات ا لبترول تؤثر بطريقة كارثية على بيئة الكائنات الحية المهددة بالموت والفناء في ألاسكا، وجزر جالاباجوس وأسبانيا، وعديد من الأماكن الأخرى
شكرا جزيلا لك وجزاك الله خيرا
شكرا جزيلا لك
شكرا لك استادي . اتمنى لك الصحة و العافية انشاء الله.
شكرا جزيلا لك
بحث حول الطاقة الشمسية
خلق الله الشمس والقمر كآيات دالة على كمال قدرته وعظم سلطانه وجعل شعاع الشمس مصدراً للضياء على الأرض وجعل الشعاع المعكوس من سطح القمر نوراً . قال الله تعالى في كتابه العزيز ( هو الذي جعل الشمس ضياء والقمر نوراً وقدره منازل لتعلموا عدد السنين والحساب ما خلق الله ذلك إلا بالحق يفصل الآيات لقوم يعلمون ) سورة يونس الآية(5) فالشمس تجري في الفضاء الخارجي بحساب دقيق حيث يقول الله سبحانه وتعالى في سورة الرحمن ( الشمس والقمر بحسبان ) الآية(5) . أي أن مدار الأرض حول الشمس محدد وبشكل دقيق ، وآي اختلاف في مسار الأرض سيؤدي إلى تغيرات مفاجئة في درجة حرارتها وبنيتها وغلافها الجوي ، وقد تحدث كوارث إلى حد لآيكن عندها بقاء الحياة فقدرة الله تعالى وحدها جعلت الشمس الحارقة رحمة ودفئاً ومصدراً للطاقة حيث تبلغ درجة حرارة مركزها حوالي (8ْ-40ْ) x 10 درجة مطلقة ( كفن ) ثم تتدرج درجة حرارتها في الانخفاض حتى تصل عند السطح إلى 5762ْ مطلقة ( كفن ) .
استفاد الإنسان منذ القدم من طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات أخرى وردت في كتب العلوم التاريخية فقد أحرق أرخميدس الأسطول الحربي الرماني في حرب عام 212 ق م عن طريق تركيز الإشعاع الشمسي على سفن الأعداء بواسطة المئات من الدروع المعدنية . وفي العصر البابلي كانت نساء الكهنة يستعملن آية ذهبية مصقولة كا لماريا لتركيز الإشعاع الشمسي للحصول على النار . كما قام علماء أمثال تشرنهوس وسويز ولافوازييه وموتشوت وأريكسون وهاردنج وغيرهم باستخدام الطاقة الشمسية في صهر المواد وطهي الطعام وتوليد بخار الماء وتقطير الماء وتسخين الهواء . كما أنشئت في مطلع القرن الميلادي الحالي أول محطة عالمية للري بوساطة الطاقة الشمسية كانت تعمل لمدة خمس ساعات في اليوم وذلك في المعادي قرب القاهرة . لقد حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من الطاقة الشمسية واستغلالها ولكن بقدر قليل ومحدود ومع التطور الكبير في التقنية والتقدم العلمي الذي وصل إليه الإنسان فتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلال الطاقة الشمسية .
بالإضافة لما ذكر تمتاز الطاقة الشمسية بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى بما يلي :-
- إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى .
- توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة لا تلوث الجو وتترك فضلات مما يكسبها وضعاً خاصا في هذا المجال وخاصة في القرن القادم.
يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية ، ويقصد بالتحويل الكهروضوئية تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية ) ، وكما هو معلوم هناك بعض المواد التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم وغيرها . وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي حيث وجدوا أن الضوء يستطيع تحرير الإلكترونات من بعض المعادن كما عرفوا أن الضوء الأزرق له قدرة أكبر من الضوء الأصفر على تحرير الإلكترونات وهكذا . وقد نال العالم اينشتاين جائزة نوبل في عام 1921م لاستطاعته تفسير هذه الظاهرة .
وقد تم تصنيع نماذج كثيرة من الخلايا الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة ، وهي لا تستهلك وقوداً ولا تلوث الجو وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة . ويتحقق أفضل استخدام لهذه التقنية تحت تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ( وحدة شمسية ) أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% أما الباقي فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه . كما تستخدم الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها .
أما التحويل الحراري للطاقة الشمسية فيعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات ( الأطباق ) الشمسية والمواد الحرارية .فإذا تعرض جسم داكن للون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص لإشعاع وترتفع درجة حرارته . يستفاد من هذه الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها . وتعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية . يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور وغيرها كذلك يمكن الاستفادة من الطاقة الحرارية في طبخ الطعام ، حيث أن هناك أبحاث تجري في هذا المجال لإنتاج معدات للطهي تعمل داخل المنزل بدلا من تكبد مشقة الجلوس تحت أشعة الشمس أثناء الطهي .
ورغم أن الطاقة الشمسية قد أخذت تتبوأ مكان هامة ضمن البدائل المتعلقة بالطاقة المتجددة ، إلا أن مدى الاستفادة منها يرتبط بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام أسوة بالطاقة التقليدية. وعليه يبدو أن المطلوب من تقنيات بعد تقنية وتطوير التحويل الكهربائي والحراري للطاقة الشمسية هو تقنية تخزين تلك الطاقة للاستفادة منها أثناء فترة احتجاب الإشعاع الشمسي . وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي . وتعد بحوث تخزين الطاقة الشمسية من أهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات الطاقة الشمسية وانتشارها على مدى واسع ، حيث أن الطاقة الشمسية رغم أنها متوفرة إلا نها ليست في متناول اليد وليست مجانية بالمعني المفهوم . فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية أو حرارية . وكذلك تخزينها إذا دعت الضرورة . ورغم أن هذه التكاليف حالياً تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية إلا أنها لا تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب أنها أخذة في الانخفاض المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية .
بحث كامل عن الطاقة الشمسية
الطاقة الشمسية الإشعاعية الحرارية ( التشميس )
أهمية الطاقة الشمسية الإشعاعية الحرارية :
لا يخفى على أحد ما للطاقة الشمسية الإشعاعية من أهمية عظيمة مباشرة وغير مباشرة في مختلف العمليات الحيوية والفيزيائية المولدة لكافة أنواع الحياة على سطح الأرض والعمليات التي تحافظ على استمرارها. ولولاها لتجمد سطح الأرض وانعدمت الحياة عليه وأصبح كوكباً بارداًَ ميتاً.
ولا شك في أن من أهم هذه العمليات تلك التي تحول هذه الطاقة إلى منتجات بيولوجية مفيدة متمثلة في المحاصيل الغذائية والوقود. فسلاسل الغذاء، مهما كانت طويلة ومعقدة تعود في جذورها إلى امتصاص خلايا النبات الخضراء الطاقة الشمسية الإشعاعية واستخدامها في بناء أنسجتها خلال عملية التمثيل الضوئي، وما الوقود المستحاث ( الأحفوري ) من فحم وبترول، وحطب إلا طاقة شمسية إشعاعية مخزونة تتحرر خلال عمليات الاحتراق.
أما من وجهة النظر المناخية، فالطاقة الشمسية الإشعاعية هي المولد الرئيسي لعناصر الطقس والمناخ كافة فلولاها ما تسخن سطح الأرض ولا الهواء، ولتوقف تدفق الرياح وتبخر المياه وهطول الأمطار، وتوقف جريان المياه في الأنهار. إنها القوة المحركة لنظام دورة الغلاف الجوي ومياه البحار والمحيطات، وبالتالي فإنها المحرك لعمليات نقل بخار الماء والطاقة الحرارية وتبادلها بين المناطق والأقاليم على سطح الأرض. ولذلك فإنها بما يعتريها من تحولات وتباينات مكانية وزمنية تعمل بشكل مباشر على تكوين حالات الطقس والمناخ المتنوعة على سطح الأرض.
تعد الشمس بحق المصدر الوحيد للطاقة الحرارية الواصلة إلى سطح الأرض. ولا شك في أن النجوم والقمر والكواكب الأخرى تطلق طاقة حرارية إشعاعية, وكذلك تفعل الأرض, إذ تنطلق طاقة حرارية من باطنها تعرف بالحرارة الأرضية ( geothermal )، ولكن أشكال هذه الطاقة جميعها ضئيلة جداً ومهملة تماماً إذا ما وازنّاها بما يصل سطح الأرض من طاقة شمسية إشعاعية. ويعود ذلك أولاً إلى البعد الشاسع الفاصل بين الأرض والنجوم الأخرى التي نراها تسطع في السماء, إذ يقع أقرب نجم إلى الأرض بعد الشمس، ذلك المعروف بمجموعة ( اُلفاسينتاري alpha centori ) المكونة من ثلاثة نجوم تدور حول بعضها البعض, على بعد يناهز 3,4 سنة ضوئية منها (1), أي ما يعادل 40.7×1210 كم, وهذا ما يزيد عن 260.000 ضعف المسافة بين الأرض والشمس, ويقل التدفق الحراري الأرضي عن 10-5 من الطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض، ويقل ما يشعه القمر عندما يكون بدراً كثيراً عن ذلك.
الشمس :
أوردت العديد من الدراسات ( 2، 3، 4، 5، 6، 7، 8 ، 9 ) معلومات مستفيضة حول بنية الشمس وتركيبها، استقتها من قياسات ومشاهدات قامت بها التوابع الاصطناعية مثل " سكاي لاب " ( مخبر السماء sky lab ) و( نمبوس nimbus7 ) و(هابيل ( habelوغيرها من التوابع والدراسات التي قامت بها وكالة الفضاء الوطنية الأمريكية (Nasa ) حول الشمس. وبينت, أن الشمس نجم متوسط الحجم, مكون من كرة هائلة ملتهبة تبلغ درجة حرارة سطحها حوالي 6000 ْ مئوية ( 6300ه كالفانية) ويبلغ طول قرص قطرها المرئي 1391×310 كم , أي ما يعادل 110 ضعف طول قطر الأرض تقريباً، وتزيد كتلتها عن 1998×2410 طن, أي ما يعادل 333×310 كتلة الأرض البالغة 6×2110 طن.
تتمركز الشمس في وسط المجموعة الشمسية، وتبعد عن الأرض بحوالي 149.6×610 كم وسطياَ (1) أو ما يعادل واحدة فلكية "Astronomical Unit " (25ص 3 ). ويظهر قرصها المرئي من سطح الأرض محصوراً في زاوية صغيرة جداً تتراوح بين30 َ – 32 َ. وتدور حول محورها دورة واحدة كل أربع أسابيع تقريباً، لكنها لا تدور كما تدور الأجسام الصلبة إذ تتفاوت دورتها حول محورها بين 27 يوم عند خط استوائها و30 يوم عند قطبيها.
بنية الشمس:
بينت الدراسات، استناداً إلى التباينات في الكثافة والضغط ودرجة الحرارة السائدة خلال الشمس، إن الشمس تتكون من عدة طبقات متميزة عن بعضها البعض، كما هو موضح في الشكل ( 1 ) ، وهي:
1ـ النواة ( core ):
يقدر طول نصف قطر نواة الشمس بحوالي 23%-28.8% (159.95 ×310-200×310 كم ) من نصف قطرها الكلي وتحتوي على ما يزيد عن40% من كتلتها و15% من حجمها، وتزيد كثافتها عن 10ه- 1.35×10ه كغ/ م ،ويتولد خلالها ما يزيد عن 90% من الطاقة الشمسية الحرارية الناتجة عن التفاعلات الذرية التي تندمج خلالها ذرات الهدرجين ( H ) متحولة إلى هليوم ( He ) وطاقة. ويعتقد أن معظم الأشعة فيها مكوناً من الأشعة السينية ( X ) ومن أشعة غاما ( ***947; ) ، وتقدر درجة حرارتها في مركزها بين 15×610-20×610 درجة كالفانية، وبنحو 7×610-8×610 درجة كلفانية عند أطرافها، ويقدر الضغط فيها بين610- 22 ×610 بار.
2 ـ الغلاف الإشعاعي (Radiative Zone):
تحتل سماكة هذا الغلاف حوالي47% ( 326.9 ×310 كم ) من نصف قطر الشمس. وتقل الكثافة خلاله تدريجياً حتى تبلغ عند أطرافه حوالي 70-120كغ/ م3. وتصل درجة حرارته إلى حوالي 610 درجة كالفانية. وخلاله تشع الطاقة الشمسية نحو سطح الأرض.
3 ـ الغلاف الحملاني (Convective Zone):
تشغل سماكة هذا الغلاف حوالي 30% (208.7 ×310 كم ) من نصف قطر الشمس وتتناقص كثافته إلى حوالي 10-4كغ/ م3 ويصل الضغط فيه إلى أقل من 10-2 بار عند حده الخارجي، تسود خلاله تيارات حملا نية حرارية تنقل الطاقة الشمسية إلى سطح الشمس.
4 ـ الغلاف المرئي "فوتوسفير" (Photosphere ):
يشكل غلاف فوتوسفير الحد الخارجي للغلاف الحملاني، وفي الوقت نفسه يشكل سطح الشمس المرئي ذو اللون الفضي اللامع. ويعرف أحياناً بالغلاف الضوئي (light Sphere of)، وتبلغ سماكته عدة كيلو مترات، وهو المصدر الرئيسي للطاقة الشمسية الإشعاعية الواصلة إلى سطح الأرض, وتناهز درجة حرارته 6000 ْ كالفانية وتقل كثافته عند الحد الخارجي عن 10 كغ/ م3.
يظهر الفتوسفير مبرغلاًً ، تغطية خلايا حرارية حبيبية لامعة (Granules) غير منتظمة تمثل قمم التيارات والفورانات الحملانية الجارية خلال الغلاف الحملاني، تتراوح أقطارها بين 1000-3000 كم، ولا تزيد مدة بقاء كل منها عن بضع دقائق. وعلى الرغم من تشكل الفوتوسفير من غازات ضئيلة الكثافة فإن حده الخارجي محدد بوضوح، فالغازات المكونة له شديد التأين تمكنه من التصرف كجسم كتيم للأشعة قادر على امتصاص وإطلاق الأشعة الشمسية باستمرار.
وتعد البقع الشمسية (Sunspots ) من المظاهر الهامة التي تعتري سطح الفوتوسفير، وتعرف أيضاً بالكلف الشمسي وتعرف أحياناً بالمسامات (Pores ). وهي بقع داكنة اللون نسبياً، لانخفاض درجة حرارتها عما حولها بحوالي 1000 ه -1500 ه مئوية، إذ تقدر درجة حرارتها بين4000 ْ- 4500 ْ كالفانية. ولا تتعدى مساحتها مساحة الخلايا الحملانية، لكن تتراوح أطوال أقطار الكبيرة منها بين 410- 510 كم ، ويمكن مشاهدتها عند الغروب بالعين المجردة. ويحيط بالبقع الشمسية خلايا حرارية (Faculae ) لها نفس أبعادها لكنها أشد حرارة منها ولمعاناً ويشتد خلالها الإشعاع الشمسي ويتعاظم ليعوض النقص في الإشعاع الحاصل عند تكاثر البقع الشمسية.
تدوم البقع الشمسية عدة أيام، وتختلف أعدادها وفقاً لدورات زمنية منتظمة تتكرر كل 11 سنة وسطياً وبعضها يصل إلى 22 و89 وحتى 178 سنة. تتميز البقع الشمسية بقوة حقولها المغناطيسية, وبكونها مراكز للأقاليم المضطربة والناشطة على سطح الشمس. وتؤدي حتماً إلى اضطراب في الغلاف المغناطيسي الأرضي.
5 ـ (Reversing Layer ):
تمثل هذه الطبقة الطبقة الأولى من الغلاف الجوي الشمسي, تتكون من غازات شفافة, تبلغ سماكتها حوالي 560 كم فوق الفوتوسفير, وتقل درجة حرارتها إلى حوالي 4200 ْ كالفانية، ولا تلاحظ إلا في أوقات كسوف الشمس الكلي أو باستخدام أدوات تحجب قرص الشمس.
يلاحظ خلال الطبقة الانقلابية خطوط غامقة اللون, تعرف بخطوط فرون هوفر ( Fraunhofer Lines) نسبة للعالم الألماني جوزيف فرون هوفر الذي اكتشفها. وتشكل هذه الطبقة نطاقاً انتقالياً بين الفوتوسفير وغلاف كروموسفير التالي.
6 ـ طبقة كروموسفير( Chromosphere):
تظهر طبقة كروموسفير فوق الطبقة الانقلابية على شكل هالة تحيط بالشمس تعرف أحياناً بالطبقة الملونة (Colorsphere ) تناهز سماكتها 1000 كم, متكونة من غازات ضئيلة الكثافة من شوارد الهدرجين والكالسيوم (Ca ), وتتزايد درجة حرارتها تدريجياً باتجاه الخارج من 5000 ْ كالفانية عند قاعدتها إلى حوالي 20.000 ْ كالفانية عند قمتها. وتمثل كروموسفير الطبقة الثانية من الغلاف الجوي الشمسي. ولا يمكن مشاهدتها إلا في أوقات الخسوف الشمسي فقط.
وبين الوقت والآخر تثور خلال كروموسفير فورانات أو إندلاعات شمسية ( Flares) تصل ارتفاعها آلاف الكيلومترات. و عادة يزيد عددها عن 100 إندلاع يومياً، تتخللها عدة إندلاعات عظيمة (Prominences ) تحدث سنوياً. تعد هذه الإندلاعات مصدراً لتدفقات شديدة من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية ومختلف أطياف الأشعة، يصاحبها فيض عظيم من البلازما الشمسية المشحونة بطاقة كهربائية كبيرة، ويذكر أنه في يوم 12 أيار / مايو من عام 1980 حدث اندلاع عظيم دام حوالي 40 دقيقة غطى مساحة تقدر بنحو 2.5×10 9 كم2 من سطح الشمس (7).
7 ـ طبقة كورونا ( Corona):
تقع الكرونا فوق طبقة الكروموسفير, مشكلة الطبقة الخارجية للغلاف الجوي الشمسي. ولا يمكن مشاهدتها أيضاً إلا في أوقات كسوف الشمس الكامل. وتتكون من البلازما الشمسية أو ما يعرف بالرياح الشمسية (Solar Wind ). وهي أقل كثافة من الكروموسفير, تتألف من 91.3% بروتونات و8.7% ذرات هيليوم متأنية تصاحبها إلكترونات وأنواع مختلفة من الأشعة الشمسية. تتراوح درجة حرارتها بين 10 6-2×10 6 درجة كلفانية (7), تنطلق الرياح الشمسية بسرعة هائلة تزيد عن 500 كم/ثا, وتزيد عن ذلك في أوقات الإندلاعات الشمسية الحاصلة من طبقة كروموسفير. تنتشر الكرونا خلال مساحات شاسعة في الفضاء الكوني متعدية حدود المجموعة الشمسية. ويعرف الحد الذي تصل إليه بالحد الشمسي.
والحقيقة فإن الأرض تقع في الأجزاء الخارجية من الغلاف الجوي الشمسي, ولذلك يدخل الغلاف المغناطيسي الأرضي في صراع دائم مع الرياح الشمسية التي تضغط عليه باستمرار لكنه يتمكن من صدها ومنعها من الوصول إلى سطح الأرض
تولد الطاقة الشمسية:
تشبه الشمس بفرن ذري عظيم, تتحول في نواتها ذرات الهيدرجين ( H11) بواسطة الاندماج الذري إلى ذرات هيليوم ( 24He) مطلق طاقة حرارية هائلة ( E ) ونترونات (n 01) وبزوترونات ( +e ) وغيرها من الجسيمات الناتجة عن تفكك ذرات الهيدرجين واندماجها.
يبدء الاندماج الذري باندماج نويات (11H) منتجة نظائر الهيدروجين ديوتيريوم (12H) وتريتوريوم (31H ) وتحولها إلى ذرات هليوم.
11H + 11H 21H + e
21H + 21H 31H + 11H
21H + 21H 32He + 10n + E
21H + 31H 42He + 10n + E
وتتولى الاندماجات الذرية متزامنة مع بعضها البعض وتستمر، باستمرارها يستمر تدفق الطاقة الشمسية الحرارية الهائلة . ويتم إنتاج الطاقة وفقاً للنظرية النسبية لاينشتاين (ص10) E=mc2 erg
هنا : ـ E= الطاقة الحرارية المتدفقة ( ايرج أو حريرة)
ـ m= كتلة الذرات المندمجة
ـ c= سرعة الضوء (300× 10 8 سم /ثا)
لذلك فإن ما ينتح اندماج ذرات غرام واحد من الهدرجين يساوي 9×10 :إيداج, أي ما يعادل 21.5×10 12 حريرة /ثا.
واستناداً إلى تقديرات العالم جاموGamo (20) فإن حوالي 800×10 6 طن من الهيدرجين تتحول في نواة الشمس من طاقة حرارية بحوالي 17.2×10 24 إيداج/ثا أي حوالي 17.2×10 27 حريرة/ثا. ويمكن أن نتصور مقدار هذه الطاقة الحرارية الهائلة المنبعثة من إن إندماج ذرات هذه الكتلة الهدروجينية إذا علمنا أن الإندماج الذري لكيلو غرام واحد منها ينتج طاقة تعادل ما ينتجه احتراق 20×10 6 كغ من الفحم الحجري.
(1)ايرج (erg): واحدة لقياس الطاقة الحرارية والعمل في واحدة (cgs), وكل
1 حريرة =4.187×10 7 ايرج وكل 1 جول أو1 واط = 10 7 ايرج
ٍطيف الأشعة الشمسية وطبيعتها:
تشع الشمس طاقتها الإشعاعية على شكل طيف واسع من أمواج مشحونة كهربائياً ومغناطيسياً, تعرف بالأمواج الإشعاعية الكهرومغناطيسية (Electromognatic radiation waves )، ذات أطول مختلفة
وترددات متعددة, تنطلق بسرعة كبيرة واحدة قاطعة مسافة واحدة خلال واحدة زمن(1 ثانية) تعادل 300×10 3 كم/ثا, وهذا ما يعادل سرعة الضوء في الثانية الواحدة. ولا تتأثر سرعة انتشارها بوجود الغلاف الجوي للأرض لأنه بالنسبة لها رقيق جداً إلى حد يمكن اعتبارها وكأنها تنتشر في فضاء مفرغ من الهواء. وعادة ما تصنف الموجات الإشعاعية الكهرومغناطيسية بطول أمواجها وترددها خلال مسافة زمنية محددة ( 300×10 3 كم/ثا ) .
يقصد بطول الموجة المسافة الفاصلة بين قمتي أو قعري موجتين إشعاعيتين متتاليين (الشكل ). وتستخدم الوحدات المترية وأجوائها في قياسها، فتقاس الطويلة منها بواحدة المتر (م) بينما تقاس القصيرة منها بواحدة (المايكرومترUM)مكم ويساوي 10-6 م أو النانومتر(nm)ويساوي 10-9 م أو الانجستروم انج ويساوي 10-10م
ويعني تردد الأمواج الإشعاعية الكهرومغناطيسية عدد هذه الأمواج التي تعبر حداً معيناً خلال ثانية من الزمن أو بكلمة أخرى يعبر عن عدد الأمواج الإشعاعية الحاصلة خلال المسافة التي تقتطعها هذه الأمواج خلال واحدة الزمن ( ثانية واحدة ). ويمكن التعبير عن هذه المسافة "بالمسافة الزمنية" ولأن هذه الأمواج تنطلق بسرعة واحدة, هي سرعة الضوء قاطع مسافة 300×10 3 كم بالثانية الواحدة, فيعنر عن هذه المسافة الزمنية "بالثانية الضوئية",وهي أصغر وحدة في ما يعرف بوحدات المسافة الضوئية, إذاً فالثانية الضوئية ومضاعفاتها ( دقيقة, ساعة, يوم, سنة ضوئية ) ليست واحدات لقياس الزمن, بل هي واحدات لقياس المسافات, تستخدم في قياس المسافات الشاسعة في الفضاء بين الاجرام السماوية, كما هو الحال في استخدام الوحدة الفلكية المذكورة سابقاً .
تظهر الأمواج الطويلة خلال المسافة الزمنية (ثانية ضوئية) التي تقطعها أقل تردداً من الأمواج القصيرة, وهكذا فكلما كبرت أطوال الأمواج قل ترددها وكلما قصرت ازداد ترددها. إذن توجد علاقة عكسية بين أطوال الأمواج وترددها، ويمكن حساب تردد الأمواج الإشعاعية الكهرومغناطيسية بالعلاقة التالية:
(1)حيث انه لا يوجد لكل من الميكرومتر (um) والآنجستروم (A) متفق عليه بين المؤسسات العلمية العربية، نقترح هنا استخدام رمز(مكم) و(آنج) لكل منهما على التوالي.ويساوي10-10م.
( هيرتز Hz )موجة/ثا F=
هنــا:
F= تـردد الأمواج الشـعاعية (موجة /ثا)
C = المسافة التي تقطعها الأمواج الإشعاعية للكهرومغناطيسية (1ثانية ضوئية )=300×10 3 كم/ثا
***955; = حرف إغريقي (لامبدا Lambda ) يمثل طول الموجة الإشعاعية الكهرومغناطيسية
وتقاس كل من C و ***955; بنفس الواحدات المترية وأجزائها
1 كيلو متر (كم) =10 3 متر) م) =10 5سنتيمتر(سم) =10 6 ميليمتر (مم) =10 9 مايكرومتر (مكم) =10 12 نانومتر (نم) =10 13انغستروم (آنج) =10 15
الجدول رقم /1/ : أمواج الأشعة الشمسية الكهرومغناطيسية وأقاليمها الرئيسية
وأطوالها ( ) مقاسـة بالنانومتر (nm.نم)
وترددهـا (F) مقاسـة بالهرتـز (Hz.هـز )
أقاليم أمواج الأشعة الشمسية الكهرومغناطيسية طول الأمواج (***955;)
(nm.نم) تـردد الأمـواج (F)
(Hz.هـز)
أشـعة جاما الكونية 10-4 – 10-2 3×1210 – 3×1910
الأشـعة السـينية X
أشـعة سينية قاسية HX 10-2 – 0.1 3 ×1910 – 3×1810
أشـعة سنية ليند SX 0.1 – 1 3 × 1810 – 3×1710
الأشـعة فوق البنفسجية UV
أشـعة فوق بنفسجية EUV 1 – 200 3×1710 – 3×1.5 × 1510
أشـعة فوق بنفسجية بعيدة FUV 200 – 300 1.5 × 1510 – 1510
أشـعة فوق بنفسجية قريبة NUV 300 – 320 1510 × 9.4 × 1410
الأشـعة الضوئية البيضاء المرئية VL
أشـعة سـوداء 320 – 380 9.4 × 1410 – 7.89 × 1410
أشـعة بنفسجية 380 – 420 7.89 × 1410 – 7.14 × 1410
أشـعة زرقـاء 420 – 490 7.14 × 1410 – 6.12 × 1410
أشـعة خضـراء 490 – 540 6.12 × 1410 – 5.56 × 1410
أشـعة برتقاليـة 540 – 590 5.56 × 1410 – 5.08 × 1410
أشـعة حمـراء 590 – 650 5.08 × 1410 – 4.62 × 1410
الأشـعة تحت الحمـراءIR 650 – 760 4.62 × 1410 – 3.95 × 1410
أشـعة تحت الحمـراء قريبة NIR
أشـعة تحت حمـراء بعيدة FIR 607 – 310 3.95 × 1410 – 3×1410
الأشـعة الصغيـرة MW 310 – 610 3 × 1410 – 3 × 1110
أمـواج الـرادار 510 – 710 3 × 1210 – 3 × 1010
أمـواج التلفزيـون 610 – 910 3 × 1110 – 3 × 810
أمـواج الراديـو 810 – 1010 3 × 910 – 3 × 710
1010 – 1210 3 × 710 – 510
عن Chanllet (1986) Dickinson and Cheremisinoff (1980)
وحسب تردد الأمـواج باستخدام المعادلة F= حيث C= نانومتر (نمnm )
أما بالنسبة لتردد الأمواج ( F ), فقد اتفق دولياً على استبدال وحدة "موجة/ثانية"بواحدة (هيرتزHz, Hertz ) ومضاعفاتها:
كيلو هيرتز ( KHz ) ويعادل 10 3 Hz , ميجا هيرتز (MHz ) ويعادل 10 6 Hz, وجيجا هيرتز(GHz ) وتعادل 10 9 Hz.
ويبين الجدول (1) أطوال أمواج طيف الأشعة الكهرومغناطيسية وترددها وأقاليمها المختلفة.
تتباين قدرة الطاقة التي تحملها أمواج الأشعة الكهرومغناطيسية, فالأمواج القصيرة تحمل طاقة أكبر من الأمواج الطويلة, لقد تبين أن انتقال الطاقة عبر أمواج الأشعة الكهرومغناطيسية يجري على شكل سيل من كميات صغيرة أو حزم صغيرة من الطاقة متراصة وراء بعضها البعض تعرف بالفوتونات (Photons ), لها صفات الذرات وفي الوقت نفسه ليس لها كتلة, ولها صفات الأمواج ذات عزم حركي لكنها لا تحمل شحنات كهربائية. (7 ص56 ) إذن، ففوتونات الإشعاعية الكهرومغناطيسية القصيرة – التي تقل أطوالها عن320 نم – تحمل طاقة كبيرة أكبر مما تحمله فوتونات الأمواج الطويلة, تمكنا من الفتك بالخلايا الحية الحيوانية والنباتية, ولحسن حظها فإن ما تشعه الشمس من هذه الأشعة يقل عن 7% من مجموع الطاقة التي تشعها, ولا يصل سطح الأرض سوى النذر اليسير جداً منها على شكل أشعة فوق البنفسجية .
أقسام طيف الأشعة الشمسية الكهرومغناطيسية:
تقسم الدراسات طيف الأشعة الشمسية الكهرومغناطيسية إلى عدة أقسام تعرف بالأقاليم (Regions ) كما هو مبين في الجدول /1/ والشكل/ 2/ وهي:
إقليم الأشعة الكونية: ويتمثل بأشعة (جاما Gama ) وغيرها من الأشعة التي تقل أطوال أمواجها عن 0.01 نم.
إقليم الأشعة السينية (x-rays ) : وتتراوح أطوال أمواجه بين 0.01-1 نم. ويضم الأشعة السينية القاسية ( HX", Hard x ray") والأشعة السينية الينة (SX", soft x ray" ).
إقليم الأشعة فوق البنفسجية ( Ultra Violet"UV") : وتتراوح أطوال أمواجه بين 1-320 نم. ويقسم إلى ثلاثة أجزاء تسمى وفقاً لموقعها من طيف الأشعة المرئية البيضاء الذي يليها,وهي: الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة ( "EUV" Extrem Ultra Violet) الأشعة فوق البنفسجية البعيدة ( "FUV"Far Ultra Violet) الأشعة فوق البنفسجية القريبة (Ultra Violet "NUV" Near ). ويكون هذا الإقليم مع إقليم الأشعة السينية وإقليم أشعة جاما حوالي 7 % من مجموع الطاقة الشمسية الإشعاعية, وهي أشعة ضارة وفتاكة.
إقليم الأشعة المرئية البيضاء( White Visable Ray) ( 3ص 67-77 )وتتراوح أطوال أمواجه بين 320-760 نم. ويتكون من مزيج من الأشعة البنفسجية والزرقاء والخضراء والصفراء والبرتقالية والحمراء (الجدول 1), ويضاف إليها ما يعرف بالأشعة السوداء لعدم استطاعة العين رؤيتها ( 11ص49 ). وتشكل الأشعة المرئية البيضاء حوالي 44% الطاقة الشمسية الإشعاعية وهي أشعة ذات طاقة حرارية وضوئية كبيرة تلعب دوراً رئيسياً في تسخن سطح الأرض وفي مجريات الطقس والمناخ السائد عليه.
إقليم الأشعة تحت الحمراء ( Infra Red Ray): وتتراوح أطوال أمواجه بين 760-10 6نم, وينقسم إلى جزئين وفقاً لموقعها من طيف الأشعة المرئية البيضاء السابقة له,هما: الأشعة تحت الحمراء القريبة (Infra Red "NIR" Near)وتشكل 37%من مجموع الطاقة الشمسية, والأشعة تحت الحمراء البعيدة (Far Infra Red FIR"") وتشكل حوالي 11% من مجموع الطاقة الشمسية, لا تتمكن العين من رؤية الأشعة تحت الحمراء, ولكن يمكننا أن نشعر بحرارتها.
إقليم الأشعة الصغيرة ( "MWR" Micro Waves Ray) وتتراوح أطوالها بين 10 5-10 7 وتشكل أقل من 1% من مجموع الطاقة الشمسية.
إقليم أمواج الرادار (Radar Waves): وتتراوح أطواله بين 10 6- 10 9 نم
إقليم أمواج التلفزيون (TV Waves): وتتراوح أطواله بين 10 8- 10 10 نم
إقليم أمواج الراديو (Radio Waves): وتتراوح أطواله بين 10 10- 10 12 نم
إقليم الأشعة الشمسية المرئية البيضاء والألوان:
يتبين لنا أن الأشعة الشمسية المرئية البيضاء, متكونة من مزيج من الأشعة الملونة حين تعبر خلال موشور زجاجي,فتخرج منه متفرقة ومنكسرة, ويزداد انكسارها عكساً مع طول أمواج كل منها, فتظهر معكوسة الترتيب, الأشعة البنفسجية في الأسفل لأنها أشد انكساراً تليها الزرقاء ثم الخضراء والصفراء والبرتقالية وتظهر الأشعة الحمراء في الأعلى لأنها أقل انكساراً(الشكل 3). ويحدث ذلك أيضاً في ظاهرة قوس قزح( Rainbow). وعادة يتشكل قوس قزح عندما تهطل الأمطار في جزء من السماء وتكون ساطعة في الجزء الآخر منها, وأحياناً يحدث خلال قطيرات الما المتناثرة فوق مساقط المياه وفوق نوافير المياه أيضاً, فتقوم قطيرات الأمطار والقطيرات المتناثرة بدور الموشور الزجاجي.فعندما تدخل الأشعة الشمسية البيضاء قطيرات الماء تقل سرعتها وتنكسر وتتفلاق إلى أطياف أشعة ألوانها الأساسية. وعندما تصطدم هذه الأشعة بمؤخرة القطيرات ترد خارجة منها منكسرة ومتفرقة أيضاً مشكلة قوساً بديعاً من الألوان البنفسجية والزرقاء و الخضراء والصفراء والبرتقالية والحمراء(7).
تتمكن العين من رؤية الأشعة الشمسية البيضاء. وأطياف أشعتها الملونة لأن هذه الأمواج الكهرومغناطيسية تثير نهايات الأعصاب البصرية المنتشرة على شبكية العين على شكل عصيات أو أقماع بصرية,فتقوم بإرسال إشارات للدماغ تمكننا من إدراك الألوان ورؤيتها. تمكن العصيات العين من التفريق بين الضوء والظلام, ومشاهدة اللوتين الأبيض والأسود فقط, لأنها لا تستطيع التميز بين أشعة الألوان المختلفة, بينما تستطيع الأقمار استشعار الأشعة الملونة التي تنحصر أطوال أمواجها بين 380-670 نم والتميز بينها, فتمكن العين من رؤية الألوان جميعها, ولا تستطيع الأشعة التي تقل أطوال أمواجها عن 380 نم أو تزيد عن 670 نم إثارة نهايات الأعصاب البصرية لذلك لا تراها العين.
فالحقيقة فألوان الأشياء التي تراها العين ليست إلا أشعة كهرومغناطيسية مختلفة أطوال الأمواج منعكسة على سطح هذه الأشياء. فمثلا عندما تسقط أشعة الشمس الضوئية على سطح أخضر اللون, يمتص هذا السطح أشعة الألوان كلها عدا أشعة اللون الأخضر التي يعكسها فتراها العين. وهكذا بالنسبة لكل الأشياء الملونة, فسطوحها تمتص طيف الأشعة المرئية الواصل إليها كله وتعكس الأشعة الموافقة للونها فقط.
الشمس المتلونة والسماء الزرقاء:
أما بالنسبة للشمس, فيعود لونها الأبيض اللامع في وسط النهار إلى شدة إشعاعها في هذا الوقت وسقوط أشعة ضوئها المرئية جميعها على الأقماع البصرية للعين بشدة متساوية تقريباً فلا تستطيع التمييز بينها ونستشعرها كأنها أشعة واحدة بيضاء. بينما عند شروق الشمس أو غروبها تخترق الأشعة الشمسية الغلاف الجوي بزاوية ضعيفة, حوالي 4 5 درجات قاطعة حيزاً كبيراً منه أكثر سماكة من الحيز الذي تقطعه وقت الظهر بحوالي 12 ضعف, فخلال هذا السماكة الكبيرة تتبعثر الأشعة القصيرة (البنفسجية والزرقاء و الخضراء) بواسطة جزيئات الهواء الدقيقة الأصغر منها حجماً بشكل انتقائي في كل الاتجاهات خلال الغلاف الجوي. بينما تتمكن الأشعة الصفراء والبرتقالية والحمراء من الدخول إلى عين الناظر مظهرة الشمس بلون أصفراء- برتقالي زاهي, وفي حال وجود جسيمات وذرات غبار معلقة في الهواء, تزيد أقطارها قليلاً عن طول أقطار جزيئات الهواء, تتبعثر الأشعة الصفراء وتظل الأشعة البرتقالية والحمراء مظهرة الشمس بلون برتقالي-أحمر, وإذا تواجدت الجسيمات بكميات كبيرة تتبعثر أشعة ضوء الشمس كلها عدا الأشعة الحمراء فتظهر الشمس بلون أحمر وذلك ما يحدث عند انفجار البراكين التي تملوء السماء بجسيمات دقيقة, أو فوق المحيطات حيث يكون الهواء مترعاً بذرات بلورات الملح الدقيقة وذرات بخار الماء, وأحيانا إذا كانت أحجام الجسيمات متجانسة تعمل على بعثرة الأشعة الشمسية الضوئية بشكل انتقائي مظهرة الشمس بعدة ألوان, حتى في منتصف النهار تبدو الشمس برتقالية أو خضراء أو حتى زرقاء ( 3ص 67-73 ).
ومن الملاحظ أنه خلال عمليات التبعثر المذكور في مختلف أشكاله, حتى في منتصف النهار, تعمل جزيئات الهواء دائماً إلى بعثرة الأشعة الشمسية الضوئية القصيرة جداً, البنفسجية والزرقاء و الخضراء, انتقائياً في كافة الاتجاهات في الغلاف الجوي, بالإضافة إلى ذلك فإن المخاريط البصرية في العين شديدة الحساسية لهذه الأشعة ما يجعل الشماء تبدو لنا زرقاء في الاتجاهات كلها وفي الأحوال جميعها من حساب شدة الطاقة الإشعاعية ومقدارها كمياً.
الوحدات
عادة تستخدم واحدات القوة ( Power)في قياس الطاقة الإشعاعية, وتعرف القوة بأنها "كمية الطاقة المنقولة خلال واحدة الزمن ", لذلك توجد عدة واحدات مستخدمة في قياس الطاقة الإشعاعية, أهمها وأكثرها استخداماً في دراسات الطقس والمناخ هي وحدة السعر الحراري أو حريرة ("Cal" Colorie ) ويعرف السعر الحراري "بأنه كمية الطاقة الحرارية المتطلبة لرفع درجة حرارة غرام المستخدمة في قياس الطاقة الإشعاعية الحرارية:واحد من الماء درجة مئوية واحدة, من14.5 إلى 15.5 درجة مئوية وتساوي 4.4855×10 إيرج أو 4.1855 جول." وعند استخدامها في قياس الطاقة الإشعاعية فإنها تعبر عن مقدار الطاقة التي تشعها أو تمتصها واحدة المساحة ( 1سم2 ) من سطح ما خلال واحدة زمن ( ثانية, دقيقة, ساعة, يوم,……الخ ). وتكتب كما يلي : " غرام –سعر حراري/سم2 ز أو حريرة/سم2 ز وفيما بعد اقتراحات واحدة (لانجلي Ly, Langley ) عوضا ًعن غرام –سعر حراري /سم2 ز فأصبحت واحدة القياس لانجلي /ز, وذلك تخليدا للعالم صومائيل لانجلي ( ,Samual P. Langley1906-1834) الذي قدم الكثير من الإسهامات الرائدة في أبحاث الأشعة الشمسية. وكلا الواحدتين تستخدم الآن بشكل متبادل, وعادة, عند حساب الطاقة الإشعاعية تعتمد الدقيقة واحة للزمن, فتصبح واحدة قياس غرام-سعر حراري /سم2 أو لانجلي/د ويمكن استخدام( الكيلو غرام –سعر حراري /م2د )أو كيلو لانجلي/د المعادلة إلى 100سعر حراري /سم2د أو 1000 لانجلي /د على التوالي.
وتفضل بعض الدراسات استخدام واحدة الإرج (1023892×10حريرة) أو الجول (0.2389 حريرة) أو الواط (1جول/ثا=0.23892 حريرة ). وحديثاً تمثيل الدراسات وخاصة في المجالات الهندسية إلى استخدام واحدة "واط/م2" (1.43352 -3 لانجلي/د)وبذلك فإن واحدة لانجلي/د يعادل ( 697.6 واط/م2).
تشكل الطاقة الحرارية وطرق انتقالها:
تتولد الطاقة الحرارية في بادئ الأمر, عندما تمتص الأشياء, مهما كان نوعها. الطاقة الشمسية الإشعاعية الواصلة إليها على شكل أمواج كهرومغناطيسية وتحولها إلى طاقة حرارية تخزنها في داخلها فتزيد درجة حرارتها ثم تعود وتطلقها مرة أخرى والأمر نفسه يحدث عندما نعرض أنفسنا إلى نار المدفاة, فعندما تمتص أجسامنا الأمواج الكهرومغناطيسية.
عمليات الإشعاع ونقل الطاقة الحرارية وتبادلها عند سطح الأرض:
عندما تصل الطاقة الشمسية الإشعاعية تحملها فوتونات أمواج الأشعة الكهرومغناطيسية من سطح الشمس عبر الفضاء إلى الأرض تدخل في عمليات عديدة من التحولات والتبدلات, تبدأ بامتصاص سطح الأرض والغلاف الجوي والأشياء والأجسام فيهما لهذه الطاقة, ومن ثم إشعاعها مرة أخرى لبعضها البعض وتتبادلها فيما بينها.
إذن عند دراسة عمليات الإشعاع الجاري على سطح الأرض وفي الغلاف الجوي, علينا إدراك وجود نوعين من الطاقة الإشعاعية وهما:
الطاقة الشمسية الإشعاعية والتي تشكل المصدر الأساسي لكل الطاقة الواصلة إلينا بمختلف أشكالها.
الطاقة الأرضية الإشعاعية بما فيها طاقة الغلاف الجوي الإشعاعية والتي هي أصلاً طاقة مستمدة من الطاقة الشمسية الإشعاعية بالإضافة إلى الطاقة التي تشعها الأجسام والأشياء إلى بعضها البعض, وعلينا أن ندرك أيضاً أن العمليات المتحكمة بالعلاقة بين أنواع الطاقة الإشعاعية كثيرة ومعقدة ومتشابكة, لذلك علينا أن نوجه اهتمامنا إلى تلك العمليات المؤدية إلى تشكل ظواهر الطقس والمناخ على سطح الأرض وطرق تصرفها, والقوانين الضابطة لها والتي تمكن من قياسها كمياً, وقبل كل شيء علينا توضيح بعضا لمفاهيم المتعلقة بهذا الموضوع.
الإشعاع:
يعرف الإشعاع بزنه "عملية نقل الطاقة بواسطة فوتونات الأمواج الكهرومغناطيسية دون الحاجة إلى وسيط أو تماس مع المصدر المشع", وهذه العملية التي تصلنا بواسطتها الطاقة الإشعاعية الشمسية, مع ذلك علينا أن نعلم أن سطع الأرض والغلاف الجوي وأجسامنا وكل الأشياء التي حولنا مهما كانت صغيرة أو كبيرة ومهما كان تركيبها الفيزيائي والكيميائي, ومهما كانت باردة تشع طاقة إشعاعية (Radiant Energy ) تتناسب طرداً مع درجة حرارتها شريطة أن لا تهبط درجة حرارتها إلى دون
-273.15 مئوية أما ما يعرف بالصفر المطلق, فكلما زادت درجة حرارتها عن هذه الدرجة كلما زادت طاقتها الإشعاعية.
هذه الحقيقة توصلنا إليها كل من العالمين جوزيف ستيفان(Josif Stefan, 1835-1893 م) ولودوبج بولتزمان (Ludwig Boltzman 1844-1906 م )في أواخر القرن التاسع عشر, وعرفت بقانون ستيفان بولتزمان نسبة لهما.
الاستشعار وامتصاص الطاقة الإشعاعية:
عندما تسقط أمواج الطاقة الإشعاعية الكهرومغناطيسية المنبعثة من الشمس على سطح الأرض وعلى غلافها الجوي وعلى كل الأشياء, تقوم هذه الأشياء يقوم هذه الأشياء بامتصاصها وتحميلها إلى طاقة داخلية Internal Energy)) (3ص 48-55), وخاصة طاقة حرارية تزيد من درجة حرارتها, فتعود وتشعها مرة أخرى على شكل أمواج كهرومغناطيسية إلى ما حولها.
إذن فإن الأشياء عندما تتعرض إلى الطاقة الشمسية الإشعاعية أو الطاقة الإشعاعية التي تشعها الأشياء من حولها وتمتصها فإنها تقوم بعملية (استشعاع) وعندما تقوم بإطلاقها فإنها تقوم بعملية (إشعاع), ويبدو واضحاً أنه كلما ازدادت قدرتها على الإستشعاع وكمية الطاقة الإشعاعية الممتصة كلما تسخنت الأشياء وازدادت قدرتها على الإشعاع, كما ويبدو واضحاً أيضاً أن الأشياء التي تمتص أو تستشع طاقة إشعاعية أكبر مما تشعه فإنها ستسخن, واذا شعت طاقة إشعاعية أكثر مما تستشع فإنها تبرد, وإذا كان مقدار ما تشعهمن طاقة إشعاعية مساوية لما تستشعه فإن درجة حرارتها تظل ثابتة وتكون هذه الأشياء في حالة توازن إشعاعي( Radiation Equilbrium), وهذا ما يفسر لنا الحالة الطبيعية الإشعاعية لكل الأشياء حولنا بما فيها الشمس, فقد لاحظنا فيما تقدم أنه عندما يشع سطح الشمس (الفوتوسفير) طاقة إشعاعية فإنه في الوقت نفسه يمتص طاقة حرارية تتولد في نواتها معادلة لم يشعه, ومن خلال خبراتنا اليومية نلاحظ أيضاً أن جميع الأجسام والأشياء حولنا تحافظ على توازنها الإشعاعي مع محيطها المتواجد فيه, وفي حالة اكتساب بعضها طاقة إشعاعية إضافية فإنها تسعى إلى إشعاعها والعودة إلى حالة توازنها الإشعاعي, والأمثلة على ذلك كثيرة لا حصر لها.
الطاقة وتحولاتها:
لابد لنا من الإشارة إلى أن الطاقة الإشعاعية الشمسية الساقطة على سطح الأرض تتعرض لتحولات عديدة من الطاقة مثل الطاقة الحرارية ( Heat Energy ), الطاقة الكامنة ( Potential Energy ), الطاقة الحركية ( Energy Kinetie), الطاقة الكيميائية ( Energy Chemical ) لكن تظل الطاقة الحرارية أهمها وأكثرها حضوراً بالنسبة للعمليات المؤدية إلى تكوين طقس الأرض ومناخها, بالإضافة إلى أن أشكال الطاقة الأخرى تبقى ضئيلة نسبياً وستتحول بعملية أو أخرى إلى طاقة حرارية, وفي نهاية المطاف إلى طاقة إشعاعية تشعها الأشياء والأجسام التي تمتصها (8 ص 9-10 ) كما هو مبين في
ما يلي:
طاقة شمسية إشعاعية طاقة حرارية (محسوسة +كامنة) أشعة تحت الحمراء
حرارة كافيـة حرارة محسوسة أشعة تحت الحمراء
طاقة كامنة طاقة حركية طاقة حرارية أشعة تحت الحمراء
طاقة كيميائية طاقة حرارية أشعة تحت الحمراء
قوانين الإشعاع( Radiation Laws):
ولتفهم عمليات إشعاع الطاقة وامتصاصها (استسعاعها) وإبرازها بشكل كمي لا بد لنا من معرفة القوانين الضابطة والتي يمكن حسابها وتعرف هذه القوانين بـ( قوانين الإشعاع) ولتوضيح هذه القوانين وتسهيل استخدامها يجب الانطلاق من معيار مثالي تنطبق عليه هذه القوانين ومن تصميمها لذلك افترض العلماء وجود أجسام حرارية مثالية تمتص الطاقة الإشعاعية الساقطة عليها وتشعها في أقصى طاقة ممكنة وعرفت هذه الأجسام بالأجسام السوداء (Black bodies)وهي أجسام افتراضية تمتص أمواج الطاقة الإشعاعية الساقطة عليها كلها دون أن تعكسها أو تنفذها خلالها وتشعها في أقصى كمية عند أي درجة
حرارة لها وفي جميع الأطوال الموجبة ولا تدك تسميتها بالسوداء للدلالة على لونها وإنما للدلالة على أن أجسامها كتيمة للإشعاع (Opaque)وبتطبيق قوانين الإشعاع يمكن تحديد ميزات الأجسام السوداء وغيرها وكيفية تصرفها قوانين الإشعاع كثيرة لكنا سنحصر اهتمامنا بالقوانين الرئيسة والمهمة في دراسة الطقس والمناخ .
(1) وفقاً لقانون ستيفان بولتزمان تتناسب كمية الطاقة الإشعاعية(E) التي تشعها واحدة المساحة (1سم2) من سطح الجسم الأأسود طرداً مع القوة الرابعة لدرجة حرارتها الكلفاتنية (Tk4) خلال واحدة الزمن (1 دقيقة ) :
حريرة / سم2 د ك 4 E=***963; Tk . e
هنا: ***963; = ثابت ستيفان بولتزمان 8.123 × 10 – 11 حريرة/سم2 د ك (5.667 × 10 -12 واط/سم2, د, ك4), Tk = درجة الحرارة الكلفانية وتساوي: درجة الحرارة المئوية +272.15, e= معامل الإشعاعية (Emissivity) ويساوي الواحد عند الأجسام السوداء, وتقل عن الواحد عند بقية الأجسام غير السوداء والمعروفة بالأجسام الرمادية (grebodies ) التي تشع طاقتها بشدة أقل من الأجسام السوداء وعند كل أطوال الأمواج وعند أي درجة.
ويبين الجدول التالي قيمة(e) لبعض المواد, وهي نسبة مئوية مما تشعه الأجسام السوداء
المادة e
جلد الإنسان 98%
الماء الصافي 95%
الجليد 96%
الرمل الجاف 92%
الثلج 85%
الأسمنت 92%
عن: Hudson (1969)
(2) وفقا لقانون وين للإزاحة (Wien Displacement Law ) الذي اقترحه العالم ولهالم وين (1964-1928) , فان "للجسم الأسود طول موجة إشعاعية معينة يشع عندها طاقته الإشعاعية القصوى ويتناسب طول هذه الموجة عكسيا مع درجة حرارة الجسم " . فكلما ازدادت درجة حرارة الجسم كلما انزاح طول الموجة التي يطلق عندها طاقته القصوى نحو أطوال الأمواج القصيرة كما هو مبين في الشكل ، ويكتب قانون وين الشكل التالي :
مايكرو متر /ك Max = ***955;
حيث أن: Max ***955; = طول الموجة التي يطلق عندها الجسم الأسود أقصى طاقة إشعاعية له.
Tk = درجة الحرارة الكلفانية
(3) وفقاً لقانون وين الثاني (Weins Scond Law) ، " تتناسب شدة الطاقة الإشعاعية القصوى () التي تشعها واحدة المساحة (1سم2) من الجسم الأسود خلال واحدة الزمن (1 دقيقة ) طرداً مع القوة الخاصة لدرجة حرارتها الكلفانية (1ص37) أي :
حريرة /مايمرومتر دك CTk5= Emax
هنا فان C= ثابت وين ويعادل 1.8435×10-14 حريرة /سم2 د.ميكرو متر، ك(1.286×10-11 ) واط /م2 ، مايكرو متر ، ك .
(4) وفقا لقانون كيركهوف (Kirchhoffs Law)، فان ما تشعه الأجسام من طاقة إشعاعية (E) إلى ما تمصه منها (a) تتوقف على طول الاشعاع (***955;) ودرجة حرارة الجسم (T) فقط :
,T)***955;( F=
ويقتح قانون كيركهوف أيضاً " ان الأجسام جيدة الامتصاص لأمواج طاقة إشعاعية معينة فانها في الوقت نفسه جيدة في اشعاعها وبالمقابل فالأجسام رديئة الامتصاص لأمواج طاقة إشعاعية فانها ايضاً في إشعاعها وبالتالي يجب أن تكون إشعاعية الأجسام لأطوال أمواج (***955; E) معينة مساوياً لامتصاصيتها (***955; a) :
***955; E = ***955; a
لذلك فالأجسام التي تتصرف كأجسام سوداء تشع طاقة إشعاعية اكثر من غيرها من الأجسام لأنها تقوم بامتصاص الأمواج الإشعاعية الساقطة عليها كلها ، وتعود وتشعها في أقصى كمياتها تبعاً لدرجة حرارتها وطول الأمواج الإشعاعية .
الأجسام انتقائية الامتصاص (Selective Obsorbing Bodies):
مع أنه لا يوجد في الطبيعة أجسام سوداء كاملة فيمكننا ال حد كبير زن نعد الشمس وألارض وكثير من الاشياء حولنا خاصة تلك الكتيمة للأشعة كأنها أجسام سوداء تنتطبق عليها قوانين الاشعاع المذكورة .
لكن بالمقابل يوجد الكثير من الأجسام حولنا بما فيها الغلاف الجوي لا تتصرف كأجسام سوداء لأنها لا تمتص أمواج الطاقة الإشعاعية الساقطة عليها كلها وإنما تمتص بعضها وتنفذ عبرها بعضاً منها وتعكس بعضها الآخر لذلك تعرف هذه الأجسام بأنها انتقائيى الامتصاص ويعد الزجاج مثالاً نموذجياً لها إذ أنه يعكس جزءاً من الأمواج الإشعاعية الساقطة عليه ويمتص بعضاً من الأشعة تحت الحمراء والاشعة فوق البنفسجية وينفذ طيف الأشعة المرئية كله ، وكذلك تفعل صفائح البلاستيك الشفافة وكل الأجسام الصلبة الملساء الشافافة والماء والسوائل جميعها والأبخرة والغازات ويعد الثلج مثالاً مثيراً لهذه الأجسام فلونه الأبيض الناصع يدل على قدرته على عكس أمواج إقليم الاشعة المرئية البيضاء كلها وقد لوحظ أن تعرض المفرط للأشعة المرئية المنعكسة من سطح الثلج تؤدي ال ما يعرف بالعمى الثلجي (Snow Bindess) المؤقت لذلك تنحصر قدرة الثلج في امتصاص أمواج الأشعة تحت الحمراء فقط وبالتالي فإنه مشع جيد لها.
ومن وجهة النظر المناخية يعد الغلاف الجوي أهم هذه الأجسام حيث تقوم بعض غازاته مثل الاوكسجين (O2) والأوزون (O3) وثاني أوكسيد الكربون (Co2)وبخار الماء (H2o) وثاني اكسيد النتروز (N2o) وغيرها بدرو الماصات الانتقائية بكفاءة عالية لبعض الامواج الإشعاعية الشمسية والأرضية الشكل دون غيرها بينما في الوقت نفسه يسمح الغلاف الجوي بعبور أمواج طيف الأشعة المرئية وتهمل بعض عناصره الأخرى على عكس جزء كبير منها بعبور وذلك مما يؤثر عللا الطاقة الإشعاعية الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض والأرضية وبالتالي على مجريات الطقس والمناخ وسنقوم فيما بعد بدراسة تأثير الغلاف الجوي في هذه الأمور بالتفصيل .
اذن يتضج لنا وفقاً لقانون كيركهوف إن هذه الأجسام قادرة على إشعاع أمواج الطاقة الإشعاعية التي امتصها ولا قدرة لها في اشعاع أمواج الطاقة الإشعاعية التي لم تمتصها بالإضافة إلى ذلك لا تشع أمواج الطاقة التي امتصها بكفاءة الأجسام السوداء (الجدول ) لذلك لا تعد هذه الأجسام أجساماً سوداء ولكن مع ذلك وخلال الاستخدامات العامة التي لاتقتضي دقة كبيرة يمكننا التعامل معها م حيث إشعاعها لأمواج الطاقة التي امتصتها عند درجة حرارتها كأنها أجسام سوداء إلى حد مقبول كما هو مبين في الجدول e:
الجدول : كعامل الإشعاعية لبعض الأجسام غير السوداء للأشعة
تحت الحمراء نسبة إلى ما تشعه الأجسام السوداء
الجسم e الجسم e
جلد الإنسان 98% الصحراء 90%-91%
الماء 95% الأعشاب الطويلة 0.90
الثلج الجديد 82%-99.5% الحقول والشجيرات 0.90
الجليد 0.96 الغابات المخروطية 0.90
الأسمنت 0.92 أوراق النباتات 0.90
الرمل الجاف 0.92 0.97-0.98
عن: Lockwood (1979) و Batton (1984)
ميزات الطاقة الإشعاعية الشمسية والأرضية:
باستخدام قوانين الإشعاع, يمكننا أن نحدد بعض الميزات الهامة لكل من الطاقة الإشعاعية الشمسية والأرضية, علماً بأن درجة حرارة سطح الشمس تعادل 5800 ك, ودرجة حرارة سطح الأرض تعادل 288 ك, فاستناداً لقانون وين للإزاحة:
Max = ***955;
نلاحظ أن طول الأمواج الكهرومغناطيسية التي يشع عندها سطح الشمس معظم طاقته الإشعاعية تعادل 0.5 مايكرومتر (الشكل), لذلك فإنها تعرف بالطاقة الشمسية الإشعاعية قصيرة الأمواج (Solar Short Radiation), بينما تبلغ طول الأمواج الكهرومغناطيسية لبتي تشع عند سطح الأرض معظم طاقته الإشعاعية 10 مايكرومتر (الشكل), لذلك فإنها تعرف بالطاقة الأرضية الإشعاعية طويلة الأمواج (Terrestrial Longwave Radiation ).والحقيقة أن 99% من طيف أمواج الطاقة الإشعاعية الشمسية المحصورة بين 0.15-4 مايكرومتر, بينما يقع 99% من أمواج الطاقة الإشعاعية الأرضية بين 3-100 مايكرومتر, ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء الطويلة الأمواج (8ب ص8, 5ص40,8ص24 ).
واستناداً إلى قانون وين الثاني:
Tk5×10-14×1.8435= Emax
تبلغ الطاقة القصوى التي يشعها 1سم2من سطح الشمس حوالي 121×10 3 لانجلي/د, بينما لا تزيد كمية الطاقة القصوى التي يشعها 1سم2 من سطح الأرض عن 0.03653 لانجلي/د. بذلك فإن ما تشعه واحدة المساحة من سطح الأرض عن طاقة إشعاعية قصوى أشد مما تشعه واحدة المساحة من سطح الأرض من طاقة إشعاعية قصوى أشد مما تشعه واحدة المساحة من سطح الأرض من طاقة إشعاعية قصوى بحوالي 3.313×10 3 مرة.
ووفقاً لقانون ستيفان بولتزمان:
Tk4× 10× E= 80123
فإن مجموع ما يشعه 1سم2 من سطح الأرض, الذي يشع 0.56 لانجلي/د.
وأخيراً,لا بد من ملاحظة أن الطاقة الإشعاعية الشمسية تصدر من سطح الشمس منطلقة عبر الفضاء داخلة إلى سطح الأرض عبر الغلاف الجوي ، لذلك عادة ما تعرف بـ ( الاشعة الشمسية الداحلة Income Solar Radiation) وبما أن سطح الأرض والاجسام التي عليه تتعرض لهذه الأشعة وتمتصها أي تستشعها أو بكلمة أخرى تتشمش بها لذلك تعرض هذه الأشعة الشمسية الداخلة بالتشمس (Insolation) أيضا وهذه التسمية مشتقة من عبارة (Income Solar Radiation) واختصارا لها وفيما يلي من هذه الطاقة الإشعاعية الأرضية تنطلق من سطحها عابرة غلافها الجوي إلى الفضاء الخارجي لذلك تعرف بالأشعة الأرضية الخارجة (Outgoing Trrestrial Radiation) أو العائدة (Terrestrial Back Radiation ) .
تأثيرات الغلاف الجوي كجسم انتقائي الامتصاص للطاقة الإشعاعية :
من وجهة النظر المناخية يعد الغلاف الجوي أهم الأجسام انتقائية الامتصاص للطاقة الإشعاعية الشمسية و الأرضية إذ تقوم بعض غازاته كما هو مبين في الشكل / / بدور الماصات الانتقائية بكفاءة عالية ففي طبقات الجو العالية ( حوالي 90كم) تقوم جويئات الاكسجين (O2) بامتصاص الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة و البعيدة التي تتراوح أطوال أمواجها بين 10 – 100 نم وتقوم جزيئات الأوكسجين (O3) عند ارتفاع يتراوح بين 10 – 55 كم بامتصاص زمواج الأشعة فوق البنفسجية البعيدة والقريبة المحصورة بين 200 – 320نم وبعض أمواج الأشعة تحت الحمراء يناهز طولها 960نم .
وعند الاتفاعات التي تقل عن 10كم تقوم جزيئات بخار الماء (H2O) بامتصاص معظم أمواج إقليم الأشعة تحت الحمراء الأرضية بين 000 1 – 000 8 والتي تزيد عن 000 12 نم أيضاً كما تقوم جزيئات ثاني أوكسيد الكربون (Co2) بامتصاص أمواج هذه الأشعة عند 000 4 نم وبين 000 13 – 000 17 نم وتقوم جزيئات الميثان (CH4) بامتصاص عند 2500نم و 7000نم جزيئات النتروز (NO2) عند 400 نم و 7000 نم لذلك يمكننا أن ندع هذه الغازات بـ " الغازات الحرارية " ولا تستطيع هذه الغازات امتصاص أمواج الأشعة الأرضية تحت الحمراء المحصورة بين 8000-14000 نم والى حد ما بين 4000-6000نم وبين 17000-21000 نم ( الشكل ) فتنطلق هذه الأمواج عابرة الغلاف الجوي إلى الفضاء الخارجي لذلك فإنها تدعى نوافذ الغلاف الجوي (Atmospheric Windows) .
عندما تمتص الغازات الحرارية وعلى رأسها Co2 وبخار الماء (H2O) الأشعة الأرضية تحت الحمراء وتمتصها من الانطلاق إلى الفضاء الخارجي تزداد حرارتها وتزداد طاقتها الحركية وتصادماتها العشوائية مع بعضها البعض ومع ما يحيط بها من جزيئات غازية, مولدة طاقة حرارية إضافية (طاقة حرارية ذاتية), ونتيجة لذلك تتسخن الأجزاء السفلى نم الغلاف الجوي, وتشع طاقة إشعاعية تحت حمراء إلى سطح الأرض متسخنة, وتتالى هذه العملية الإشعاعية,وبذلك تشكل الغازات الحرارية طبقة عازلة حول الأرض تمنع جزءاً من أمواج الأشعة الأرضية تحت الحمراء من الانطلاق إلى الفضاء, وبذلك فإنها تشكل ما يعرف بظاهرة "الإنحباس الحراري". ولقد بينت الدراسات أنه لولا وجود Co2 وبخار الماء (H2O ) لكان متوسط درجة حرارة سطح الكرة الأرضية حوالي -20 مئوية أو أقل بحوالي 35 مئوية عما هي عليه حالياً(3ص 59 ,35ص121).
تدعى عملية امتصاص الغازات الحرارية لأمواج الأشعة الأرضية تحت الحمراء عملية "تأثير الغلاف الجوي Atmospherc Effect". لكنها في الماضي كانت تدعى " تأثير البيوت الخضراء Greenhouses Effect ", حيث كان يعتقد أن تسخين الهواء في البيوت الخضراء الزجاجية أو البلاستيكية المستخدمة في الزراعة يعود إلى سماح ألواح زجاجية أو البلاستيكية لأمواج الأشعة الشهية المرئية البيضاء بعبورها, لكنها في الوقت نفسه تمنع
أمواج الأشعة الأرضية تحت الحمراء من مغادرة البيوت الخضراء. لكن تبين فيما بعد أن ذلك غير صحيح وأن تسخن هواء البيوت الخضراء يعود إلى ركوده وعدم امتزاجه مع الهواء البارد خارجها (3ص59,35ص121).
كما تقوم الغيوم المنخفضة بامتصاص معظم أمواج الأشعة الأرضية تحت الحمراء بما فيها المحصورة بين 8000-14000 نم, وتعود وتشعها مرة أخرى باتجاه سطح الأرض فيمتصها ويتسخن بها ثم يعود ويشعها مرة أخرى إلى الغيوم وهكذا, لكن في الوقت نفسه فإن الغيوم سيئة الامتصاص لأمواج الأشعة الشمسية المرئية البيضاء لذلك فإننا نلاحظ ارتفاع درجة الحرارة في أيام الشتاء ولياليها المقيمة وانخفاضها في الأيام الصحوة ولياليها, ويقدر مجموع ما تمتصه الغيوم وجزيئات الهواء من التشمس الواصل إلى قمة الغلاف الجوي بحوالي 19%, بالإضافة إلى ذلك, تقوم الغيوم بعكس حوالي 20% من التشمس الواصل إلى قمة الغلاف الجوي, كما تعكس جزيئات الهواء حوالي6%منه, بينما لا يعكس سطح الأرض سوى 4% منه وسطياً مهملاً, وتظل متوازية, ويكون انحناء جبهتها عند سطح الكرة الإشعاعية التي تقع عندها الأرض مهملاً أيضاً وتشكل سطحاً مستوياً تتعامد معه الأشعة الشمسية المكونة لهذه الحزمة.
الأشعة الشمسية المتوازية:
تنطلق الأشعة الشمسية من سطح الشمسية متجانسة ومتماثلة في جميع الاتجاهات مشكلة كرة إشعاعية مركزها الشمس تزداد اتساعاً مع الابتعاد عنها في الفضاء الكوني, لكن مع ذلك ينظر للأشعة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض على أنها أشعة متوازنة, لأنه بسبب صغر المسافة بين الأرض والشمس من جهة,وبسبب ضآلة طول قطر الأرض من جهة أخرى, يظل إنفراج الأشعة الشمسية المشكلة للخدمة الإشعاعية الساقطة على سطح الأرض.
التشميس الواصل إلى الأرض :
تطلق الشمس كميات هائلة من الطاقة الإشعاعية الكهرومغناطيسية وكما لاحظنا فان ما يشعه1سم2 من سطح الشمس على شكل كرة إشعاعية متزايدة الاتساع تتناقص شدتها ولا يصل إلى الأرض سوى النذر اليسير وذلك لأن شدة الطاقة الإشعاعية الشمسية تتناسب عكساً مع مربع المسافة التي تقطعها الأمواج الشعاعية في الفضاء :
I
I=k
هنا : 1= مقدار أو شدة الطاقة الإشعاعية الواصلة
D= المسافة بين الجسم المشع ( الشمس ) والجسم المستشع (الأرض)
K= ثابت
واستنادا لذلك فعند وصول الطاقة الإشعاعية الشمسية إلى المدى الذي تقع عنده الأرض (سطح الكرة الإشعاعية التي تقع عندها الأرض ) تصبح شدتها أقل من 2لانجلي /د (2حريرة/سم2د) وقد رأينا فيما تقدم أنه بامكاننا تسمية الطاقة الشمسية الإشعاعية الداخلة إلى سطح الأرض (Income Solar Radiation) بالتشمس (Insolation) ومع وجود الغلاف الجوي للأرض تميل دراسات عديدة إلى تسمية التشمس الواصل إلى قمة الغلاف الجوي " الطاقة الإشعاعية فوق الأرضية (Extra Terrestrial Radiation) لتمييزه عن التشمس الواصل إلى سطح الأرض .
ويمكن حساب مقدار الطاقة الشمسية الإشعاعية أو التشمس الواصل إلى واحدة المساحة من سطح يقع عند قمة الغلاف الجوي يتعامد مع الاشعى الشمسية خلال دقيقة واحدة من الزمن بمعرفة الطاقة الإشعاعية التي يشعها سطح الشمس وقسمتها على مساحة الكرة الأرضية الاشعاية التي شكلها الأشعة الشمسية والتي تقع عند سطحها الأرض :
Io =
هنا : Io= مقدار التشمس الواصل
***963; = ثابت ستيفان (10-11 × 8.132 حريرة /دك4)
T = درجة حرارة الشمس ك (5800) درجة
rs = نصف قطر الشمس (710 × 6955 سم )
d = البعد بين الارض والشمس أو نصف قطر الكرة الإشعاعية التي تقع الأرض عند سطحها (1110 × 149.6 سم ) = 3.14 وبالتعويض بالمعادلة :
حريرة/سم2د(لانجلي/د)1.989=
ومن هذه المعادلة يمكن حساب قيمة الثابت (k) في المعادلة إذ يساوي 4.4504×2610 لانجلي/د.
ويهتم المناخيون والرصاد الجويون والعاملون في مجال الطاقة الشمسية بقياس هذا المقدار من الطاقة الشمسية الإشعاعية (التشميس) الواصل إلى سطح الأرض وحسابه بدقة لأنه يشكل الأساس لحسابات الطاقة الشمسية والقوانين الناظمة لها ويعد معياراً لها وقد اتفق عامليا على تسميته بـ "الثابت الشمسي Solar Constant" .
قامت دراسات عديدة بقياس الثابت الشمسي وحسابه وكان ابوت ورفقاه (Abbteto) في مؤسسة سميتسونيان (Smithsonuoi Intitution) أول من أجرى قياس له من فوق (Johnsos) إلى 1.9997 لانجلي /د (1395 واط /م2)(30) .
وفي قياسات مباشرة وأكثر دقة استخدمت فيها الطائرات والبالونات والأقمار الاصطناعية المحملة بأجهزة قياس متطورة أجريت فوق الغلاف الجوي للأرض تبين أن قمة الثابت الشمسي تعادل 1.94 ± 1.5%لانجلي/د (1353 ± 1.5% واط/م2)وقد تبنت عام 1971 كل من وكالة ±ناسا (NASA ) واللجنة الأمريكية لفحص المواد(American Society for Testing Materials )هذه القيمة (25 ,32 , 33) ومازلت متبناة من معظم الباحثين في العالم, مع ذلك, أعاد العالم فروهليش (Frohlich )عام 1977 فحص لقياسات التي استخدمت في تحديد هذه القيمة للثابت الشمسي وتحليلها, وأدخل في تحليله قياسات أجبرت بواسطة القمرين الاصطناعيين نيمبوس ( Nimbus) ومارينر (Marinar)ونتيجة لذلك اقترح أن تكون قيمة الثابت الشمسي 1.968± 1.5 (1373 ±1.5 واط/م2) (34,25).واستناداً إلى ما تقدم يمكن أن نعرف الثابت الشمسي بأنه "مقدار الطاقة الشمسية الإشعاعية (التشمس) الواصل إلى واحدة المساحة (1سم2) من سطح يتعامد مع الأشعة الشمسية, يقع عند قمة الغلاف الجوي, أو عند سطح الأرض بافتراض عدم وجود الغلاف الجوي, خلال واحدة الزمن (1 دقيقة) عند البعد الوسطي بين الأرض والشمس (149.6 ×10 6 كم) ويعادل 1.94 لانجلي/د (حريرة/سم2د)أو 1353 واط/م2.
وباستخدام الثابت الشمسي, يمكننا حساب كمية التشمس (الطاقة الشمسية الإشعاعية) الكلية, الواصلة إلى قمة الغلاف الجوي باعتبار أن مقطع سطح الأرض المعرض للأشعة الشمسية بشكل دائرة, ويتقسم مقدار التشمس الواصل إلى هذه الدائرة على مساحة سطح الكرة الأرضية نحصل على متوسط ما تتلقاه أو ما تستشعه واحدة المساحة (1سم2) من سطح الأرض خلال واحدة الزمن (1د), وذلك كما يلي:
I = = 0.485
هنا : r = نصف قطر الأرض
r2 ***960; = مساحة مقطع الأرض المعرض للتشمس
4***960; r2 = مساحة الكرة الأرضية
اعتقدت بعض الدراسات فيما مضى أن قيمة الثابت الشمسي تتعرض لتغيرات دورية تتراوح بين ± 0.5 – 2% تتبع نشاط البقع الشمسية ودورتها كل 11 سنة ، فمن هذه الدراسات ما اقترح وجود علاقة عكسية بين مقدار الثابت الشمسي وعدد البقع الشمسية ، إذ انه يزداد مع قلتها ويتناقص مع ازدياد عددها ، وبعضها الأخر اقترح عكس ذلك وقال بوجود علاقة طردية بينهما ، إذ انه يزداد مع ازدياد عددها . ولكن بينت الدراسات اللاحقة فيما بعد عدم وجود أي علاقة بين المقدار الثابت الشمسي ودورة البقع الشمسية (8ص25) .
وبسبب قوة حقولها المغناطيسية ، وما يصاحبها من كميات كبيرة من الأشعة فوق البنفسجية ( ) ينحصر تأثير البقع الشمسية في الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة (EUV) التي تقع أطوالها عن 0.2مايكرو متر ، وهذه لا تحمل طاقة حرارية ، وبذلك فان أكثر 99% من أمواج الطاقة الشمسية الإشعاعية يقع بين 0.2-1000 مايكرو متر ولا تتأثر بالبقع الشمسية (9ص38).وبذلك يمكن اعتبار الطاقة الشمسية الإشعاعية ثابتة المقدار (25ص7) .
وختمت منظمة الأرصاد الجوية العالمية (MWO) هذا الموضوع بإعلانها " بأن للبقع الشمسية دورات منتظمة تقريباً تحصل كل 11-22 سنة ، ولكن لا يوجد دليل حاسم على أن لهذه البقع الشمسية ودورانها تأثير في مقدار الطاقة الشمسية الإشعاعية الواصلة إلى الأرض (أرصاد) . بالإضافة إلى ذلك تجدر ملاحظة أن التغيرات المقترحة في مقدار الثابت الشمسي ( ± 1 – 2%) لا تتجاوز مقدار الأخطاء المحتملة في عمليات القياس لذلك وفي ضوء ما تركته الدراسات الأخيرة يمكننا اعتبار قيمة الثابت الشمسي ثابتاً إلى أن تظهر قياسات موثوقة في المستقبل تقترح خلاف ذلك .
أرجو أن تستفيدوا من البحث خاصة طلاب الثالثة متوسط
منقول من موسوعة
