تشكيل السحب في طبقات غلاف الجوي على سطح الأرض

تشكيل السحب في طبقة التربوسفير:

تُعرف المنطقة الواقعة فوق طبقة حدود الكوكب باسم الغلاف الجوي الحر، والرياح في هذا الحجم لا تتأخر بشكل مباشر عن طريق الاحتكاك السطحي، تحدث الغيوم بشكل متكرر في هذا الجزء من طبقة التروبوسفير، على الرغم من أن الضباب والغيوم التي تصطدم أو تتطور فوق التضاريس المرتفعة غالباً ما تحدث عند مستويات منخفضة.

هناك نوعان أساسيان من السحب وهي: السحب التراكمية والطبقية الشكل، يتطور كلا النوعين من السحب عندما يصعد الهواء الصافي، ويبرد بشكل ثابت أثناء تمدده حتى يبدأ الماء في التكثف أو يحدث الترسب، ويخضع الماء لتغيير حالته من غاز إلى سائل في ظل هذه الظروف، لأن الهواء البارد يمكن أن يحتوي بخار ماء أقل من الهواء الأكثر دفئاً، على سبيل المثال يمكن أن يحتوي الهواء عند 20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت) على ما يقرب من أربعة أضعاف كمية بخار الماء، كما هو الحال عند 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) قبل حدوث التشبع ويتكثف بخار الماء في قطرات سائلة.

تحدث الغيوم الطبقية عندما يتم دفع الهواء المشبع ميكانيكياً إلى الأعلى ويظل أبرد من الهواء الصافي المحيط عند نفس الارتفاع، في طبقة التروبوسفير السفلى، تسمى هذه الغيوم ستراتوس، والضباب الأفقي عبارة عن سحابة طبقية مع قاعدة تقع على سطح الأرض، في طبقة التروبوسفير الوسطى، تُعرف السحب الطبقية باسم (altostratus)، في طبقة التروبوسفير العليا، يتم استخدام المصطلحات (cirrostratus أو cirrus) يشير نوع السحابة الرقيقة إلى سحب سمحاقية رقيقة وهشة في كثير من الأحيان، تسمى السحب الطبقية التي تمتد عبر جزء كبير من طبقة التروبوسفير والترسبات (nimbostratus).

تحدث الغيوم التراكمية عندما يكون الهواء المشبع مضطرباً، تُظهر هذه السحب بأشكالها ذات الأبراج الفقاعية، سلوكاً صغيراً صعوداً وهبوطاً للهواء في الطبقة الحدودية المضطربة للكواكب، وغالباً ما تُرى مثل هذه الغيوم بقواعد في أو بالقرب من قمة الطبقة الحدودية، حيث تصل الدوامات المضطربة المتولدة بالقرب من سطح الأرض إلى ارتفاع كافٍ لحدوث التكثيف.

سوف تتكون السحب التراكمية في الغلاف الجوي الحر إذا كان جزء من الهواء عند التشبع، أكثر دفئاً من الغلاف الجوي المحيط، ونظراً لأن طرد الهواء هذا أكثر دفئاً من محيطه، فسوف يتسارع لأعلى، مما يخلق الفقاعة المضطربة المشبعة المميزة للسحابة التراكمية، تُعرف السحب التراكمية، التي لا تصل إلى أعلى من الطبقة السفلى من طبقة التروبوسفير، باسم الركام الركامي عندما يتم توزيعها عشوائياً، وعلى شكل طبقات ركامية عندما يتم تنظيمها في خطوط.

تمتد السحب الركامية المتراكمة إلى طبقة التروبوسفير الوسطى، بينما تسمى السحب التراكمية العميقة التي تمتد في جميع أنحاء طبقة التروبوسفير بالسحب الركامية، تُسمى السحب الركامية أيضاً باسم العواصف الرعدية، نظراً لأنها عادةً ما تكون مصحوبة ببرق ورعد، تنشأ السحب الركامية من الركام الركامي وغيوم التكدس.

بشكل عام من المهم معرفة بأنه يوجد اضطراب طفيف فوق الطبقة الحدودية ضمن طبقة التروبوسفير، ومع ذلك هناك استثناءان ظاهران، وأول اضطراب هو أن الاضطراب ينتج بالقرب من التيارات النفاثة، حيث توجد مقصات السرعة الكبيرة داخل السحب التراكمية والمجاورة لها، وفي هذه المواقع تحدث الاضطرابات الطافية نتيجة لانطلاق الحرارة الكامنة.

والاضطراب الثاني هو أنه يمكن العثور على جيوب من الاضطرابات الطافية عند قمم السحب وفوقها مباشرةً، في هذه المواقع يؤدي التبريد الإشعاعي للسحب إلى زعزعة استقرار الجيوب الهوائية وجعلها أكثر قوة، وكثيراً ما يتم الإبلاغ عن اضطراب الهواء الصافي (CAT) عندما تطير الطائرات بالقرب من إحدى هذه المناطق التي يتولد عنها اضطراب.

تشكيل السحب في طبقتي الستراتوسفير والميزوسفير:

يقع الستراتوسفير فوق طبقة التروبوسفير ويمتد حتى حوالي 50 كم (30 ميل)، فوق التروبوبوز والطبقة المتساوية في طبقة الستراتوسفير السفلى، تزداد درجة الحرارة مع الارتفاع، ولوحظت درجات حرارة تصل إلى 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) بالقرب من الجزء العلوي من الستراتوسفير، تؤدي الزيادة الملحوظة في درجة الحرارة مع الارتفاع في طبقة الستراتوسفير إلى استقرار ديناميكي حراري قوي مع قليل من الاضطراب والخلط الرأسي.

ينتج عن درجات الحرارة الدافئة والهواء الجاف جداً حجم خالي من السحب تقريباً، وتسمى الغيوم النادرة التي تحدث بالصدف، أو عرق اللؤلؤ، بسبب تقزحها المذهل ويبدو أنها تتكون من جليد ومياه فائقة البرودة، تتكون هذه الغيوم على ارتفاع يصل إلى 30 كم (19 ميل).

إن نمط زيادة درجة الحرارة مع الارتفاع في الستراتوسفير هو نتيجة التسخين الشمسي، حيث أن الأشعة فوق البنفسجية في نطاق الطول الموجي من 0.200 إلى 0.242 ميكرومتر تفصل الأكسجين ثنائي الذرة (O2)، ينتج عن الارتباط الناتج لذرات الأكسجين المفردة بـ O2 الأوزون (O3)، وينتج أوزون الستراتوسفير الطبيعي بشكل رئيسي في خطوط العرض الاستوائية والوسطى، ترتبط مناطق النضوب الكامل للأوزون، والتي حدثت في القطب الجنوبي خلال فصل الربيع بالغيوم الصدفية ومركبات الكلوروفلوروكربون (CFCs)، وغيرها من الملوثات من الأنشطة البشرية.

تُعرف هذه المناطق بشكل أكثر شيوعاً باسم ثقوب الأوزون، ويتم نقل الأوزون أيضاً إلى أسفل في طبقة التروبوسفير في المقام الأول بالقرب من الجبهة القطبية، ويغطي الستراتوبوز الجزء العلوي من الستراتوسفير، ويفصله عن الميزوسفير بالقرب من ارتفاع 45 إلى 50 كم (28 إلى 31 ميلاً) وضغط 1 ملي بار (يساوي تقريباً 0.75 مم من الزئبق عند 0 درجة مئوية، أو 0.03 بوصة من الزئبق عند 32 درجة فهرنهايت).

وفي طبقة الميزوسفير تنخفض درجات الحرارة مرة أخرى مع زيادة الارتفاع، على عكس الوضع في الستراتوسفير، لا يتم كبح التيارات الهوائية العمودية في طبقة الميزوسفير بشدة، تتشكل السحب البلورية الجليدية التي تسمى الغيوم الليلية، أحيانًا في الطبقة الوسطى من الغلاف الجوي، فوق منطقة الميزوبوز، وهي منطقة تقع على ارتفاعات قريبة من 85 إلى 90 كم (50 إلى 55 ميلاً)، تزداد درجة الحرارة مرة أخرى مع الارتفاع في طبقة تسمى الغلاف الحراري.

تشكيل السحب في طبقة الثيرموسفير:

تتراوح درجات الحرارة في الغلاف الحراري من حوالي 500 كلفن (حوالي 227 درجة مئوية، أو 440 درجة فهرنهايت) خلال فترات انخفاض نشاط البقع الشمسية، إلى 2000 كلفن (1،725 درجة مئوية، أو 3137 درجة فهرنهايت) عندما تكون الشمس نشطة، ويحدث انقطاع الحرارة الذي يُعرَّف بأنه مستوى الانتقال إلى ملف تعريف درجة حرارة متساوي إلى حد ما في الجزء العلوي من الغلاف الحراري، على ارتفاعات تبلغ حوالي 250 كيلو متر (150 ميل) خلال فترات الشمس الهادئة وحوالي 500 كيلو متر (300 ميل) عندما تكون الشمس نشط، وفوق 500 كيلو متر تكون الاصطدامات الجزيئية نادرة بما يكفي لدرجة يصعب معها تحديد درجة الحرارة.

يسمى الجزء من الغلاف الحراري حيث تتوافر الجسيمات المشحونة (الأيونات) بغلاف الأيونوسفير، وتنتج هذه الأيونات عن إزالة الإلكترونات من غازات الغلاف الجوي بواسطة الأشعة فوق البنفسجية الشمسية، كما يمتد الغلاف الجوي المتأين من ارتفاع 80 إلى 300 كيلو متر (حوالي 50 إلى 185 ميلاً)، وهو منطقة موصلة كهربائياً قادرة على عكس إشارات الراديو إلى الأرض.

تحدث كثافة الأيونات القصوى، وهي حالة تجعل الإرسال اللاسلكي فعالاً ضمن طبقتين فرعيتين، أي ضمن المنطقة (E) الأدنى، والتي توجد من 90 إلى 120 كم (حوالي 55 إلى 75 ميلاً) في الارتفاع، والمنطقة (F) التي تمتد من 150 إلى 300 كيلو متر (حوالي 90 إلى 185 ميلاً) في الارتفاع، وتحتوي المنطقة (F) على حدتين أقصى (أي فترتين من أعلى كثافة أيونية) خلال ساعات النهار، تسمى (F1 وF2)، وتمتلك كل من منطقتي (F1 وF2) كثافة أيونية عالية وتتأثران بشدة بالنشاط الشمسي ووقت اليوم.

ومن بين هذه المناطق تعد منطقة (F2) هي الأكثر تنوعاً بين الاثنين وقد تصل إلى كثافة أيونية تصل إلى 106 إلكتروناً لكل سنتيمتر مكعب، وتستفيد الإرسالات الراديوية ذات الموجات القصيرة القادرة على الوصول إلى جميع أنحاء العالم، من قدرة الطبقات في طبقة الأيونوسفير على عكس أطوال موجية معينة من الإشعاع الكهرومغناطيسي، بالإضافة إلى ذلك لوحظت تصريفات كهربائية من قمم العواصف الرعدية إلى طبقة الأيونوسفير، والتي تسمى الأحداث المضيئة العابرة.

الغلاف المغناطيسي والغلاف الخارجي:

فوق ما يقرب من 500 كم (300 ميل) تكون حركة الأيونات مقيدة بشدة بوجود المجال المغناطيسي للأرض، هذه المنطقة من الغلاف الجوي للأرض، والتي تسمى الغلاف المغناطيسي تنضغط بفعل الرياح الشمسية على جانب ضوء النهار من الكوكب، وتمتد إلى الخارج في ذيل طويل على الجانب الليلي، ترتبط العروض الشفقية الملونة التي غالباً ما تُرى في خطوط العرض القطبية بدفعات من الجسيمات عالية الطاقة الناتجة عن الشمس، وعندما تتأثر هذه الجسيمات بالغلاف المغناطيسي، يتم حقن بعضها لاحقاً في طبقة الأيونوسفير السفلى.

يشار إلى الطبقة التي يزيد ارتفاعها عن 500 كم على الغلاف الخارجي، وهي منطقة لا يتصادم فيها نصف الجزيئات التي تتحرك صاعداً على الأقل مع بعضها البعض، في المقابل تتبع هذه الجزيئات مسارات باليستية طويلة، وقد تخرج من الغلاف الجوي تماماً إذا كانت سرعات هروبها عالية بما يكفي، يعد معدل فقدان الجزيئات عبر الغلاف الخارجي أمراً بالغ الأهمية في تحديد ما إذا كانت الأرض أو أي جسم كوكبي آخر يحتفظ بالغلاف الجوي.