23الغلاف الجوي

في محطة أرصاد جوية، قبيل الساعة المتفق عليها، تخرج خبيرة أرصاد إلى العشب وهي تمسك بالونًا مملوءًا بالهيدروجين أو الهيليوم، قطره نحو $1.5\,\mathrm{m}$. وتحته، على خيط طويل، تتدلى مظلة صغيرة برتقالية وصندوق أجهزة يزن من 60 إلى 80 غرامًا: إنه المسبار اللاسلكي. ثم تفلته. فيصعد البالون نحو $300\,\mathrm{m}$ كل دقيقة، ويرسل المسبار اللاسلكي كل ثانية بالراديو الضغط ودرجة الحرارة والرطوبة وموقعه. وكلما ارتفع البالون انتفخ، حتى يبلغ قطره من 6 إلى $8\,\mathrm{m}$ فينفجر، وكثيرًا ما يكون ذلك على ارتفاع يزيد على $30\,\mathrm{km}$، بعد ساعتين من الإطلاق. وفي الساعات نفسها من كل يوم، يتكرر المشهد نفسه في أكثر من 800 محطة حول العالم.

لماذا ينتفخ البالون كلما ارتفع؟ وماذا يقيس المسبار اللاسلكي في طريقه إلى الأعلى، ولماذا لا تواصل درجة الحرارة الانخفاض ببساطة؟ وأين ينتهي الهواء؟

ما تعرفه من قبل

الغلاف الجوي هو طبقة الهواء المحيطة بالأرض. والهواء يضغط على كل ما يلامسه: هذا هو الضغط الجوي، ويُقاس بالبارومتر (كتب الفيزياء). وتعطيه هيئات الأرصاد بالهكتوباسكال (hPa)؛ وهو عند مستوى سطح البحر نحو $1013\,\mathrm{hPa}$. ويتكون الهواء الجاف من نحو 78 % من النيتروجين و21 % من الأكسجين، مع قليل من الأرغون وثاني أكسيد الكربون وغازات أخرى (كتب الكيمياء). والسحب مكوَّنة من قطيرات ماء دقيقة أو من بلورات جليد (الفصل 7).

23.1 غلاف رقيق

إذا نُظر إلى الغلاف الجوي من محطة الفضاء الدولية، بدا خطًا رقيقًا متوهجًا على طول حافة الأرض. ومعظم الهواء، وكل السحب تقريبًا، في كيلومتراته القليلة السفلى.

ليس للغلاف الجوي سطح علوي حاد: فالهواء يزداد خفة كلما ارتفعنا. وقد اتُّفق على أن الفضاء يبدأ على ارتفاع نحو $100\,\mathrm{km}$. وهذا قليل جدًا مقارنة بنصف قطر الأرض، $6371\,\mathrm{km}$: $100 \div 6371 \approx 0.016$، أي أقل من 2 % من نصف القطر. وعلى مجسم كرة أرضية قطره $30\,\mathrm{cm}$، يكون الغلاف الجوي كله غشاء سماكته نحو $2\,\mathrm{mm}$.

23.2 الضغط ينخفض مع الارتفاع

يحمل الهواء في أسفل الغلاف الجوي ثقل كل الهواء الذي فوقه. وكلما صعدنا أعلى، قل الهواء الباقي فوق رؤوسنا، وانخفض الضغط. وفي النموذج المعياري للغلاف الجوي الذي يستعمله خبراء الأرصاد والمهندسون، يبلغ الضغط $1013\,\mathrm{hPa}$ عند مستوى سطح البحر، ونصف ذلك على ارتفاع نحو $5.5\,\mathrm{km}$، وربعه على ارتفاع نحو $10.3\,\mathrm{km}$.

بما أن الضغط يقيس ثقل الهواء الذي فوق، فإن مستوى نصف الضغط هو أيضًا الارتفاع الذي يقع تحته نصف الهواء كله: فنصف الغلاف الجوي محشور في $5.5\,\mathrm{km}$ السفلى منه. وتحت $11\,\mathrm{km}$ يقع نحو 78 % من الهواء، وتحت $30\,\mathrm{km}$ نحو 99 %.

وفي الأعلى، يواصل الضغط الانخفاض، فينقص إلى النصف تقريبًا مرة أخرى كل بضعة كيلومترات، فلا يلبث أن يصير ضئيلًا جدًا. وقوى العشرة أفضل طريقة لكتابته. فعلى ارتفاع $30\,\mathrm{km}$، يبلغ الضغط نحو $12\,\mathrm{hPa}$، أي قرابة $10^{-2}$ من قيمته عند مستوى سطح البحر (جزء من مئة)؛ وعلى ارتفاع $50\,\mathrm{km}$، نحو $0.8\,\mathrm{hPa}$، أي قرابة $10^{-3}$؛ وعلى ارتفاع $80\,\mathrm{km}$، نحو $0.01\,\mathrm{hPa}$، أي قرابة $10^{-5}$ من الضغط عند مستوى سطح البحر.

23.3 درجة الحرارة والطبقات

كل من تسلق جبلًا يعرف أن الهواء يزداد برودة مع الارتفاع. لكن المسابير اللاسلكية تبين أن هذا لا يصح إلا في الجزء الأسفل من الغلاف الجوي. ففي الأعلى، تتوقف درجة الحرارة عن الانخفاض، ثم ترتفع، ثم تنخفض من جديد، ثم ترتفع مرة أخرى. وهذه التغيرات تقسم الغلاف الجوي إلى طبقات.

تعريف 23.1 (طبقات الغلاف الجوي)

من الأرض إلى الأعلى، ينقسم الغلاف الجوي إلى أربع طبقات بحسب طريقة تغير درجة حرارته مع الارتفاع:

• التروبوسفير، حيث تنخفض درجة الحرارة مع الارتفاع وحيث يحدث الطقس كله تقريبًا؛ وحده العلوي هو التروبوبوز؛
• الستراتوسفير، حيث ترتفع درجة الحرارة مع الارتفاع، حتى نحو $50\,\mathrm{km}$؛
• الميزوسفير، حيث تنخفض درجة الحرارة من جديد، حتى نحو $85\,\mathrm{km}$؛
• الثرموسفير، حيث يزداد الهواء الشديد الخفة حرارة كلما ارتفعنا.

يحوي التروبوسفير نحو 99 % من بخار الماء في الغلاف الجوي، ولذلك تتكون فيه كل السحب والأمطار والثلوج تقريبًا. وهواؤه يُقلَّب طوال الوقت. وليس أعلى التروبوسفير على الارتفاع نفسه في كل مكان: فالتروبوبوز أعلى ما يكون فوق خط الاستواء، حيث قد يبلغ $20\,\mathrm{km}$، وأدنى ما يكون فوق القطبين، حيث قد ينزل إلى $7\,\mathrm{km}$ في الشتاء. وهو أيضًا أعلى في الصيف منه في الشتاء. وفي الغلاف الجوي المعياري، وهو متوسط للعروض الوسطى، يقع على ارتفاع $11\,\mathrm{km}$.

تعريف 23.2 (معدل التناقص الحراري البيئي)

معدل التناقص الحراري البيئي هو المعدل الذي تنخفض به درجة حرارة الهواء مع الارتفاع في التروبوسفير، بالدرجات المئوية لكل كيلومتر. وهو يتغير من يوم إلى يوم ومن مكان إلى آخر؛ ويستعمل الغلاف الجوي المعياري متوسطًا قدره $6.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر.

طريقة 23.3 (قراءة مخطط درجة الحرارة)

1. جد الارتفاع على المحور الرأسي وامضِ أفقيًا حتى المنحنى؛ ثم اقرأ درجة الحرارة تحته.
2. حيث يميل المنحنى إلى اليسار وهو يصعد، يبرد الهواء مع الارتفاع؛ وحيث يميل إلى اليمين، يسخن الهواء مع الارتفاع؛ وحيث يكون رأسيًا، لا تتغير درجة الحرارة.
3. الحدود بين الطبقات هي حيث ينعطف المنحنى.

مثال 23.4 (طائرة ركاب على ارتفاع التحليق)

تحلّق طائرة ركاب على ارتفاع $11\,\mathrm{km}$، قرب التروبوبوز. وعلى المخطط، تبلغ درجة الحرارة هناك نحو $-56{}^{\circ}\mathrm{C}$. وبمعدل التناقص: من $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ عند مستوى سطح البحر، يبرد الهواء بمقدار $6.5 \times 11 = 71.5$ درجة، مما يعطي $15 - 71.5 = -56.5{}^{\circ}\mathrm{C}$. وعلى منحنى الضغط، يبلغ الضغط نحو $227\,\mathrm{hPa}$، أي أقل من ربع الضغط على الأرض: ولذلك يجب أن تُضغط المقصورة.

فوق التروبوبوز، في الستراتوسفير، تجد طائرات الركاب رحلة أهدأ: فالهواء هناك يسخن مع الارتفاع، فلا يُقلَّب من الأسفل. وفي الميزوسفير تحترق معظم الشهب، وفي أعلاه، قرب $86\,\mathrm{km}$، يوجد أبرد هواء في الغلاف الجوي كله، نحو $-86{}^{\circ}\mathrm{C}$. وفي الثرموسفير، تسخّن الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية الآتية من الشمس الهواءَ الشديد الخفة إلى مئات الدرجات، بل إلى آلافها أحيانًا؛ ومع ذلك فالهواء هناك قليل جدًا حتى إنه لا يُحس حارًا. وكثير من الأقمار الصناعية تدور حول الأرض هناك.

23.4 طبقة الأوزون

يسخن الستراتوسفير مع الارتفاع لأنه يمتص جزءًا من ضوء الشمس. والغاز الذي يقوم بمعظم ذلك هو الأوزون، وهو شكل من أشكال الأكسجين (وكيمياؤه في كتب الكيمياء).

تعريف 23.5 (طبقة الأوزون)

طبقة الأوزون هي جزء الستراتوسفير الواقع بين نحو $16\,\mathrm{km}$ و$48\,\mathrm{km}$، حيث يوجد نحو 90 % من أوزون الغلاف الجوي. وهي تمتص معظم الأشعة فوق البنفسجية الضارة الآتية من الشمس.

حتى في طبقة الأوزون، الأوزون نادر: فليس منه إلا من 1 إلى 10 جزيئات في كل مليون. ومع ذلك فهو، مع الأكسجين، يوقف ما بين 95 % و99.9 % من الأشعة فوق البنفسجية التي تبلغ الأرض، ومنها أشد أنواعها ضررًا. والطاقة التي يمتصها تتحول إلى حرارة، ولهذا ترتفع درجة الحرارة عبر الستراتوسفير. ولولا طبقة الأوزون، لأضرت الأشعة فوق البنفسجية التي تبلغ الأرض بالكائنات الحية.

في الميدان — تتبُّع بالونات الأرصاد

تنشر هيئات الأرصاد قياسات مسابيرها اللاسلكية، وكثيرًا ما يكون ذلك في صورة مخطط لدرجة الحرارة بحسب الارتفاع لكل إطلاق. ومع شخص بالغ، ابحث عن مسابير المحطة الأقرب إليك، التي تُطلق في الساعة 00:00 أو 12:00 بالتوقيت العالمي المنسق. وجد الارتفاع الذي تتوقف عنده درجة الحرارة عن الانخفاض: ذلك هو التروبوبوز في ذلك اليوم. وقارن مسبارًا شتويًا بمسبار صيفي.

23.5 تمارين

تمرين 23.1 ★

صِل كل طبقة بوصفها: التروبوسفير؛ الستراتوسفير؛ الميزوسفير؛ الثرموسفير. (أ) ترتفع فيها درجة الحرارة مع الارتفاع وفيها طبقة الأوزون. (ب) يحدث فيها الطقس كله تقريبًا. (ج) أبرد هواء في الغلاف الجوي في أعلاها. (د) يُسخَّن فيها الهواء الشديد الخفة إلى مئات الدرجات؛ وتدور فيها أقمار صناعية كثيرة.

حل

حل التمرين 23.1.

(أ) الستراتوسفير؛ (ب) التروبوسفير؛ (ج) الميزوسفير؛ (د) الثرموسفير.

تمرين 23.2 ★

استعمل مخطط درجة الحرارة للغلاف الجوي المعياري. (أ) ما درجة الحرارة عند مستوى سطح البحر؟ (ب) على ارتفاع $11\,\mathrm{km}$؟ (ج) على ارتفاع $50\,\mathrm{km}$؟ (د) على ارتفاع $86\,\mathrm{km}$؟ (ه) بين أي ارتفاعين لا تتغير درجة الحرارة؟

حل

حل التمرين 23.2.

(أ) $15{}^{\circ}\mathrm{C}$. (ب) نحو $-56{}^{\circ}\mathrm{C}$. (ج) نحو $-3{}^{\circ}\mathrm{C}$. (د) نحو $-86{}^{\circ}\mathrm{C}$. (ه) من $11\,\mathrm{km}$ إلى نحو $20\,\mathrm{km}$ (وعلى مدى بضعة كيلومترات قرب $50\,\mathrm{km}$ وفوق $86\,\mathrm{km}$ مباشرة).

تمرين 23.3 ★

صواب أم خطأ؟ صحّح الجمل الخاطئة. (أ) تنخفض درجة حرارة الهواء دائمًا مع الارتفاع. (ب) نصف الهواء كله يقع تحت نحو $5.5\,\mathrm{km}$. (ج) طبقة الأوزون في التروبوسفير. (د) التروبوبوز أعلى فوق خط الاستواء منه فوق القطبين.

حل

حل التمرين 23.3.

(أ) خطأ: فهي تنخفض في التروبوسفير، وترتفع في الستراتوسفير، وتنخفض في الميزوسفير وترتفع من جديد في الثرموسفير. (ب) صواب. (ج) خطأ: إنها في الستراتوسفير. (د) صواب.

تمرين 23.4 ★

في أي طبقة يقع كل مما يلي؟ (أ) سحابة ممطرة. (ب) طائرة ركاب على ارتفاع $12\,\mathrm{km}$. (ج) بالون أرصاد قبيل انفجاره، على ارتفاع $32\,\mathrm{km}$. (د) شهاب يحترق على ارتفاع $75\,\mathrm{km}$.

حل

حل التمرين 23.4.

(أ) التروبوسفير. (ب) الستراتوسفير (ففي الغلاف الجوي المعياري يقع التروبوبوز على ارتفاع $11\,\mathrm{km}$). (ج) الستراتوسفير. (د) الميزوسفير.

تمرين 23.5 ★★

في يوم صيفي، تبلغ درجة الحرارة $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ عند مستوى سطح البحر. افترض أن الهواء يبرد بمقدار $6.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر. (أ) ما درجة الحرارة على ارتفاع $2\,\mathrm{km}$؟ (ب) على ارتفاع $3\,\mathrm{km}$؟ (ج) على أي ارتفاع تقريبًا يبلغ الهواء $0{}^{\circ}\mathrm{C}$؟ قرّب إلى رقم عشري واحد.

حل

حل التمرين 23.5.

(أ) $20 - 6.5 \times 2 = 20 - 13 = 7{}^{\circ}\mathrm{C}$. (ب) $20 - 6.5 \times 3 = 20 - 19.5 = 0.5{}^{\circ}\mathrm{C}$. (ج) يجب أن يبرد الهواء بمقدار 20 درجة: $20 \div 6.5 \approx 3.1$، أي على ارتفاع نحو $3.1\,\mathrm{km}$.

تمرين 23.6 ★★

يقع كوخ جبلي على ارتفاع $3000\,\mathrm{m}$. ويغادر متنزه قرية على ارتفاع $500\,\mathrm{m}$ درجة الحرارة فيها $18{}^{\circ}\mathrm{C}$. وباستعمال معدل تناقص قدره $6.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر: (أ) كم كيلومترًا يصعد المتنزه؟ (ب) بكم درجة يبرد الهواء؟ (ج) ما درجة الحرارة التي يمكن أن يتوقعها المتنزه عند الكوخ؟

حل

حل التمرين 23.6.

(أ) $3 - 0.5 = 2.5\,\mathrm{km}$. (ب) $6.5 \times 2.5 = 16.25$: نحو 16 درجة. (ج) $18 - 16.25 \approx 2{}^{\circ}\mathrm{C}$.

تمرين 23.7 ★★

افترض أن الضغط ينقص إلى النصف كل $5.5\,\mathrm{km}$، بدءًا من $1000\,\mathrm{hPa}$ عند مستوى سطح البحر. (أ) ما الضغط على ارتفاع $5.5\,\mathrm{km}$؟ وعلى ارتفاع $11\,\mathrm{km}$؟ وعلى ارتفاع $16.5\,\mathrm{km}$؟ (ب) يعطي الغلاف الجوي المعياري نحو $506\,\mathrm{hPa}$ و$227\,\mathrm{hPa}$ و$96\,\mathrm{hPa}$ على هذه الارتفاعات الثلاثة (لضغط قدره $1013\,\mathrm{hPa}$ عند مستوى سطح البحر). هل قاعدة التنصيف جيدة قرب الأرض؟ وفي الأعلى؟

حل

حل التمرين 23.7.

(أ) $500\,\mathrm{hPa}$ و$250\,\mathrm{hPa}$ و$125\,\mathrm{hPa}$. (ب) قرب الأرض القاعدة جيدة ($500\,\mathrm{hPa}$ مقابل $506\,\mathrm{hPa}$). أما في الأعلى فتعطي أكثر مما ينبغي: $250\,\mathrm{hPa}$ مقابل $227\,\mathrm{hPa}$، و$125\,\mathrm{hPa}$ مقابل $96\,\mathrm{hPa}$. فقاعدة التنصيف ليست إلا دليلًا تقريبيًا.

تمرين 23.8 ★★

يبلغ الضغط عند مستوى سطح البحر نحو $1000\,\mathrm{hPa}$، أي $10^3$ hPa. (أ) على ارتفاع $30\,\mathrm{km}$ يبلغ نحو $10\,\mathrm{hPa}$. اكتب ذلك في صورة قوة للعشرة، وقل كم مرة يصغر عن الضغط عند مستوى سطح البحر. (ب) على ارتفاع $80\,\mathrm{km}$ يبلغ نحو $0.01\,\mathrm{hPa}$. اكتبه في صورة قوة للعشرة. (ج) كم مرة يصغر عن الضغط عند مستوى سطح البحر؟

حل

حل التمرين 23.8.

(أ) $10~\text{hPa} = 10^1$ hPa؛ $10^3 \div 10^1 = 10^2$: أصغر مئة مرة. (ب) $0.01~\text{hPa} = 10^{-2}$ hPa. (ج) $10^3 \div 10^{-2} = 10^5$: أصغر مئة ألف مرة.

تمرين 23.9 ★★

قطر بالون أرصاد $1.5\,\mathrm{m}$ عند الإطلاق و$6\,\mathrm{m}$ حين ينفجر. (أ) كم مرة يزداد عرضه حين ينفجر؟ (ب) اشرح لماذا ينتفخ وهو يرتفع. (ج) لماذا تعلّق هيئات الأرصاد مظلة تحته؟

حل

حل التمرين 23.9.

(أ) $6 \div 1.5 = 4$ مرات أعرض. (ب) كلما ارتفع، ضغط عليه الهواء المحيط به أقل فأقل، فيتمدد الغاز الذي في داخله ويكبر البالون حتى ينشق غلافه. (ج) بعد انفجار البالون، تبطئ المظلة سقوط المسبار اللاسلكي، كي لا يؤذي أحدًا ولا يتلف شيئًا.

تمرين 23.10 ★★

قد يبلغ التروبوبوز $20\,\mathrm{km}$ فوق خط الاستواء وينزل إلى $7\,\mathrm{km}$ فوق القطبين في الشتاء. (أ) كم مرة يكون التروبوسفير أسمك فوق خط الاستواء في هذه الحالة؟ قرّب إلى رقم عشري واحد. (ب) على المخطط المعياري، يقع التروبوبوز على ارتفاع $11\,\mathrm{km}$. فهل الغلاف الجوي المعياري أقرب إلى خط الاستواء أم إلى القطبين؟ (ج) يطير طيار من منطقة قطبية إلى خط الاستواء على ارتفاع ثابت قدره $10\,\mathrm{km}$. هل الطائرة في التروبوسفير أم في الستراتوسفير في البداية (في الشتاء)؟ وفي النهاية؟

حل

حل التمرين 23.10.

(أ) $20 \div 7 \approx 2.9$ مرة أسمك. (ب) أقرب إلى القطبين: فارتفاع $11\,\mathrm{km}$ يزيد بمقدار $4\,\mathrm{km}$ على $7\,\mathrm{km}$ لكنه يقل بمقدار $9\,\mathrm{km}$ عن $20\,\mathrm{km}$ (فهو يصف العروض الوسطى، لا خط الاستواء). (ج) في البداية يكون التروبوبوز على ارتفاع نحو $7\,\mathrm{km}$، تحت الطائرة: فالطائرة في الستراتوسفير. وفي النهاية يكون التروبوبوز على ارتفاع نحو $20\,\mathrm{km}$: فالطائرة في التروبوسفير.

تمرين 23.11 ★★★

حصة كل الهواء الواقع تحت ارتفاع ما هي $1 - p \div p_0$، حيث $p$ الضغط عند ذلك الارتفاع و$p_0 = 1013\,\mathrm{hPa}$ الضغط عند مستوى سطح البحر. (أ) على ارتفاع $5.5\,\mathrm{km}$، $p \approx 506\,\mathrm{hPa}$: ما حصة الهواء الواقعة تحته؟ (ب) على ارتفاع $11\,\mathrm{km}$، $p \approx 227\,\mathrm{hPa}$. (ج) على ارتفاع $30\,\mathrm{km}$، $p \approx 12\,\mathrm{hPa}$. أعطِ الإجابات بالنسبة المئوية، بأعداد صحيحة. (د) ما حصة الهواء الواقعة فوق $30\,\mathrm{km}$؟

حل

حل التمرين 23.11.

(أ) $1 - 506 \div 1013 \approx 0.50$: 50 %. (ب) $1 - 227 \div 1013 \approx 0.78$: 78 %. (ج) $1 - 12 \div 1013 \approx 0.99$: 99 %. (د) نحو 1 %.

تمرين 23.12 ★★★

قطر مجسم كرة أرضية مدرسي $30\,\mathrm{cm}$، فنصف قطره، $15\,\mathrm{cm}$، يمثل نصف قطر الأرض، $6371\,\mathrm{km}$. (أ) كم كيلومترًا يمثل $1\,\mathrm{cm}$ من المجسم؟ قرّب إلى أقرب كيلومتر. (ب) كم تكون سماكة الغلاف الجوي حتى $100\,\mathrm{km}$ على هذا المجسم، بالمليمترات؟ (ج) وسماكة التروبوسفير، البالغة $11\,\mathrm{km}$؟ (د) تبلغ سماكة ورقة نحو $0.1\,\mathrm{mm}$. فكم ورقة تلزم لتكوين تروبوسفير المجسم؟

حل

حل التمرين 23.12.

(أ) $6371 \div 15 \approx 425$ كيلومترًا لكل سنتيمتر. (ب) $100 \div 425 \approx 0.24$ سنتيمتر، أي نحو $2.4\,\mathrm{mm}$. (ج) $11 \div 425 \approx 0.026$ سنتيمتر، أي نحو $0.26\,\mathrm{mm}$. (د) $0.26 \div 0.1 \approx 2.6$: ورقتان أو ثلاث ورقات.

23.6 مسألة: تتبُّع بالون أرصاد

مسألة 23.1

مسألة نهاية الأسبوع — بالون أرصاد يصعد عبر الغلاف الجوي؛ درجات حرارته تكشف الطبقات، وضغوطه تكشف أين يبقى ربع الضغط عند مستوى سطح البحر

يُطلق مسبار لاسلكي من محطة عند مستوى سطح البحر. ويصعد بالونه بمعدل $300\,\mathrm{m}$ في الدقيقة تقريبًا. ويعطي الجدول الضغط ودرجة الحرارة اللذين يقيسهما (قيم الغلاف الجوي المعياري، مقرَّبة).

الارتفاع (km)	0	2	4	6	8	10	12	14
الضغط (hPa)	1013	795	617	472	357	265	194	142
درجة الحرارة ($^\circ$C)	15	2	$-11$	$-24$	$-37$	$-50$	$-56$	$-56$
الارتفاع (km)	16	18	20	22	24	26	28	30
الضغط (hPa)	104	76	55	40	30	22	16	12
درجة الحرارة ($^\circ$C)	$-56$	$-56$	$-56$	$-55$	$-53$	$-51$	$-49$	$-47$

الجزء الأول — الصعود.

1. كم مترًا يصعد البالون في 10 دقائق؟
2. كم يستغرق ليبلغ $6\,\mathrm{km}$؟ و$30\,\mathrm{km}$؟
3. ينفجر البالون على ارتفاع $30\,\mathrm{km}$. كم دامت الرحلة، بالساعات والدقائق؟
4. سمِّ الطبقة التي يكون فيها البالون على ارتفاع $8\,\mathrm{km}$، والطبقة التي يكون فيها حين ينفجر.

الجزء الثاني — درجة الحرارة.

5. بكم درجة تنخفض درجة الحرارة بين الأرض وارتفاع $10\,\mathrm{km}$؟
6. ما معدل التناقص بالدرجات لكل كيلومتر في هذا الجزء من الصعود؟
7. بين أي ارتفاعين تبقى درجة الحرارة ثابتة؟ وأين يقع التروبوبوز؟
8. ماذا يحدث لدرجة الحرارة فوق $20\,\mathrm{km}$؟ وأي غاز يفسر ذلك؟

الجزء الثالث — الضغط.

9. كم يساوي نصف الضغط عند مستوى سطح البحر؟ وبين أي ارتفاعين يُبلغ؟
10. كم يساوي ربع الضغط عند مستوى سطح البحر؟ قرّب إلى أقرب هكتوباسكال.
11. بين أي ارتفاعين من الجدول يُبلغ هذا الربع؟
12. ينخفض الضغط بمقدار $71\,\mathrm{hPa}$ بين $10\,\mathrm{km}$ و$12\,\mathrm{km}$. فإذا افترضنا أنه ينخفض بانتظام، فعلى أي ارتفاع تقريبًا يبلغ الضغط ربع قيمته عند مستوى سطح البحر؟ قرّب إلى رقم عشري واحد.

حل

حل المسألة 23.1.

1. $300 \times 10 = 3000$ متر.

2. $6000 \div 300 = 20$ دقيقة؛ $30\,000 \div 300 = 100$ دقيقة.

3. 100 دقيقة، أي ساعة واحدة و40 دقيقة.

4. على ارتفاع $8\,\mathrm{km}$: التروبوسفير (فدرجة الحرارة لا تزال تنخفض). وعلى ارتفاع $30\,\mathrm{km}$: الستراتوسفير.

5. $15 - (-50) = 65$ درجة.

6. $65 \div 10 = 6.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر.

7. من $12\,\mathrm{km}$ إلى $20\,\mathrm{km}$ تبقى عند $-56{}^{\circ}\mathrm{C}$. ويتوقف التبرد بين $10\,\mathrm{km}$ و$12\,\mathrm{km}$: فالتروبوبوز على ارتفاع نحو $11\,\mathrm{km}$.

8. ترتفع: $-55{}^{\circ}\mathrm{C}$ على ارتفاع $22\,\mathrm{km}$، و$-47{}^{\circ}\mathrm{C}$ على ارتفاع $30\,\mathrm{km}$. فالبالون في الستراتوسفير، الذي يسخّنه الأوزون الذي يمتص الأشعة فوق البنفسجية الآتية من الشمس.

9. $1013 \div 2 \approx 507\,\mathrm{hPa}$؛ ويُبلغ بين $4\,\mathrm{km}$ ($617\,\mathrm{hPa}$) و$6\,\mathrm{km}$ ($472\,\mathrm{hPa}$).

10. $1013 \div 4 \approx 253\,\mathrm{hPa}$.

11. بين $10\,\mathrm{km}$ ($265\,\mathrm{hPa}$) و$12\,\mathrm{km}$ ($194\,\mathrm{hPa}$).

12. من $10\,\mathrm{km}$، يجب أن ينخفض الضغط بمقدار $265 - 253 = 12$ hPa أخرى، من أصل 71 hPa يفقدها على مدى كيلومترين: $12 \div 71 \times 2 \approx 0.34$ كيلومتر. فيبلغ الضغط ربع قيمته عند مستوى سطح البحر على ارتفاع نحو $10.3\,\mathrm{km}$.