الغلاف الجوي في الكواكب الأخرى والظواهر البصرية

البحث السحابي والبرق والظواهر البصرية في الغلاف الجوي:

يرتبط الاصطدام المتكرر بين بلورات الجليد والكرات في السحب بتراكم الشحنات الكهربائية، هذه الكهرباء كبيرة بشكل خاص في السحب الركامية نتيجة الاختلاط الرأسي القوي والاصطدامات، وفي المتوسط ​تتراكم الشحنات الموجبة في المناطق العليا، بينما تتركز الشحنات السالبة في الأسفل، استجابةً للشحنة السالبة بالقرب من قاعدة السحابة، ومع سقوط المطر السالب باتجاه الأرض يتطور جيب من الشحنة الموجبة على الأرض، عندما يصبح الفرق في الجهد الكهربائي بين الشحنات الموجبة والسالبة كبيراً بدرجة كافية، سيحدث تفريغ كهربائي مفاجئ (البرق).

يمكن أن يحدث البرق بين مناطق مختلفة من السحابة، كما هو الحال في البرق داخل السحابة وبين السحابة والأرض المشحونة إيجاباً، كما هو الحال في البرق من السحابة إلى الأرض، يؤدي مرور البرق عبر الهواء إلى تسخينه إلى ما يزيد عن 30.000 كلفن (29.725 درجة مئوية، أو 53.540 درجة فهرنهايت)، مما يتسبب في زيادة كبيرة في الضغط. ينتج عن هذا موجة صدمة قوية تُسمع على شكل رعد.

غالباً ما ينتج ضوء الشمس الذي ينتشر عبر السحب وهطول الأمطار صوراً ضوئية رائعة، يتم إنتاج أقواس قزح عندما ينحرف ضوء الشمس إلى ألوانه المكونة بواسطة قطرات الماء، بالإضافة إلى ذلك يتم إنتاج الهالات عن طريق انكسار وانعكاس ضوء الشمس، أو ضوء القمر بواسطة بلورات الجليد، بينما تتشكل الهالات عندما يمر ضوء الشمس أو ضوء القمر عبر قطرات الماء.

يتم اختبار وجود تكاثف السحب ونوى الجليد في الطرود الهوائية، باستخدام حجرات السحب التي يتم فيها تحديد درجات الحرارة والرطوبة النسبية التي يتم التحكم فيها، في التروبوسفير العلوي والستراتوسفير السفلي، تحلق الطائرات عبر السحب لتجمع القطرات والجليد على ألواح التجميع، أو تصور وجودها في تيار الهواء، في الماضي تم تحديد الأحجام المختلفة للقطرات والأنواع المختلفة من بلورات الجليد من قبل باحث في إجراء مملة وذاتية.

يمكن اليوم تكملة هذا التحليل عن طريق تقييم الصور المحوسب، وعلى الأرض يتم صنع قوالب تأثير هطول الأمطار وانطباعات بلورية الثلج، يتم أيضاً جمع أحجار البرد، نظراً لأن تحليل هيكلها غالباً ما يساعد في تحديد البيئة المحيطة التي تشكلت فيها، ويتم إجراء التحليلات الكيميائية للقطرات السحابية، وبلورات الجليد والتساقط بشكل متكرر أيضاً من أجل تحديد الملوثات الطبيعية والتي من صنع الإنسان في الأشكال المختلفة للمياه.

أنظمة القياس لمراقبة الغلاف الجوي:

طرق مراقبة الغلاف الجوي من نوعين، وهما: القياسات في الموقع ورصد الاستشعار عن بعد، تتطلب القياسات في الموقع أن تكون الأجهزة موجودة مباشرة في نقطة الاهتمام وعلى اتصال بالموضوع محل الاهتمام، في المقابل توجد أجهزة الاستشعار عن بعد على مسافة من الموضوع محل الاهتمام، وتشمل المستشعرات عن بعد الأنظمة المنفعلة، (الأدوات التي تتلقى المعلومات المنبعثة بشكل طبيعي من منطقة في الغلاف الجوي) والأنظمة النشطة (الأدوات التي تنبعث إما طاقة صوتية أو كهرومغناطيسية وتسجل خصائص هذه الطاقة بعد أن تنعكس على جسم أو سطح وتعود مرة أخرى إلى المستشعر).

داخل طبقة حدود الكواكب تشتمل الأجهزة الموجودة في الموقع على الأبراج والبالونات المربوطة، ومنصات جمع البيانات السطحية، ويتم إجراء مجموعة واسعة من قياسات الأرصاد الجوية من هذا الجهاز، بما في ذلك درجة الحرارة ودرجة حرارة نقطة الندى والضغط وسرعة الرياح والتدفق الإشعاعي للموجات الطويلة والقصيرة وكيمياء الهواء، يتم إجراء ملاحظات الاستشعار عن بعد النشطة، باستخدام رادارات دوبلر وغير دوبلر و (lidars وهي نوع من الليزر يقيس الضوء المرتد)، وأجهزة السبر الصوتية.

تقيس الرادارات التشتت الخلفي لإشعاع الميكروويف الكهرومغناطيسي بأطوال موجية تتراوح من 3 إلى 10 سم (1 إلى 4 بوصات)، توفر الرادارات غير الدوبلرية تقديرات لكثافة الهواطل، بينما يمكن لرادارات دوبلر أيضاً أن تقدم تقديرات لسرعة الرياح واتجاهها، من خلال الكشف عن تحول في تردد صدى ناتج عن هدف متحرك، غالباً ما تكون رادارات دوبلر ذات الطول الموجي الأقصر قادرة على قياس الرياح حتى في الهواء الصافي.

توفر ليدار ثاني أكسيد الكربون تقديرات لهيكل الرياح واضطرابها في غضون بضع عشرات من الكيلومترات من الجهاز، تُستخدم أجهزة السبر الصوتية بشكل أساسي لمراقبة عمق الطبقة الحدودية وهيكلها، باستخدام خصائص ارتداد الصدى، تشمل الأجهزة السلبية مقياس الحرارة، الذي يقيس الإشعاع الشمسي المباشر والمنتشر ومقياس درجة الحرارة، الذي يأخذ عينات الإشعاع المباشر من الشمس فقط.

إن فوق الطبقة الحدودية (ولكن داخل طبقة التروبوسفير) فإن منصة المراقبة القياسية الأساسية هي المسبار اللاسلكي، يتم ربط المسابير الراديوية ببالونات الهيليوم مرتين يومياً (في وقت واحد عند 0000 ساعة و 1200 ساعة بتوقيت غرينتش) حول العالم، ونتيجة لاستخدامها تم تحقيق أرشيف بيانات طويل الأمد لحالة الغلاف الجوي، كما تُطبق أرصاد الأرصاد الجوية من المسابير الراديوية لقياس نماذج التنبؤ العددي بالطقس المستخدمة للتنبؤ بالطقس اليومي.

تقيس المسابير الراديوية درجة الحرارة ودرجة حرارة نقطة الندى والضغط، ويمكن مراقبة موضع المسبار اللاسلكي عن طريق تتبع الرادار، بحيث تكون سرعة الرياح واتجاهها كدالة للارتفاع متاحين بشكل روتيني؛ ولهذا السبب يُشار أيضاً إلى المسابير اللاسلكية بالمسابير الأولية، منذ التسعينيات تم استخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لتتبع البالونات وحساب سرعة الرياح واتجاهها، وتم تصميم مسابير الراديو بحيث يكون معدل ارتفاعها حوالي 200 متر (650 قدم) في الدقيقة.

تم تطوير أنظمة الاستشعار عن بعد التي تسمى ملفات التعريف لتوفير قياسات شبه مستمرة للرياح، وبدقة أقل إلى حد ما للرطوبة ودرجة الحرارة في جميع أنحاء أدنى 10 كيلومترات (6 أميال) من الغلاف الجوي، ويتم تقدير الرياح باستخدام رادار دوبلر متجه لأعلى، في حين يتم تقييم ملامح درجة الحرارة والرطوبة باستخدام مقياس إشعاع رأسي يقيس الانبعاثات الكهرومغناطيسية لأطوال موجية مختارة على ارتفاعات مختلفة في طبقة التروبوسفير.

تُستكمل البيانات التي تم جمعها من مسابير الراديو، وتُستخدم بالاقتران مع درجة الحرارة السلبية التي تدور حول الأرض الساتلية وقياسات قياس الرطوبة الإشعاعية، فضلاً عن قياسات الرياح النشطة في الليدار.

توفر الطائرات أيضاً معلومات مفصلة بشأن بنية الغلاف الجوي، إن الطائرات المستخدمة في التجارب الميدانية، مثل طائرة (Lockheed P-3) التي تستخدمها الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) في الولايات المتحدة، تكون مُجهزة بشكل كبير، وغالباً ما تحمل رادار دوبلر، وأجهزة استشعار الاضطراب وأجهزة قياس في الموقع، للمياه السحابية ومحتوى الجليد السحابي والهيكل.

وتم استخدام (NOAA P-3) للطيران عبر الأعاصير وأنواع أخرى من أنظمة السحب العميقة المترسبة، تُستخدم الطائرات التجارية بشكل روتيني لجمع بيانات درجة حرارة الغلاف الجوي وبيانات الرياح، حيث يتم إرسال هذه المعلومات إلى المتنبئين بالطقس واستخدامها في إعداد تحليلات خرائط الطقس.

الغلاف الجوي في الكواكب الأخرى:

تحتفظ الأجسام الفلكية بالغلاف الجوي عندما تكون سرعة هروبها أكبر بكثير من متوسط ​​السرعة الجزيئية للغازات، الموجودة في الغلاف الجوي، هناك 8 كواكب وأكثر من 160 قمر في النظام الشمسي، ومن بين هذه الكواكب يوجد لكل من كوكب الزهرة والأرض والمريخ والمشتري وزحل وأورانوس ونبتون أغلفة جوية مهمة، قد يكون لبلوتو (كوكب قزم) غلاف جوي ملموس، ولكن ربما فقط عندما يكون مداره الإهليلجي للغاية أقرب إلى الشمس، ومن بين الأقمار يُعرف فقط تيتان (وهو أحد أقمار زحل) بامتلاكه غلاف جوي سميك، وقد نتج الكثير مما هو معروف عن هذه الكواكب وأقمرها عن مسابير الفضاء بايونير وفايكنج ومارينر وفوييجر وفينيرا.

يتكون الغلاف الجوي لكوكب الزهرة من حوالي 96 في المائة من ثاني أكسيد الكربون، وذلك مع درجات حرارة سطح حوالي 737 كلفن (464 درجة مئوية، أو 867 درجة فهرنهايت)، كما تتكون الغيوم على كوكب الزهرة من حمض الكبريتيك (H2SO4)، وتتحرك في دورة شرقية تبلغ حوالي 100 متر في الثانية (224 ميلاً في الساعة)، تدور الزهرة نفسها مرة واحدة فقط كل 243 يوماً من أيام الأرض، وتبلغ الضغوط السطحية على كوكب الزهرة حوالي 95000 مليبار، (على النقيض من ذلك يبلغ ضغط الأرض عند مستوى سطح البحر حوالي 1000 مليبار).

وكوكب المريخ على النقيض من ذلك، فإنه يملك غلاف جوي رقيق يتكون من حوالي 95 في المائة من ثاني أكسيد الكربون، والباقي عبارة عن نيتروجين ثنائي الذرة، كما تحدث آثار بخار الماء، وكوكب المريخ لديه متوسط ​​درجة حرارة الهواء السطحي المقدرة بـ 210 كلفن (-63 درجة مئوية، أو -82 درجة فهرنهايت)، والضغوط السطحية تحوم بالقرب من 6 مليبار، تُلاحظ سحب الماء وثاني أكسيد الكربون على سطح المريخ، ولها مواسم محددة جيداً.

وبالإضافة إلى العواصف الترابية الإقليمية والعالمية الدورية، تمت ملاحظة العواصف والغيوم الإعصارية المرتبطة بالحد الفاصل بين الهواء البارد (من الغطاء القطبي) والهواء الدافئ (من خطوط العرض الوسطى) على الكوكب، إن معدل دوران المريخ قريب من معدل دوران الأرض، تشير الدلائل على وجود قنوات نهرية على سطح المريخ إلى وجود الماء السائل وأن كثافة الغلاف الجوي كانت أعلى بكثير في الماضي الجيولوجي للكوكب.

جنبا إلى جنب مع الأرض إن كوكب الزهرة والمريخ لهما أغلفة جوية تشكلت في المقام الأول نتيجة لانبعاثات الغازات البركانية، على الرغم من أن تطور هذه الغازات على كل كوكب كان مختلفاً تماماً، فعلى المريخ على سبيل المثال درجات الحرارة حالياً منخفضة جداً، لدرجة أن معظم بخار الماء المنبعث من البراكين قد ترسب على ما يبدو كجليد داخل تربة القشرة الأرضية.

وربما أدى قرب الزهرة من الشمس وما ينتج عن ذلك من درجات حرارة أعلى، إلى فقدان معظم الماء من ذلك الكوكب، أو على الأرجح من خلال انحلال الماء إلى الهيدروجين والأكسجين، تم فقد غاز الهيدروجين في الفضاء؛ لذلك تم دمج الأكسجين مع عناصر أخرى من خلال الأكسدة ومع ثاني أكسيد الكربون (الناتج عن الانبعاثات البركانية) المتراكمة لتركيزات عالية.