ما الذي يسبب الطقس؟

تتلقى مومباي 2,502 mm من المطر في السنة العادية، ويهطل كله تقريبًا بين يونيو وسبتمبر. أما الرياض، الأبعد قليلًا عن خط الاستواء، فتتلقى 100 mm. وفي سنغافورة يهطل المطر كل شهر، وفي لندن يهطل مطر خفيف متكرر على مدار السنة. هذه الفروق الأربعة كلها تنبع من مجموعة صغيرة من الأسباب: الشمس تسخّن الأرض على نحو غير متساوٍ، والهواء يتحرك لمعادلة ذلك، وبخار الماء يحمل الطاقة ويطلقها في الطريق. يستعرض هذا الدليل تلك الأسباب من خلال مدن من أدلة المدن لدينا.

1. الشمس تسخّن الكوكب على نحو غير متساوٍ

بحسب ناسا، يصل في المتوسط على الكرة الأرضية كلها وطوال السنة نحو 340 واطًا من أشعة الشمس إلى كل متر مربع عند قمة الغلاف الجوي. لكن هذا المتوسط يخفي فروقًا كبيرة. فباستخدام الثابت الشمسي (1,361 W/m²) وميل محور الأرض البالغ 23.44°، يبلغ المتوسط السنوي نحو 416 W/m² عند خط الاستواء، و365 عند 30°، و236 عند 60°، و172 عند القطبين. أي أن خط الاستواء يتلقى نحو 2.4 ضعف ما يتلقاه القطبان من أشعة الشمس.

مثال محلول: لماذا تسخّن الشمس المنخفضة أقل؟

عند الظهر في يومي الاعتدال تكون الشمس عمودية فوق خط الاستواء. أما في لندن (51.5° شمالًا) فتكون على ارتفاع 38.5° فوق الأفق، فتسقط حزمة الضوء نفسها على مساحة أكبر من الأرض:

1. معامل المساحة = 1 ÷ جتا(51.5°) = 1.61.
2. الطاقة لكل متر مربع = 1 ÷ 1.61 = 0.62، أي 62% من قيمتها والشمس عمودية، قبل أن يمتص الغلاف الجوي شيئًا منها.
3. في الشتاء تكون الشمس أكثر انخفاضًا والنهار أقصر، فيزداد الفارق.

تُظهر قياسات ناسا بالأقمار الصناعية أثر ذلك في ميزانية الطاقة. فالمناطق المدارية تمتص طاقة أكثر مما تشعه إلى الفضاء، والمناطق القطبية تفقد أكثر مما تمتص. ولو لم يتحرك شيء لينقل الحرارة لاستمرت المناطق المدارية في الاحترار والقطبان في البرودة. لكن الغلاف الجوي والمحيطات ينقلان الحرارة نحو القطبين باستمرار. والطقس هو الجزء المرئي من هذا النقل: رياح وعواصف وسحب ومطر.

2. بخار الماء هو الوقود

يأخذ التبخر الحرارة من السطح، ويطلقها التكاثف في الهواء على ارتفاع أعلى. وتقدّر ناسا أن نحو ربع الطاقة الشمسية الواردة يغادر السطح بهذه الطريقة. هذه الحرارة الكامنة هي ما يغذي العواصف الرعدية والأعاصير المدارية.

مثال محلول: الطاقة في شهر من الرياح الموسمية

1. 1 mm من المطر على 1 كم² يساوي 1,000 طن من الماء.
2. تكاثف 1 كغ من البخار يطلق نحو 2.5 ميغاجول، فتطلق 1,000 طن نحو 2.5 × 10¹² جول، أي نحو 694 ميغاواط ساعة.
3. لذا فشهر من الرياح الموسمية يهطل فيه 900 mm من المطر يطلق 900 × 694 ميغاواط ساعة، أي نحو 625,000 ميغاواط ساعة من الحرارة في الهواء فوق كل كيلومتر مربع.

وللمقارنة، يبلغ متوسط مطر يوليو في مومباي 920 mm.

يتكون الهواء الجاف من 78.08% نيتروجين و20.95% أكسجين و0.93% أرغون. ويُعامل بخار الماء على حدة لأنه شديد التغير: من شبه لا شيء في الهواء القطبي أو الصحراوي إلى نحو 4% من حجم الهواء المداري الرطب. وهذا التغير يفسر جانبًا كبيرًا من اختلاف الإحساس بالطقس وسلوكه بين سنغافورة والرياض.

يحدث الطقس كله تقريبًا في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي، طبقة التروبوسفير. وتقدّر الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي الأمريكية (NOAA) سمكها بنحو 6 كم فوق القطبين و18 إلى 20 كم فوق خط الاستواء. لذا تجد السحب الرعدية المدارية متسعًا للنمو أكبر بكثير من السحب القطبية.

3. ثلاث خلايا دوران وحزام المطر

لا يستطيع كوكب يدور حول نفسه أن ينقل الحرارة من خط الاستواء إلى القطب في حلقة واحدة بسيطة. لذلك يقسم كل نصف من الكرة الأرضية المهمة على ثلاث خلايا.

• خلية هادلي (0–30°): يصعد الهواء الحار قرب خط الاستواء، ويتجه نحو القطب في الأعالي، ثم يهبط قرب دائرة العرض 30°. والتدفق العائد عند السطح هو الرياح التجارية، التي يحوّلها دوران الأرض إلى رياح شمالية شرقية شمال خط الاستواء وجنوبية شرقية جنوبه.
• خلية فيرل (30–60°): خلية أضعف تحركها عوامل ميكانيكية. رياحها السطحية هي الرياح الغربية التي تحمل أنظمة الطقس الأطلسية نحو أوروبا.
• الخلية القطبية (60–90°): يهبط الهواء البارد فوق القطب ويتدفق إلى الخارج رياحًا شرقية قطبية. ويلتقي بالرياح الغربية عند الجبهة القطبية، وهي منطقة تنشأ فيها العواصف كثيرًا.

حيث تلتقي الرياح التجارية القادمة من نصفي الكرة يُجبَر الهواء الدافئ الرطب على الصعود. هذه هي منطقة التقارب بين المدارين (ITCZ)، وهي حزام من الزخات والعواصف الرعدية يطوّق الأرض قرب خط الاستواء. وإذا أُخذ المتوسط حول الكرة الأرضية فهي أغزر أحزمة الكوكب مطرًا. وتتبع الشمس شمالًا وجنوبًا على مدار السنة. ويُظهر موقع climate.gov التابع لـ NOAA أن انتقالها شمالًا في مايو ويونيو يتزامن مع بدء الرياح الموسمية الصيفية الآسيوية.

الهواء الذي يصعد في منطقة التقارب يهبط مجددًا قرب 30° في المرتفعات شبه المدارية. وفي أثناء هبوطه يسخن ويجف، فيمنع تكوّن السحب. وتقع الصحراء الكبرى وصحارى شبه الجزيرة العربية وجنوب غرب الولايات المتحدة وأستراليا تحت هذا الهواء الهابط.

لا يفصل بين مومباي (19° شمالًا) والرياض (25° شمالًا) سوى ست درجات عرض. في الصيف يصل حزام المطر والرياح الموسمية إلى مومباي من بحر العرب الدافئ. أما الرياض فتبقى تحت هواء قاري جاف وتحت المرتفع شبه المداري، ومعظم مطرها القليل يهطل بين نوفمبر وأبريل. وسنغافورة، الواقعة على 1° شمالًا فقط، لا تبتعد أبدًا عن حزام المطر. أغزر شهورها مطرًا ديسمبر، بمتوسط 332 mm. وحتى أقلها مطرًا، فبراير، يتلقى 105 mm. وهناك تطلق الشمس القوية فوق الهواء الرطب عواصف رعدية متكررة بعد الظهر وفي المساء.

4. الكتل الهوائية والجبهات التي تفصل بينها

الهواء الذي يستقر أيامًا فوق منطقة واسعة متجانسة يكتسب حرارتها ورطوبتها. ويصنف خبراء الأرصاد هذه الكتل الهوائية حسب منشئها: قارية (c) أو بحرية (m)، وقطبية شمالية (A) أو قطبية (P) أو مدارية (T).

ولاحظ أن الهواء القطبي ليس جافًا دائمًا. فالهواء القطبي البحري القادم من شمال الأطلسي يجلب جزءًا كبيرًا من سحب شمال غرب أوروبا وأمطاره. ولهذا يتوزع المطر في لندن على مدار السنة بدلًا من أن يتركز في فصل واحد.

الجبهة هي الحد الفاصل بين كتلتين هوائيتين. عند الجبهة الباردة يندفع الهواء البارد الأكثف تحت الهواء الدافئ كالإسفين ويرفعه بحدة. والنتيجة حزام ضيق من الزخات الغزيرة، وأحيانًا عواصف رعدية، يتبعه انخفاض حاد في الحرارة وهواء أصفى. أما عند الجبهة الدافئة فيصعد الهواء الدافئ تدريجيًا فوق الهواء البارد المتراجع. وتتكاثف السحب على امتداد مئات الكيلومترات وتجلب مطرًا أطول وأكثر انتظامًا. وتحمل منخفضات العروض الوسطى عادة الجبهتين معًا ملتفتين حول مركز الضغط المنخفض. ويشرح دليلنا عن الضغط الجوي لماذا يكوّن الهواء الصاعد في المنخفض السحب ولماذا يبددها الهواء الهابط في المرتفع.

5. العواصف الرعدية والبرق

العاصفة الرعدية هي الحرارة الكامنة وهي تعمل. يصعد الهواء الدافئ الرطب ويبرد ويتكاثف ويطلق الحرارة. هذه الحرارة تبقيه أدفأ من محيطه وتسمح له بالصعود أكثر. وفي المناطق المدارية قد تبلغ قمم السحب أعلى طبقة التروبوسفير، على ارتفاع يزيد على 15 كم.

تصف هيئة الأرصاد الجوية الوطنية الأمريكية (NWS) كيف تتراكم الشحنة. في الجزء الأوسط من السحابة، بين نحو 15 و25 درجة مئوية تحت الصفر، يحمل تيار صاعد قوي خليطًا من قطرات الماء فائقة التبريد (سائلة رغم أن حرارتها دون الصفر) وبلورات جليد صغيرة وبَرَد ليّن يسمى الغروبل. وعندما ترتد بلورات الجليد عن الغروبل في وجود الماء فائق التبريد تنتقل الشحنات:

• تكتسب بلورات الجليد الخفيفة شحنة موجبة وتُحمل إلى أعلى السحابة وإلى السندان؛
• ويكتسب الغروبل الأثقل شحنة سالبة ويتجمع في وسط السحابة وأسفلها.

وعندما يصبح الفرق كبيرًا بما يكفي يفرّغه البرق. ويذكر المختبر الوطني للعواصف الشديدة التابع لـ NOAA أن الهواء في قناة البرق يسخن إلى أكثر من 50,000°F (نحو 27,760°C) في بضعة أجزاء من مليون من الثانية. وتمدد هذا الهواء هو الرعد. ويقطع الصوت نحو 1 كم كل 3 ثوانٍ. وقاعدة السلامة لدى NWS قصيرة: إذا دوّى الرعد فادخل إلى مكان مغلق.

6. الجغرافيا المحلية تعدّل النتيجة

• الجبال: الهواء المجبر على الصعود على السفح المواجه للرياح يبرد ويُسقط مطره. وعلى الجانب الآخر يسخن الهواء الهابط ويجف، فتنشأ منطقة ظل المطر.
• السواحل: تسخن اليابسة نهارًا أسرع من الماء، فتهب نسمة البحر نحو الداخل بعد ظهر الأيام المشمسة وكثيرًا ما ينعكس اتجاهها ليلًا.
• الارتفاع: تقع نيروبي تقريبًا على خط الاستواء لكن على ارتفاع 1,795 م، لذا فأيامها دافئة لا حارة.
• البحيرات: الهواء شديد البرودة الذي يعبر مياهًا مكشوفة أدفأ منه نسبيًا يكتسب رطوبة وحرارة، فينتج ثلج تأثير البحيرة على الشواطئ الواقعة في اتجاه الريح من البحيرات العظمى.
• المدن: يخزن الأسفلت والمباني الحرارة، وتكون الجزر الحرارية الحضرية أوضح عادة في الليل.

يمكنك رؤية بعض هذه الفروق في الطقس المباشر. ثبّت دبي الساحلية والرياض الداخلية في أماكني المثبّتة وقارن بينهما في عصر يوم صيفي: عند دائرة عرض صحراوية متقاربة، تكون الرطوبة على ساحل الخليج عادة أعلى بكثير منها في الداخل الجاف، ويختلف الإحساس الحراري تبعًا لذلك.

باختصار

1. تتلقى المناطق المدارية نحو 2.4 ضعف ما يتلقاه القطبان من أشعة الشمس، والطقس هو الطريقة التي ينقل بها الغلاف الجوي فائض الحرارة هذا نحو القطبين.
2. التبخر يخزن الطاقة، والتكاثف يطلقها في السحب والعواصف.
3. الهواء الصاعد في منطقة التقارب بين المدارين يكوّن أغزر أحزمة الكوكب مطرًا، والهواء الهابط قرب 30° يكوّن صحاريه الكبرى.
4. تكتسب الكتل الهوائية خصائص مناطق منشئها، وتتكون الجبهات حيث تلتقي. الهواء البارد يندفع تحت الدافئ، والهواء الدافئ ينزلق فوق البارد.
5. الجبال والسواحل والارتفاع والبحيرات والمدن تعدّل النتيجة محليًا.

بعد ذلك، اطّلع على كيفية تحويل هذه العناصر إلى أرقام في كيف يعمل التنبؤ بالطقس. ولأكثر أماكن الأرض مطرًا اقرأ موسم الرياح الموسمية والدول الأكثر مطرًا (بالإنجليزية). ولأقصى حدود هذه العمليات راجع أشد ظواهر الطقس تطرفًا في العالم (بالإنجليزية).

الأسئلة الشائعة

ما السبب الرئيسي للطقس؟

التسخين غير المتساوي من الشمس. فعلى مدار السنة تتلقى المناطق المدارية نحو 2.4 ضعف ما يتلقاه القطبان من أشعة الشمس، وتمتص طاقة أكثر مما تشعه. وينقل الغلاف الجوي والمحيطات هذا الفائض باستمرار نحو القطبين، والرياح والسحب والعواصف التي تقوم بهذا النقل هي ما نسميه الطقس.

لماذا يكثر المطر قرب خط الاستواء ويسود الجفاف قرب دائرة العرض 30°؟

قرب خط الاستواء تتقارب الرياح التجارية ويصعد الهواء الدافئ الرطب في منطقة التقارب بين المدارين، فتتكون الزخات والعواصف الرعدية. ثم يهبط هذا الهواء قرب 30° تحت المرتفعات شبه المدارية حيث يسخن ويجف، ولهذا تقع كثير من صحارى العالم الكبرى عند تلك العروض.

كيف يتكون البرق؟

في وسط العاصفة الرعدية، عند نحو 15 إلى 25 درجة مئوية تحت الصفر، تصطدم بلورات جليد صغيرة ببَرَد ليّن (غروبل) في وجود قطرات ماء فائقة التبريد. تكتسب بلورات الجليد شحنة موجبة وتصعد إلى أعلى السحابة، ويكتسب الغروبل شحنة سالبة ويبقى في الأسفل. والبرق يفرّغ هذا الفرق.

ما الفرق بين الجبهة الباردة والجبهة الدافئة؟

عند الجبهة الباردة يندفع الهواء البارد تحت الهواء الدافئ ويرفعه بحدة، فيتكون حزام ضيق من الزخات الغزيرة وتنخفض الحرارة فجأة. وعند الجبهة الدافئة يصعد الهواء الدافئ تدريجيًا فوق الهواء البارد، فتتكون منطقة واسعة من السحب المتكاثفة ومطر أكثر انتظامًا.

المصادر

1. Climate and Earth's energy budget — NASA Earth Observatory
2. Global atmospheric circulations — NOAA JetStream
3. Annual migration of the tropical rain belt — NOAA Climate.gov
4. Air masses — NOAA JetStream
5. Lightning science: thunderstorm electrification — US National Weather Service
6. Lightning FAQ — NOAA National Severe Storms Laboratory