العوامل المؤثرة في تدفقات الغلاف الجوي على سطح الأرض

تأثير انزياح الجبال والعمليات السحابية على تدفقات الغلاف الجوي:

تؤثر الحواجز الجبلية الموجهة بين الشمال والجنوب، (مثل جبال روكي والأنديز، والكتل الكبيرة مثل هضبة التبت) على تدفق الغلاف الجوي، وعندما يصل التدفق العام الغربي في خطوط العرض الوسطى إلى هذه الحواجز، يميل الهواء إلى الانسداد، كما يتم نقله باتجاه القطب الغربي من التضاريس وباتجاه خط الاستواء شرق العائق، وغالباً ما يكون الهواء الذي يتم دفعه فوق منحدرات الحواجز الجبلية رطباً بدرجة كافية لإنتاج هطول كبير على جوانب الجبال المواجهة للريح، بينما ينتج الهواء المغمور على منحدرات ذات ظروفاً أكثر جفافاً.

وبشكل أساسي تؤثر التضاريس المرتفعة على الغلاف الجوي كما لو كان إعصاراً مضاداً، وهو مركز ضغط مرتفع، بالإضافة إلى ذلك تمنع الجبال الهواء البارد القادم من الداخل القاري من التحرك غرباً من التضاريس، نتيجة لذلك يحدث طقس معتدل نسبياً على طول السواحل الغربية للقارات مع سلاسل الجبال بين الشمال والجنوب بالمقارنة مع المناطق الداخلية القارية، على سبيل المثال يشهد الساحل الغربي لأمريكا الشمالية طقساً شتوياً أكثر اعتدالاً من السهول الكبرى والغرب الأوسط، وكلاهما يحدث عند خطوط عرض مماثلة.

في المقابل فإن الحواجز الجبلية بين الشرق والغرب، (مثل جبال الألب في أوروبا) لا توفر سوى القليل من العوائق أمام التدفق العام للهواء الغربي، في هذه الحالات تمتد الظروف البحرية الأكثر اعتدالاً إلى أماكن أبعد في الداخل.

تأثير العمليات السحابية على تدفق الغلاف الجوي:

يرتبط تكوين القطرات السحابية وبلورات الجليد السحابية بالهواء الجوي المعلق، والذي يتم إنتاجه بواسطة العمليات الطبيعية بالإضافة إلى الأنشطة البشرية، وهو موجود في كل مكان في الغلاف الجوي للأرض، في حالة عدم وجود مثل هذا الهواء، فإن التحويل التلقائي لبخار الماء إلى ماء سائل أو بلورات ثلجية يتطلب ظروفاً ذات رطوبة نسبية أكبر بكثير من 100 في المائة، فيما يتعلق بسطح مستوٍ من (H2O)، يشار إلى تطور السحب بهذه الطريقة، والذي يحدث فقط في بيئة معملية خاضعة للرقابة باسم تنوي متجانس.

كما يشار إلى الهواء المحتوي على بخار الماء مع رطوبة نسبية تزيد عن 100 في المائة، فيما يتعلق بسطح مستوٍ بأنه مفرط التشبع، وفي الغلاف الجوي يعمل الهواء الجوي كمواقع بدء لتكثيف أو ترسيب بخار الماء، ونظراً لأن أسطحها ذات أحجام منفصلة، فإن الهواء الجوي يقلل من مقدار التشبع الفائق المطلوب لبخار الماء لتغيير طورته، ويشار إليه باسم نوى تكثيف السحب.

وكلما زاد حجم الهواء وزادت قابليته للذوبان، انخفضت نسبة التشبع الفائق المطلوبة؛ لكي يعمل الهواء كسطح تكثيف، تصبح نوى التكثيف في الغلاف الجوي فعالة عند التشبع الفائق من حوالي 0.1 إلى 1 في المائة (أي مستويات بخار الماء حوالي 0.1 إلى 1 في المائة فوق نقطة التشبع)، ويتراوح تركيز نوى تكثف السحب في طبقة التروبوسفير السفلى عند تشبع فائق بنسبة 1 في المائة من حوالي 100 لكل سنتيمتر مكعب، (حوالي 1600 لكل بوصة مكعبة) في الحجم في هواء المحيط إلى 500 لكل سنتيمتر مكعب (8000 لكل بوصة مكعبة) في الغلاف الجوي فوق قارة، تحدث تركيزات أعلى في الهواء الملوث.

يشار إلى الهواء الجوي الفعال في تحويل بخار الماء إلى بلورات ثلجية باسم نوى الجليد، على عكس نوى التكثيف السحابية فإن نوى الجليد الأكثر فعالية، هي كارهة للماء (لها انجذاب منخفض للماء) مع تباعد جزيئي وبنية بلورية قريبة من تلك الموجودة في الجليد.

في حين أن نوى تكثيف السحب متوفرة دائماً بسهولة في الغلاف الجوي، فإن نوى الجليد غالباً ما تكون نادرة، نتيجة لذلك يمكن أن تظل المياه السائلة المبردة إلى أقل من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) سائلة في درجات حرارة تحت التجمد بسبب عدم وجود نوى جليدية فعالة، ويشار إلى الماء السائل عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية بالمياه فائقة التبريد، باستثناء بلورات الجليد الحقيقية، والتي تكون فعالة عند 0 درجة مئوية، تصبح جميع نوى الجليد الأخرى فعالة في درجات حرارة أقل من درجة التجمد.

في حالة عدم وجود أي نوى جليدية، فإنه يتطلب تجميد قطرات الماء فائقة البرودة التي يبلغ نصف قطرها بضعة ميكرومتر، وذلك في عملية تسمى تنوي الجليد المتجانس، حيث درجات حرارة عند -39 درجة مئوية (-38 درجة فهرنهايت) أو أقل، بينما ستتجمد قطرة المطر بالقرب من 0 درجة مئوية، فإن قطرات السحب الصغيرة تحتوي على عدد قليل جداً من الجزيئات لتكوين بلورة جليدية، عن طريق الصدفة العشوائية حتى تتباطأ الحركة الجزيئية مع اقتراب درجة الحرارة -39 درجة مئوية، عند وجود نوى جليدية، يمكن أن يحدث نواة جليدية غير متجانسة في درجات حرارة أكثر دفئاً.

تتكون نوى الجليد من ثلاثة أنواع، وهي: نوى الترسيب ونوى التلامس ونواة التجميد، تتشابه نوى الترسيب مع نوى التكثيف في بخار الماء، الذي يترسب مباشرة على شكل بلورات ثلجية على الهواء الجوي، على النقيض من ذلك ترتبط نوى التلامس والتجميد بتحويل الماء المبرد إلى جليد، وتقوم نواة التلامس بتحويل الماء السائل إلى جليد عن طريق لمس قطرة ماء فائقة التبريد، كما يتم امتصاص نوى التجميد في الماء السائل وتحويل الماء المبرد إلى ثلج من الداخل إلى الخارج.

تتضمن أمثلة نوى تكثيف السحب كلوريد الصوديوم (NaCl) وكبريتات الأمونيوم ([NH4] 2 SO2)، في حين أن الكاولينيت المعدني الطيني هو مثال على نوى الجليد، بالإضافة إلى ذلك يمكن للبكتيريا التي توجد بشكل طبيعي الموجودة في فضلات الأوراق المتحللة، وأن تكون بمثابة نوى جليدية عند درجات حرارة أقل من حوالي −4 درجة مئوية (24.8 درجة فهرنهايت)، في عملية تسمى البذر السحابي، تم استخدام يوديد الفضة مع درجات حرارة نواة جليدية فعالة تقل عن 4 درجة مئوية لسنوات، وذلك في محاولات لتحويل المياه فائقة التبريد إلى بلورات ثلجية في المناطق التي تعاني من ندرة نوى الجليد الطبيعية.

ترسب قطرات سائلة وتكوين السحب في الغلاف الجوي:

يعتمد تطور الغيوم الذي يتبع تكوين قطرات السحب السائلة أو بلورات الجليد، على المرحلة التي تحدث فيها المياه، يُشار إلى السحابة التي يحدث فيها الماء السائل فقط (حتى في درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية) على أنها سحابة دافئة، ويقال إن هطول الأمطار الناتج عن عمليات السحب الدافئة، وفي مثل هذه السحابة يبدأ نمو قطرة الماء السائلة إلى قطرة مطر بالتكثيف، حيث يتكثف بخار الماء الإضافي في جو مفرط التشبع.

تستمر هذه العملية حتى تصل القطرة إلى نصف قطر يبلغ حوالي 10 ميكرومتر (0.0004 بوصة)، فوق هذا الحجم، ونظراً لأن كتلة القطرة تزداد وفقاً لمكعب نصف قطرها، فإن الزيادات الإضافية عن طريق النمو التكثيف تكون بطيئة جداً، وبالتالي فإن النمو اللاحق يحدث فقط عندما تتطور قطرات السحب بمعدلات مختلفة قليلاً، تُعزى الاختلافات في معدلات النمو إلى الاختلافات المكانية لأحجام الهواء الأولية، وفي القابلية للذوبان وفي مقادير التشبع الفائق.

إن قطرات السحب ذات الأحجام المختلفة تسقط بسرعات مختلفة وستصطدم بقطرات من أنصاف أقطار مختلفة إذا كان التصادم صعباً بدرجة كافية، للتغلب على التوتر السطحي بين القطرتين المتصادمتين، فسيحدث اندماج وينتج عنه قطرة واحدة جديدة وأكبر.

يشار إلى عملية نمو القطرات السحابية هذه باسم اندماج الاصطدام، وتنتج أمطار السحب الدافئة عندما تصل القطرات إلى حجم كافٍ لتسقط على الأرض، تحتوي قطرة المطر هذه (نصف قطرها حوالي 1 مم أي 0.04 بوصة) ربما على مليون قطرة سحابة بحجم 10 ميكرومتر، يتراوح نصف القطر النموذجي لقطرات المطر الناتجة عن هذا النوع من عمليات الترسيب، إلى عدة مليمترات ولها سرعات سقوط تتراوح من 3 إلى 4 أمتار (10 إلى 13 قدماً) في الثانية، وهذا النوع من التساقط شائع جداً من السحب الركامية الضحلة فوق المحيطات الاستوائية، في هذه المواقع يكون تركيز نوى تكثيف السحابة صغيراً جداً بحيث لا توجد سوى منافسة محدودة لبخار الماء المتاح.

هطول الجليد من السحب:

يشار إلى السحابة التي تحتوي على بلورات الجليد على أنها سحابة باردة، ويقال إن الهطول الناتج هو نتاج عمليات السحب الباردة، تقليديا تمت الإشارة إلى هذه العملية أيضاً باسم آلية (Bergeron Findeisen)، لعلماء الأرصاد الجوية السويديين (Tor Bergeron وWalter Findeisen)، اللذين قدمهما في الثلاثينيات، في هذا النوع من السحابة يمكن أن تنمو بلورات الجليد مباشرة من ترسب بخار الماء، وقد يكون بخار الماء هذا مفرط التشبع فيما يتعلق بالجليد، أو قد يكون نتيجة لتبخر الماء فائق التبريد والترسب اللاحق على بلورة جليدية.

ونظراً لأن ضغط بخار تشبع الماء السائل يكون دائماً أكبر من أو يساوي ضغط بخار تشبع الجليد، فإن بلورات الثلج سوف تنمو على حساب الماء السائل، على سبيل المثال يصبح الهواء المشبع فيما يتعلق بالماء السائل مفرط التشبع فيما يتعلق بالجليد بنسبة 10 في المائة عند -10 درجة مئوية (14 درجة فهرنهايت)، وبنسبة 21 في المائة عند -20 درجة مئوية (-4 درجة فهرنهايت)، ينتج عن هذا تحويل سريع للماء السائل إلى جليد.

يسمح هذا التغيير الكبير والسريع في الطور لبلورات جليدية كبيرة في سحابة محاطة بعدد كبير من قطرات السحب فائقة التبريد بالنمو بسرعة، (غالباً في أقل من 15 دقيقة) من بلورات جليدية صغيرة إلى رقاقات ثلجية، إن هذه الرقاقات الثلجية كبيرة بما يكفي لتسقط من خلال النمو الترسيبي وحده تصل سرعات تساقط الثلوج إلى حوالي 2 متر في الثانية (6.5 قدم في الثانية)، وبلورات الجليد التي تنمو عن طريق الترسب لها كثافة أقل بكثير من الجليد الصلب، بسبب الجيوب الهوائية التي تحدث داخل حجم البلورة.