العلوم الجوية والعسكرية
حاالت االستقرار وعدم االستقرار الجوي
Stability and Instability
الدكتور /نا�صر بن حممد بن جميل �سرحان �أ�ستاذ الأر�صاد اجلوية امل�ساعد والباحث يف علوم الأر�صاد اجلوية وعلوم البيئة nmsarhan@hotmail.com
تعتمد عمليات الطريان ب�شكل �أ�سا�سي على و�ضعيات الطق�س ال�سائدة ،فالتخطيط للرحالت اجلوية يكون ب�شكل �أ�سا�سي على تفادي الطريان يف �أجواء جوية قد تت�سبب يف �إعاقة تكون ال�سحاب ،وتُدر�س توزيعات الرياح بعناية عند الطريان والت�سبب يف �أ�ضرار ج�سيمة (ب�شرية وعملياتية) ،فلذلك غالباً ما تكون عمليات التحليق والطريان فوق مناطق ّ التخطيط لأي رحلة جوية ،ولكن هذه الأ�ضرار تكون خطرية جداً عند عمليتي الإقالع والهبوط جلميع �أنواع الطائرات .ولكون حاالت ا�ستقرار اجلو م�ؤ�شر حقيقي للظواهر اجلوية والطق�س ال�سائد ف�إن درا�سة ا�ستقرار اجلو من الأمور املهمة جداً لدى العاملني يف جماالت الأر�صاد اجلوية ،خا�صة �أنهم م�س�ؤولون عن تقدمي �شروحات للأحوال اجلوية جلهات عدة ،منها جهات الطريان (املدنية والع�سكرية) ،فزيادة املعرفة عن حاالت اال�ستقرار اجلوي للعاملني يف جماالت الأر�صاد اجلوية والأطقم اجلوية يُعترب من الأولويات ،كما �أنه مهم عملياتياً للتخطيط لأي مهمة طريان ع�سكري؛ كون عمليات الطريان الع�سكرية قد تكون على م�ستويات منخف�ضة ويف �أجواء جوية م�ضطربة.
40
العدد 65ـ محرم 1432هـ
ال�شكل :1درا�سة ا�ستقرار الهواء من الأمور ال�ضرورية للتخطيط للرحالت اجلوية ولعمليات الطريان ،خا�صة �أثناء عمليات �إقالع الطائرات وهبوطها.
مفهوم اال�ستقرارية فيزيائياً: ميكن �إخت�صار مفهوم اال�ستقرارية على الأج�سام معملياً؛ بحيث �إذا ما �أُ ّثر على ج�سم بقوة ي�ؤثر عليه ب�شكل مبا�شر؛ بحيث يزال مكانه ،وبعد زوال ت�أثري القوة امل�ؤثرة عليه ف�إنه يخ�ضع للحاالت التالية: .1اال�ستقرار (� :)Stableإذا حترك اجل�سم ثم عاد �إىل مكانه الأ�صلي. .2متعادل(� : )Equilibriumإذا حترك اجل�سم ثم ثبت يف مكانه الذي و�صل �إليه بفعل القوة امل�ؤثرة. .3غري م�ستقر(� : )Unstableإذا حترك اجل�سم وا�ستمر يف حركته وتغري مكانه بفعل القوة امل�ؤثرة (مل يرجع ملوقعه الأ�صلي). ا�ستقرارية اجلو (الهواء):
تتحكم كثافة الهواء مبيكانيكية توزيع الهواء ر�أ�سياً، فكثافة الهواء تزيد كلما نق�صت درجة احلرارة والعك�س �صحيح ،ف�إذا �أجربحجم متجان�س من الهواء على ال�صعود �إىل �أعلى حتت ت�أثري �أي قوى خارجية حتى ي�صل �إىل م�ستوى معني ,ثم �أزيل ت�أثري هذه القوى اخلارجية ف�سوف تكون حالة الهواء كالتايل: .1هواء م�ستقر (� :)Stable Airإذا ما � ُأجرب حجم من الهواء لل�صعود لأعلى ،وكانت كثافة الهواء املحيط �أقل من كثافة حجم الهواء ال�صاعد (ح�سب التوزيع العام لدرجات احلرارة يف طبقة (الرتوبو�سفري) ودرجات حرارة �أعلى ف�إن حجم الهواء ال�صاعد يهبط حتى ي�ستقر يف موقعه الأ�صلي. .2هواء متزن (� :)Equilibrium Airإذا ما � ُأجرب الهواء على ال�صعود لأعلى وثبت على امل�ستوى الذي
و�صل �إليه وجتان�س مع كثافة حرارة الهواء املحيط له ودرجاتها. .3هواء غري م�ستقر (� :)Unstable Airإذا ما � ُأجرب حجم على الهواء لل�صعود لأعلى (مث ًال تدفق الهواء عند املناطق اجلبلية �أو بفعل العوامل الطبوغرافية ،ال�شكل )3.2ومل�ستوى �أكرب كثافة عن موقه الأ�صلي ودرجات حرارة �أقل (ح�سب التوزيع العام لدرجات احلرارة يف طبقة الرتوبو�سفري) فيكون الهواء ال�صاعد خفيفاً مقارنة بالهواء املحيط به فلذلك ي�ستمر بال�صعود �إىل �أعلى، وتتكون حاالت عدم ا�ستقرار الهواء ،وتعتمد مدى قوة الظواهر اجلوية الناجتة عن عدم ا�ستقرار الهواء والظواهر الفجائية على حجم الهواء وكثافته ودرجة حرارته ومعدل ت�شبعه ببخار املاء (ال�شكل.)2
ASSUQOOR N.65 JANUARY 2011
ال�شكل :2عمليات الطريان عاد ًة ما تكون وفق املخطط لها فوق مناطق الهواء غري امل�ستقر وت�أثرياته ،ولكن قد تواجه عمليات الطريان التحليق يف مناطق غري م�ستقرة؛ لذلك ي�ستوجب على الأطقم اجلوية معرفة التعامل مع هذه الأجواء.
41
العلوم الجوية والعسكرية
يكون هوا ًء غري م�ستقر ينتج عنه �سحب ركامية و�أجواء غري م�ستقرة. ال�شكل :3ا�ضطرار �صعود الهواء الرطب الدافئ ب�سبب اجلبال والطبوغرافيا وا�ستمراره بال�صعود ّ
الظروف العامة لال�ستقرار وعدم اال�ستقرار اجلوي: تنق�ص درجات احلرارة مع االرتفاع تبعاً للتوزيع الر�أ�سي لدرجات احلرارة يف طبقة الرتبو�سفري حتى تثبت يف الطبقة الفا�صلة الرتبوبوز ومن ثم تبد�أ بالزيادة يف االرتفاع يف طبقة (الأ�سرتاتو�سفري) ،وتتغري معدالت انخفا�ض درجات احلرارة باالرتفاع وفقاً حلاالت اجلو ال�سائدة (مناطق ال�ضغط املرتفع ومناطق ال�ضغط املنخف�ض و حركة الكتل الهوائية). �إن الهواء يف الظروف اجلوية العادية يوجد �إما يف حالة ت�شبع ببخار املاء �أو يف حالة عدم ت�شبع ببخار املاء ،وتتحكم كثافة الهواء ودرجة احلرارة مبيكانيكية
توزيعه الر�أ�سي وا�ستقراره ،فكثافة الهواء تزيد كلما نق�صت درجة احلرارة والعك�س �صحيح .تقل درجة حرارة الهواء غري امل�شبع باالرتفاع مبعدل ثابت يطلق عليه معدل التناق�ص احلراري الذاتي اجلاف (Dry ،)Adiabatic Labs Rateوقيمته (°3م لكل1000 قدم باالرتفاع) ,ومعدل التناق�ص احلراري للو�سط املحيط( ،)Environmental Labs Rateوقيمته (°2م لكل 1000قدم باالرتفاع) ،كما تقل درجة حرارة الهواء امل�شبع مبعدل التناق�ص احلراري الذاتي امل�شبع
( .)Saturation Adiabatic Labs Rateمن املمكن تلخي�ص ظروف ا�ستقرارية الهواء امل�شبع �أو غري امل�شبع كالتايل: � .1إذا كان معدل التناق�ص احلراري الذاتي للو�سط املحيط �أقل من معدل التناق�ص احلراري الذاتي اجلاف �أو الذاتي امل�شبع يكون الهواء م�ستقراً (ال�شكل( )4هبوط هواء �ساخن من طبقات اجلو العليا على الأ�سطح الباردة مع عمليات التربيد الإ�شعاعي لي ًال ويف �ساعات ال�صباح وتكون حاالت االنقالب احلراري(،ال�شكل .)5 الأوىل ّ
ال�شكل � :4إذا كان معدل التناق�ص احلراري الذاتي للو�سط املحيط �أقل من معدل التناق�ص احلراري الذاتي اجلاف �أو الذاتي امل�شبع يكون الهواء م�ستقراً.
تكون االنقالب احلراري (زيادة درجات احلرارة يف ال�شكل � :5أدخنة امل�صانع وامللوثات املنبعثة عن م�صادر النقل �إ�ضافة �إىل الأغربة العالقة يف طبقة قريبة من �سطح الأر�ض داللة على ّ االرتفاع) وا�ستقرار الهواء يف ال�ساعات الأوىل من ال�صباح ،وعاد ًة ما يك�سر حاجز االنقالب احلراري عند �سطوع ال�شم�س وبداية عمليات الرفع احلراري ب�سبب الت�سخني الإ�شعاعي.
42
العدد 65ـ محرم 1432هـ
ال�شكل � :5إذا كان معدل التناق�ص احلراري الذاتي للو�سط املحيط �أكرب من معدل التناق�ص احلراري الذاتي اجلاف �أو الذاتي امل�شبع يكون الهواء غري م�ستقر.
ال�شكل :6حتليل منحنيات احلرارة (تي فاي جرام) من �أهم الو�سائل لدرا�سة ا�ستقرار الهواء وت�أثرياته ،ولدرا�سة التوزيع الر�أ�سي لدرجة حرارة الهواء ودرجة حرارة نقطة الندى ت�ستخدم معلومات الطق�س لطبقات اجلو العليا.
ASSUQOOR N.65 JANUARY 2011
� .2إذا كان معدل التناق�ص احلراري الذاتي للو�سط املحيط �أكرب من معدل التناق�ص احلراري الذاتي اجلاف �أو الذاتي امل�شبع يكون الهواء غري م�ستقر (ال�شكل)5 (حترك كتلة هواء بارد يف م�ستويات عليا فوق كتلة هواء �ساخن �سطحية �أو عمليات الرفع احلراري النهاري وعبور اجلبهات الهوائية الباردة وال�ساخنة). لدرا�سة حاالت اال�ستقرار يف اجلو يجمع العاملون يف جماالت الأر�صاد اجلوية وعرب مكاتب الأر�صاد والتوقعات اجلوية معلومات الطق�س ال�سطحية لطبقات اجلو العليا ،وي�ستخدم لذلك �أجهزة الر�صد ال�سطحية والتلقائية وتلك اخلا�صة التي تطلق لطبقات اجلو العليا ب�أمور موقوتة مدرو�سة بوا�سطة عدة �أجهزة ح�سا�سة جممعة تربط ببالون مملوء بغاز الهليوم (الراديو�سوند)، التي لبياناتها قيمة عظيمة يف التوقعات اجلوية ،خا�صة عن العوا�صف الرعدية امل�صاحبة للربوق التي ت�ؤثر ب�شكل مبا�شر يف عمليات الطريان. حتليل معلومات درجات احلرارة ودرجات حرارة نقطة الندى مع االرتفاع ومتثيلها بيانياً (تي فاي جرام منحنيات توزيع احلرارة مع االرتفاع وامليتوجرام ال�شكل )7 ،6تعترب من �أهم الو�سائل التي حتدد ا�ستقرارية الهواء ومتابعة التقدم يف عمليات اال�ستقرار ،ومع متثيل عنا�صر الطق�س بوا�سطة النماذج العددية� ،إ�ضافة ال�ستخدام و�سائل حديثة لتحليل �صور الأقمار ال�صناعية ورادار الطق�س .من املمكن متابعة الظواهر اجلوية وتوقعها التي تن�ش�أ م�صاحبة حلاالت اال�ستقرار وعدم اال�ستقرار يف اجلو (ال�شكل .)9 ،8 فعرب حتليل منحنيات درجات حرارة الهواء ونقطة الندى باالرتفاع من املمكن حتديد منطقة التكثف وحتول بخار املاء من ال�صورة الغازية �إىل تكون ال�سحب وارتفاعات ال�صورة ال�سائلة ومنطقة ّ قاعدتها ومن ثم �أنواعها ،حيث ميكن التنب�ؤ ب�أخطارها.
43
العلوم الجوية والعسكرية
ال�شكل :8معلومات اال�ست�شعار عن بعد (حتليل �صور الأقمار ال�صناعية والرادار امللتقطة) تعترب �أي�ضاً من �أهم الو�سائل ملتابعة ت�أثريات عدم ا�ستقرار الطق�س. ال�شكل :7متابعة حتليالت امليتوجرام يعطي معلومات مهمة عن حالة اجلو للمحطات.
ال�شكل :9حتليل اخلرائط ال�سطحية وخرائط طبقات اجلو العليا تعطي داللة عن مناطق جتمع الهواء (املنخف�ضات اجلوية) ومناطق تفرق الهواء (املرتفعات اجلوية)، حيث تعترب مناطق املنخف�ضات اجلوية احلركية والعميقة وتكون ال�سحب الركامية مناطق عدم ا�ستقرار للهواء ّ والعوا�صف الرعدية املمطرة ،وتعترب �أجواءها خطرة على عمليات الطريان ،بينما مناطق املرتفعات اجلوية تعد �أقل خطورة على عمليات الطريان؛ كون �أجوائها يف العادة م�ستقرة ،وتكون فيها احلركة الر�أ�سية �ضعيفة. من املهم جداً عند درا�سة عمليات اال�ستقرار للهواء درا�سة توزيعات ال�ضغط اجلوي وحركة الكتل الهوائية، وميكن ت�صنيفها كالتايل: .1مناطق ال�ضغوط اجلوية املنخف�ضة العميقة �أو احلركية تعترب مناطق عدم ا�ستقرار للهواء ،ت�صاحبها جبهات هوائية باردة ،وينتج عنها طق�س معقد متنوع مبا فيه من عوا�صف رعدية وبروق؛ كونها تن�ش�أ عن حركة دورانية ناجتة عن تيارات حمل قوية ،وينتج عنها كذلك تيارات تكون �سحاب ركامي عمالق ت�سبب عوا�صف هابطة مع ّ رملية. 44
العدد 65ـ محرم 1432هـ
ال�شكل :9حتليل اخلرائط ال�سطحية وخرائط طبقات اجلو العليا تعطي داللة عن مناطق جتمع الهواء (املنخف�ضات اجلوية) ومناطق تفرق الهواء (املرتفعات اجلوية) ،حيث تعترب مناطق املنخف�ضات اجلوية احلركية والعميقة مناطق عدم ا�ستقرار للهواء وتكون ال�سحب الركامية والعوا�صف الرعدية املمطرة؛ وتعترب �أجواءها خطرة على عمليات الطريان ،بينما مناطق املرتفعات ّ اجلوية تعد �أقل خطورة على عمليات الطريان؛ كون �أجوائها يف العادة م�ستقرة ،وتكون فيها احلركة الر�أ�سية �ضعيفة.
ال�شكل :10درا�سة خرائط حتليل احلركة الدورانية من الو�سائل املتبعة يف مكاتب الأر�صاد اجلوية ملتابعة عمليات الرفع وحركة املنخف�ضات واملرتفعات اجلوية وتعمقهما ،حيث تكون م�ؤ�شراً قوياً حلالة الطق�س وا�ستقراره.
.2احلدود الفا�صلة بني كتلتني من الهواء خمتلفتني باملوا�صفات تعترب مناطق عدم ا�ستقرار للهواء ت�سبب �إثارة للأتربة و�سحباً من الغبار بفعل الفروقات احلرارية والتدرج يف قيم ال�ضغط الكبرية. .3مناطق ال�ضغوط اجلوية املرتفعة تكون يف الغالب مناطق ا�ستقرار للجو.
حالة اجلو
م�ستقر
.4مناطق املو�سميات ،وهذه تختلف من بقعة جغرافية �إىل �أخرى وح�سب عمق املنخف�ضات املو�سمية ،وغالباً ما يكون اجلو م�ستقراً يف الليل و�ساعات ال�صباح الأوىل تكون االنقالب احلراري يف مناطق املو�سميات؛ ب�سبب ّ يف الطبقات القريبة من �سطح الأر�ض ،وتتكون حاالت من عدم اال�ستقرار نهاراً بفعل تيارات احلمل احلرارية
الناجتة عن الت�سخني الإ�شعاعي. .5قد ت�ؤثر قوى الطبيعة يف تقلب اال�ستقرار اجلوي يف حاالت ظواهر طبيعية مثل الرباكني والزالزل وحرائق الغابات ،فينتج عنها حاالت من عدم اال�ستقرار؛ ب�سبب ما ينتج عنها من ت�سخني وتيارات حمل حرارية.
من امل�سببات
من الأحوال اجلوية امل�صاحبة
-1انخفا�ض درجات احلرارة ال�سطحية. -2تكون حاالت االنقالب احلراري. -3هبوط الهواء بعامل الطبوغرافيا.
-1رياح ر�أ�سية وتيارات حمل �ضعيفة. � -2سحب طبقية. � -3أجواء طريان غري م�ضطربة. -4تكون ال�ضباب عندما يكون الهواء رطباً.
غري م�ستقر
-1مرور اجلبهات الهوائية الباردة. -2زيادة الت�سخني ال�شم�سي ل�سطح الأر�ض وتكون تيارات احلمل. -3مرور كتل هوائية باردة يف م�ستويات اجلو العليا فوق كتل هوائية �ساخنة. -4مرور املنخف�ضات اجلوية والعمليات الدورانية و�سفرهما.
- 1رياح ر�أ�سية وتيارات حمل قوية. - 2هواء هابط. � - 3سحب ركامية وعوا�صف رعدية ممطرة. � - 4أجواء طريان م�ضطربة (مطبات هوائية متفاوتة القوة). � -5أمطار متفاوتة القوة والكثافة. -6تدين الر�ؤيا الأفقية ب�سبب �إثارة الأتربة يف مقدمة الأعا�صري والعوا�صف الرعدية.
اجلدول :1موا�صفات ا�ستقرار اجلو وعدم ا�ستقراره
ASSUQOOR N.65 JANUARY 2011
-5تدين م�ستوى الر�ؤيا الأفقية بفعل االنقالب احلراري.
45
العلوم الجوية والعسكرية
ال�شكل :11الرعد والربق من الظواهر امل�صاحبة للعوا�صف الرعدية املمطرة ،وهى من م�ؤ�شرات عدم ا�ستقرار الهواء ،وال يُ�سمح الطريان يف �أجواء رعدية �إال يف �آليات معقدة وا�ضطرارية وفق معايري وتعليمات �صارمة.
ال�شكل :12ال�سحب الركامية والعوا�صف الرعدية املمطرة �أحد �أخطر الظواهر اجلوية الناجتة عن عدم ا�ستقرار الهواء؛ وذلك الحتوائها على مناطق جتمع للهواء و�صعوده ومناطق هواء قوي هابط خالل �سحب ركامية عمالقة و�أمطار غزيرة مبا فيها الأمطار الثلجية.
ال�شكل :13املطبات �أو اال�ضطرابات الهوائية الناجتة عن عدم ا�ستقرار الهواء وعمليات الرفع احلراري قد ينتج عنها �أ�ضرار ج�سيمة على الطائرات وعلى عمليات الطريان ب�شكل عام وعلى تخطيط الرحالت ،وتُدرب الأطقم اجلوية لتفادي الطريان يف ت�أثريات مثل هذه الأجواء.
46
العدد 65ـ محرم 1432هـ
ال�شكل :14الطريان يف �أجواء غري م�ستقرة م�ضطربة فيه خطورة على الركاب امل�سافرين؛ لذلك تتبع �إجراءات خا�صة داخل الطائرة؛ للتقليل من ت�أثريات الأجواء امل�ضطربة كربط �أحزمة املقاعد والت�أكد من و�ضع الأمتعة ال�شخ�صية ب�شكل �آمن.
ال�شكل :15حاالت عدم ا�ستقرار الهواء قد ينتج عنها كوارث طبيعية ي�صعب التنب�ؤ بت�أثرياتها .خاليا رعدية ممطرة تتكون نتيجة لعمليات الرفع احلراري والتوزيع الإ�شعاعي يف ف�صل ال�شتاء على ال�سواحل الغربية للمملكة العربية ال�سعودية وعلى املناطق الو�سطى وال�شرقية خالل ف�صل الربيع وعلى املناطق اجلنوبية الغربية خالل ف�صل ال�صيف� ،إ�ضافة �إىل تلك التي ترافق �سفر املنخف�ضات احلركية من حو�ض البحر املتو�سط باجتاه املنطقة ال�شرقية وعرب مناطق ال�شمال والو�سط. �أمطار جدة و�سيولها يف 25نوفمرب 2009م ناجتة عن حالة عدم ا�ستقرار الهواء من خالل تكون خاليا رعدية ممطرة ت�سببت بها عمليات الرفع احلراري فوق البحر الأحمر قبالة املنطقة الغربية ،وكانت مدينة جدة ومدينة رابغ الأكرث ت�أثراً بت�أثرياتها.
من املراجع: Naser Sarhan (2006) PhD thesis “Low Level Jets in the Kingdom of Saudi Arabia: Climatology, Synoptic analysis and Meso”scale Modeling
http://www.srh.noaa.gov/ http://www.nc-climate.ncsu.edu/climate/ http://www.globalchange.umich.edu/ http://www.seasidecove.com/makeTS.htm1/ http://www.airliners.net/aviation-forums/ http://stormscapesdarwin.com/ http://www.atmos.washington.edu/
ASSUQOOR N.65 JANUARY 2011
http://virtualskies.arc.nasa.gov/weather/
47