الشمس والإشعاع والغلاف الجوي

2012 دليل الطقس

روس رينولدز

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

علوم الأرض والجيولوجيا

إنّ الحركة الدائمة لغلاف الأرض الجوي والمحيطات على المستوين المحلي والعالمي ترتبط في نهاية المطاف بالتدفق الأبدي والهائل للطاقة القادمة من الشمس.

«الثابت الشمسي» – الطاقة الموجودة في الشعاع الشمسي في الحدود الخارجية للغلاف الجوي – هو 1.38كو/م2 في زاوية مستقيمة للشعاع. وتنتقل هذه الطاقة عبر الفضاء بعملية الإشعاع، وخلافاً للأشكال الأخرى لانتقال الحرارة، مثل الحمل الحراري والتوصيل، لا يتطلب هذا الانتقال وسطاً فيزيائياً ليكون فعالاً. إنّ الطاقة الإشعاعية التي تنبعث من أي شيء تعتمد على درجة حرارته، فكلما زادت درجة حرارة الجسم كلما زادت الطاقة التي يُرسلها وبأطوال موجية أقصر (طول الموجة هو المسافة بين قمتين متجاورتين في نمط الموجة المميّزة للإشعاع). هذا القياس هو الوسيلة التي يتم بها تعريف الإشعاع عبر طيف كهرومغناطيسي واسع، بدءاً من الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة لغاية الموجات الطويلة جداً التي تستخدم للبث الإذاعي.

إنّ جسماً كالشمس، بدرجة حرارة سطحية حوالي 6.000 ك (كالفن: 0 مئوية = 273ك، 0 فهرنهايت = 255ك) له منحنى انبعاث يصل إلى ذروته بأطوال موجيّة قصيرة. والأرض، بمعدل درجة حرارة جوية حوالي 255ك تُرسل طاقة صغيرة جداً بالمقارنة مع الشمس وبأطوال موجيّة أطول.

ومع ذلك، هذا الإشعاع الأرضي هو في غاية الأهمية في الحفاظ على توازن درجة حرارة الكوكب والغلاف الجوي.

إنّ كمية الطاقة الشمسية التي يمتصها سطح الأرض والغلاف الجوي سنوياً تختلف بشكل كبير بين خط الاستواء والقطب، وهناك اختلاف بسيط بين المدارين، حيث يتدفق حوالي 300واط/م2، بينما تهبط الكمية في المناطق القطبية إلى أقل من 100واط/م2. ويعود السبب جزئياً إلى زاوية سقوط أشعة الشمس القادمة (الأشعة الشمسية) وسماكة الغلاف الجوي التي ستجتازه، حيث يجتمع في المناطق القريبة من القطب الارتفاع المنخفض للشمس مع طول المسار في الغلاف الجوي في إعطاء قيم صغيرة. وبعكس هذا المنحنى الشمسي الحاد، فإنّ الأرض وغلافها الجوي يُطلقان أشعتهما الأرضية إلى

الفضاء بحيث ينخفض مقدار الطاقة بلطف كلما اقتربنا من القطبين، بالرغم من إطلاق طاقة أكثر في المنطقة المدارية الأسخن. وفي هذه الحالة، يتراوح الانبعاث ما بين 260 إلى 120/180 واط/م2.