هل تسقط قطرات الماء من الغيوم بفعل الجاذبية

علاقة الجاذبية بالأمطار

يتكون المطر من الماء وهو ظاهرة طبيعية شائعة، حيث يتم تكثيف بخار الماء ليسقط المطر على سطح الأرض نتيجة للجاذبية.

المطر يتكون من مكونات أخرى غير الماء، مثل الغبار والهباء الجوي، واللذان يرتفعان معًا في الغلاف الجوي للأرض. ويحدد هذان المكونان للمطر قيمة الأس الهيدروجيني.

هناك أشكال مختلفة من الأمطار تتميز بخصائص مثل شدتها ومدتها وتأثيرها ومنشأها، ولا يمكن حدوث الأمطار بدون وجود السحب، حيث يحدث هذا الأمر بناءً على الارتفاع ودرجة الحرارة، مما يسبب تشكل بلورات الجليد أو قطرات الماء على شكل الأمطار.

عندما تصل بلورات الجليد في السحابة إلى بيئة أكثر دفئًا، فإنها تذوب وتتحول إلى قطرات الماء، وبعد ذلك تسقط قطرات الماء على الأرض في شكل مطر.

يتبخر الماء من سطح الأرض في دورة الماء، حيث يرتفع ويصبح باردًا ويتكثف في السحب، وتمطر الغيوم الماء عائدة إلى السطح مرة أخرى، وتستمر الدورة. ومع ذلك، يخفي هذا المفهوم البسيط الكثير من التفاصيل التي تشكل الأسئلة الحالية للبحث.

لماذا لا تسقط الغيوم

سبب عدم سقوط الغيوم يعود إلى عملية التكثيف التي يمكن أن تشكل قطرات صغيرة جدا حوالي 10-20 ميكرون، وهذا الحجم صغير جدا لدرجة أنه يطفو في الهواء، ولذلك لا تسقط الغيوم. حجم قطرات المطر أكبر بكثير من ذلك بمقدار 10-100 مرة، ولذلك يجب أن يحدث شيء آخر لجعلها تسقط.

لكي تنمو الغيوم، يجب أن تكون من النوع الذي يظل عند درجة حرارة تزيد عن 0 درجة مئوية حتى لا تتجمد القطرات، ويجب أن تضرب القطرات ببعضها البعض وتلتصق ببعضها البعض، وتتنبأ بعض النظريات بأن الاضطراب يمكن أن يصدم القطرات معًا.

قد ينتج بعض الهباء الجوي الكبير فعلاً قطرات أكبر وأكثر تصادمًا، ولكن ما نعرفه بالتأكيد هو أن النتيجة النهائية لهذه العملية هي تشكيل رذاذ يبلغ حجمه حوالي 100 ميكرومتر وهو كبير بما يكفي لتأثير قوة الجاذبية.

بمجرد تكون السحب مشبعة بالرطوبة، يتشكل الرذاذ ويبدأ في السقوط. وكلما مرت القطرات بالمزيد من السحب، كبر حجمها، ويعتمد حجم القطرات على مدى تحركها في السحب قبل السقوط. وعادة ما تتسبب هذه الغيوم في هطول أمطار خفيفة.

يُمكن للسحب المنخفضة أن تمتد بضعة كيلومترات على ارتفاعات مختلفة، وفي هذه الحالة، تتصادم قطرات الرذاذ مع القطرات الأخرى في طريقها نحو الأسفل، مكونةً قطرات مطرية كبيرة تصل إلى بضعة مليمترات وتنتج أمطارًا غزيرة أكثر.

كيف تتكون الغيوم

عندما يرتفع الهواء ويبرد يصبح باردًا بما فيه الكفاية حتى يتكثف الماء، ولكن حتى عند هذه الدرجة من الحرارة لا يمكن تكوين أي سحابة إذا كان الهواء نظيفًا تمامًا، وذلك لأن الماء يحتاج إلى شيء يتكثف عليه.

يحدث فقط أن غلافنا الجوي يحتوي على العديد من الجزيئات الصغيرة المعروفة باسم الهباء الجوي، ويمكن أن تنشأ هذه الجزيئات من مصادر طبيعية أو مصادر تلوث بشرية مثل عوادم السيارات.

يتجمع الماء في الجزيئات المعلقة في الهواء وتتشكل العديد من القطرات، وكل قطرة تحتوي على جزيئات من الهواء المعلق، وبذلك تتشكل السحابة، ومع ذلك، يوجد حد لحجم هذه القطرات

ولكي تتكون الغيوم هناك حاجة لثلاثة مكونات: يتكون الغلاف الجوي من مجموعة متنوعة من الغازات، من بينها بخار الماء، وذلك بفعل بخار الماء في الغلاف الجوي والجسيمات التي تساعد على تكثيفه، ودرجات الحرارة المنخفضة، وينشأ بخار الماء من تبخر المياه في القارات والمحيطات.

لا يمكن أن يشكل البخار المعلق سحابة بمفرده حتى يتمكن بخار الماء من التجمع معًا، وذلك لأنه يحتاج إلى “نواة تكثيف” أو “الهباء الجوي”، والتي يمكن شرحها بأسلوب بسيط عن طريق جسيم يحتوي على صفات مشتركة كبيرة للماء.

يسمح ذلك بتجميع جزيئات بخار الماء وتكثيفها فيما بعد، وتتواجد هذه النوى المحتملة بكثرة في الغلاف الجوي، مثل الغبار وحبوب اللقاح وجزيئات الملح التي تنتج عن أمواج البحر وانكسارها، وكذلك الرماد الناتج عن الانفجارات أو الحرائق البركانية وغيرها من الأمور.

عند العثور على هذين المكونين، يجب القيام بخطوة إضافية لتحويلهما إلى سحابة، وهي مواجهة بخار الماء بالتكثيف عند درجات حرارة منخفضة، حتى يتحول بخار الماء إلى قطرات ماء سائلة في نقطة الندى أو درجة الحرارة المحددة.

تتمثل إحدى الطرق في:

يتم تبريد الكتلة الهوائية عند دفعها إلى الأعلى بالحمل الحراري؛ حيث يحدث الحمل الحراري عندما يسخن سطح الأرض من الشمس ثم ينتقل بعض هذه الحرارة إلى أقرب كتلة هوائية، وستكون كتلة الهواء الأكثر سخونة وهي أقل كثافة من الهواء المحيط.

لذا سترتفع بسهولة بفضل قوة الطفو، والتي تتوافق مع القوة الصاعدة التي تمارسها السوائل الأكثر كثافة على السوائل الأقل كثافة، يمكن أيضًا إجبار كتلة هوائية متحركة أفقيًا (كما هو الحال في الجبهات الباردة) على الارتفاع إلى درجات حرارة منخفضة عندما تصادف جبلًا في مسارها أو عندما تواجه كتلة هوائية أخرى ذات درجات حرارة أقل.

في كلا الحالتين، يتم إجبار الكتلة الهوائية المتحركة أفقيًا على الارتفاع والوصول بسرعة إلى نقطة الندى، مما يؤدي إلى توليد السحب، وإذا كانت الظروف مناسبة، فسيتسبب ذلك في سقوط المطر.

عندما ترتفع كتلة الهواء وتبرد إلى نقطة الندى، يبدأ بخار الماء بالتكثف على نوى التكثيف، مما يؤدي إلى تشكل جزيئات الماء السائلة الأولية وبعد حجم معين، تبدأ جزيئات الماء الأولية في الاصطدام والالتصاق ببعضها البعض.

لماذا تطفو الغيوم

يمكن للسحابة أن تنتشر عموديًا وأفقيًا لأميال وتزن عدة أطنان، ولكنها لا تزال تطفو في الهواء. تم الإشارة إلى أن الكتل الهوائية الأكثر دفئًا ترتفع في الغلاف الجوي بفضل قوة الطفوالتي تحركها جبل أو كتلة هوائية أكثر برودة في الفقرات السابقة.

يمكن استخدام كتلة السحب المائية وحجمها وارتفاعها كمقياس لتوضيح خفة السحب بالنسبة للهواء المحيط بها، ومن الأمثلة المثالية لذلك هي السحابة الصغيرة النموذجية التي تقع على ارتفاع 3000 متر وتحتوي على حجم مكعب واحد، وتحتوي على 1 جرام من الماء السائل لكل متر مكعب من الهواء المحيط بها.

تبلغ الكتلة الإجمالية لجزيئات السحابة حوالي مليون كيلوغرام، أي ما يعادل وزن حوالي 500 سيارة، ولكن الكتلة الإجمالية للهواء المحيط في نفس الكيلومتر المكعب تبلغ حوالي 1،000 مليون كيلوغرام، أي أنها تزن أكثر بـ 1000 مرة من السائل.

وبالرغم من أن الغيوم النموذجية تحتوي على كمية كبيرة من الماء، إلا أنها تطفو في السماء بسبب كتلتها الأقل من كتلة الهواء المحيط، وتبقى في حالة اتزان عند نفس الارتفاع الذي تتحرك فيه مع الريح.

ما هي أهمية السحب

السحب يشكلونا ويؤثرون علينا بشكل طبيعي ويومي إلى درجة أننا نكاد لا نعي وجودها في السماء، ومع ذلك فإن وجود السحب في الغلاف الجوي له تأثير كبير على الطقس والمناخ.

تلعب السحب دورا أساسيا في دورة المياه على هذا الكوكب، حيث توفر تساقط الثلوج والمياه التي تكون ضرورية، ومن الناحية الأخرى، فهي ضرورية لتنظيم متوسط درجة حرارة الكوكب.

على سبيل المثال، تساهم بعض السحب في التبريد من خلال إعادة بعض الإشعاع الشمسي إلى الفضاء، بينما تساهم السحب الأخرى في الاحترار من خلال العمل كغطاء يحبس بعض الطاقة المنبعثة من السطح والطبقات السفلية من الغلاف الجوي وغيرها من الفوائد.