كان اكتشاف الغلاف الجوي تحديًا قبل تطوير التقنيات مثل بالونات الهواء الساخن، وبالونات الطقس، والمظلات، والمضخات، وفي النهاية الطائرات، التي كانت تساعد في فهم خصائص الضغط الجوي، كما تحسنت تقنية أخذ القياسات في الغلاف الجوي بمرور الوقت.
ما هي قصة اكتشاف الغلاف الجوي ومن هم العلماء الذين قامو باكتشافه؟
قام أشخاص باكتشاف الغلاف الجوي واستخدمو تقنيات للارتفاع في السماء وإجراء القياسات، قاموا بتسلق الجبال حاملين مقاييس هائلة، حتى أنّ بعضهم فقدوا وعيهم بسبب درجات الحرارة المنخفضة ونقص الأكسجين أثناء إجراء قياسات الهواء على ارتفاع عدة أميال، في عام 1648م، صعد رجلان إلى بوي دو دوم، وهو بركان صغير منقرض مغطى بالعشب في وسط فرنسا بارتفاع قمته 1464 مترًا، حملوا معهم عمودًا زجاجيًا طوله مترًا مليئًا بالزئبق، وكان العمود الطويل من الزئبق.
كان الرجال هم بليز باسكال وفلورين بيرييه، بعد ذلك عدّ العمود الزجاجي للزئبق، أول مقياس ضغط، وهو جهاز لقياس ضغط الهواء، اليوم يمكن حمل البارومتر بيد واحدة، لكن مقياس القرن السابع عشر هذا، الذي اخترعه العالم الإيطالي وعالم الرياضيات إيفانجليستا توريتشيلي، كان ضخمًا وثقيلًا، الزئبق أثقل من الماء بعشر مرات يجب أن يكون حمل هذه الأداة قد جعل هذا الارتفاع تحديًا، ولكن لماذا أحضروا آلة كهذه؟ لقد أرادوا معرفة كيف يتغير ضغط الهواء مع الارتفاع في الغلاف الجوي، سيسمح لهم البارومتر بقياس هذا.
عندما يكون ضغط الهواء أعلى، فإنّ الزئبق الموجود في البركة يملأ الفراغ في العمود، ويرفع المستوى داخل الزجاج، عندما يكون ضغط الهواء أقل، ينتشر الزئبق الموجود في البركة، ويستخلص بعض الزئبق من العمود ويخفض المستوى في الزجاج، قام باسكال وبيريير بقياس ارتفاع الزئبق في عمود من الزجاج على ثلاثة ارتفاعات على الجبل، ووجدوا أنّه في الارتفاعات العالية على جانب (Puy de Dome)، كان مستوى الزئبق في العمود الزجاجي أقل مما كان عليه في الارتفاعات المنخفضة، وخلصوا إلى أنّ الاختلافات في ارتفاع الزئبق كانت ناجمة عن الاختلافات في وزن الهواء.
كلما صعدوا إلى الجبل، كان الغلاف الجوي فوقهم أقل، وبالتالي قل وزن الهواء لضغط الزئبق، بناءً على هذه النتيجة، خلص باسكال إلى وجود فراغ فوق الغلاف الجوي، في عام 1787م، صعد هوراس بنديكت دي سوسور إلى قمة مونت بلانك لاستكشاف الغلاف الجوي، قبل عام واحد فقط، تمّ تسلق هذه القمة الوعرة في جبال الألب بنجاح لأول مرة، إنّها أعلى نقطة في أوروبا حيث يبلغ ارتفاع قمتها 4810 مترًا (15781 قدمًا) فوق مستوى سطح البحر، وصل سوسور إلى القمة حاملاً معه مقياس حرارة ومقياس حرارة وقام بعمل قياسات على طول الطريق.
بحلول هذا الوقت، كانت الأدوات أصغر حجمًا وأكثر قابلية للحمل ومتاحة أكثر من المقياس الصعب الذي حمله باسكال وبيرييه معهم في عام 1648م، كان سوسور عالمًا للأرض ومتسلقًا للجبال، كان صعودًا صعبًا حتى من خلال اضطراره إلى قطع الوقت الذي يقضيه على الجبل، كانت القياسات التي أجراها سوسور قيّمة للغاية، تمّ التوصل إلى أنّ درجة حرارة الهواء تتناقص مع الارتفاع في الغلاف الجوي بنحو 0.7 درجة مئوية لكل 100 متر، مع هذه المعلومات استنتج هيرمان فون هيلمهولتز وآخرون أن ارتفاع درجة الحرارة في الغلاف الجوي حوالي 30 كم ستكون (-273) درجة مئوية (-460 فهرنهايت)، عند هذه الدرجة، لا توجد حرارة، وتُعرف باسم الصفر المطلق.
يُعتقد أنّ الصفر المطلق هو أدنى درجة حرارة ممكنة، لم يتم العثور عليه حتى مع التقنيات الحديثة، على الرغم من أنّ علماء القرن الحادي والعشرين اقتربوا كثيرًا، في القرن الثامن عشر عندما كان هيلمهولتز يُجري حساباته، كانت درجة الحرارة الباردة خارج المخططات، استغرق الأمر حوالي 60 عامًا قبل أن يخترع اللورد كلفن مقياس درجة حرارة يستخدم الصفر المطلق كقيمة صفرية، وهكذا عندما أعلن هيلمهولتز أنّ الصفر المطلق قد يكون موجودًا، كان هناك الكثير من الاهتمام بين العلماء لاستكشاف هذا الارتفاع في الغلاف الجوي من أجل إيجاد الصفر المطلق.
قام هنري كوكسويل وجيمس جلاشر بتأخير رحلة المنطاد في 5 سبتمبر 1862م بسبب عاصفة، انتظروا في ولفرهامبتون بإنجلترا حتى هدأت العاصفة، ثمّ صعدوا من خلال الغيوم إلى ضوء الشمس الساطع، كتب جيمس جلايشر في روايته للمغامرة، كان كوكسويل طيارًا ماهرًا في المناطيد، وكان جلاشر عالماً وقام بتجهيز البالون بأدوات لإجراء قياسات على ارتفاعات مختلفة في طريقه إلى الغلاف الجوي، قاموا بعدة بعثات بحثية في البالونات لاكتشاف الضغط الجوي، لكن الرحلة التي قاموا بها في 5 سبتمبر 1862م، هي الوحيدة التي كادوا أن يموتوا فيها، لقد طاروا أعلى من أي شخص آخر وكاد أن يكلفهم حياتهم.
كان كوكسويل يلهث لالتقاط أنفاسه بعد صعوده إلى مسافة أربعة أميال تقريبًا في الغلاف الجوي، قاموا بتفريغ الرمال للسماح للبالون بالصعود إلى ارتفاع خمسة أميال، كانت درجة الحرارة أقل بكثير من درجة التجمد وكان جلاشر لا يزال يأخذ القياسات، وكان كوكسويل لا يزال يلهث، كانت المحاولة الأولى من قبل جيتون دي مورفو لتوجيه منطاد، في فرنسا عام 1784م، قبل أواخر القرن الثامن عشر لاستكشاف ارتفاعات الغلاف الجوي العالية، كان ذلك قبل البالونات اخترع الأخوان الفرنسيان جوزيف ميشيل وجاك إتيان مونتغولفييه منطاد الهواء الساخن في عام 1783م، وكان مصنوعًا من قماش الخيش مع طبقات رقيقة من الورق في الداخل ومثبتة مع 1800 زر.
في 3 يونيو 1783م طاروا لمدة 10 دقائق وربما وصلوا إلى ارتفاع 2000 متر، باستخدام البالونات تمكن العلماء من البدء في استكشاف قياسات دقيقة لارتفاعات الضغط الجوي، بعد مرور عام على الرحلة التاريخية للأخوين مونتغولفييه، سافر غايتون دي مورو والقس برتراند في الغلاف الجوي فوق ديجون، فرنسا، على متن منطاد هواء ساخن مزود بأدوات لقياس درجة الحرارة والضغط، أطلقوا النار على ارتفاع يزيد عن 3000 متر في الغلاف الجوي وأخذوا قياسات على طول الطريق.
على ارتفاع أكثر من 29000 قدم في الغلاف الجوي في سلة منطاد الهواء الساخن، بدأ (Glaisher) في تجربة تأثيرات كارثية من البرد والارتفاع، لقد فقد استخدام ذراعيه، ولم يستطع تحريك ساقيه، وكان على علم بكل هذا، أغمي على جلاشر في سلة البالون، عند رؤية جلايشر مغمى عليه، أدرك كوكسويل أنّه بحاجة إلى فتح صمام يسمح للبالون للارتفاع الكافي في سطح الغلاف الجوي، لكن يديه كانتا متجمدتان من الصقيع ولم يقوى على تحريكهما، سحب كوكسويل الحبل الخاص بالصمام بأسنانه، أدّى هذا إلى انخفاض البالون.
نجا كلا الرجلين، وهبطوا في حقل عشبي على بعد سبعة أميال ونصف من حيث بدأوا، بمجرد أن كان كوكسويل على الأرض بأمان واستعاد استخدام أطرافه، تساءل جلاشر عن نوع البيانات التي كان سيجمعها لو لم يفقد وعيه على ارتفاع 29000 قدم، وتكهن قائلاً: “يجب أن يكون المنطاد قد وصل إلى ارتفاع 36000 أو 37000 قدم”، وهذا يتفق مع ملاحظة كوكسويل للبارومتر عندما كان جلايشر مغمى عليه.
إذا كان الأمر كذلك، فإنّ كوكسويل وجلايشر وصلوا إلى طبقة الستراتوسفير، لو لم يكن جلاشر فاقدًا للوعي، لكان قد وجد بيانات درجة الحرارة هناك، لن يتم جمع هذه البيانات لمدة ثلاثين عامًا حتى أتاح لنا التقدم التكنولوجي استكشاف الغلاف الجوي دون الذهاب إلى هناك، قام كل من كوكسويل وجلايشر بدراسة الغلاف الجوي بالطريقة الصعبة خلال رحلة المنطاد المشؤومة، ولكن عندما اخترع (Gustave Hermite) أول منطاد للطقس في تسعينيات القرن التاسع عشر، كان لدى العلماء طريقة جديدة لاستكشاف الغلاف الجوي دون المخاطرة بحياتهم.
كان (Teisserenc de Bort) من أوائل العلماء الذين استخدموا بالونات الطقس لاستكتشاف ومعرفة خصائص أخرى عن الضغط الجوي، أرسل بالونات مصنوعة من مواد مثل الورق والحرير عالياً في السماء فوق تراب فرنسافي ضواحي باريس، لم يتم ربط بالوناته، يمكن للغاز الموجود بداخلها، “الهيدروجين أو الهليوم أو الأمونيا أو الميثان”، الهروب بينما يرتفع البالون في الغلاف الجوي وينخفض ضغط الهواء، مع تقليل الغاز الذي يرفعه، سيسقط البالون في النهاية ببطء على الأرض.
ترسل بالونات الطقس اليوم البيانات التي تجمعها إلى الأرض من خلال موجات الراديو، لكن بالونات الطقس الأولى لم تكن بها هذه التقنية، بدلاً من ذلك كان على دي بورت أن يراقب أين ذهب المنطاد ويقوم بمتابعته حتى يعود إلى الأرض، سجلت حزمة الأدوات المرفقة بالبالون جميع البيانات التي تمّ جمعها على الطريق حول الضغط الجوي، أرسل (Teisserenc de Bort) أدوات في بالونات سجلت درجة الحرارة وضغط الهواء، لقد شعر بالحيرة عندما نظر إلى البيانات من حوالي 200 بالون ووجد أنّه عند ارتفاع معين في الغلاف الجوي، لم تعد درجة الحرارة تنخفض.
وقد بقيت على حالها بين 8 و13 كم في الغلاف الجوي، كان هذا محيرًا لأنّه في ذلك الوقت، كان يُعتقد أنّ درجة الحرارة استمرت في الانخفاض مع زيادة الارتفاع، في 28 أبريل 1902م، أعلن تيسيرينك دي بورت للأكاديمية الفرنسية للعلوم أنّه اكتشف طبقة من الغلاف الجوي حيث تظل درجة الحرارة كما هي مع الارتفاع، أطلق على هذه الطبقة من الغلاف الجوي اسم الستراتوسفير.
كان ريتشارد أسمان، العالم والطبيب يستكشف الغلاف الجوي فوق ألمانيا، في نفس الوقت الذي كان فيه تيسيرينك دي بورت يستكشف الغلاف الجوي فوق فرنسا، استخدم كلا العالمين بالونات تحمل أدوات لجمع البيانات حول كيفية تغير درجة الحرارة مع الارتفاع، وكلاهما اكتشف طبقة الستراتوسفير وشاركا اكتشافاتهما في عام 1902م، كان أسمان عضوًا في جمعية تعزيز الملاحة الجوية، كان معظم الأعضاء مهتمين بالمناطيد والبالونات ووسائل السفر الجوي الأخرى، لكن أسمان كان مهتمًا باستخدام هذه التقنيات لدراسة الغلاف الجوي.
بمساعدة من المجموعة وآخرين، اخترع أسمان بالونات الطقس المصنوعة من المطاط، والتي كانت أقوى وأكثر تحليقًا من بالونات الطقس الورقية والنسيجية في ذلك الوقت، وقد عادوا إلى الأرض بسهولة أكبر من البالونات المصنوعة من القماش والورق، عندما ترتفع البالونات المطاطية في الغلاف الجوي فإنّها تتمدد بسبب انخفاض ضغط الهواء، على ارتفاع معين لم يعد المطاط قادرًا على التمدد وسوف ينفجر البالون وهذا هو سبب تسميتها بالونات أسمان المتوسعة والمتفجرة.
