7السحب والمطر والثلج

بعد ظهر يوم صيفي حار. عند الغداء كانت السماء زرقاء، فيها بضع سحب بيضاء صغيرة كأنها كرات من القطن. وعند الساعة الثالثة كبرت إحداها. إنها تنتفخ نحو الأعلى، أعلى فأعلى، كقرنبيط أبيض قائم على قاعدة رمادية مسطحة. ثم تنبسط قمتها، وتسودّ قاعدتها. تهب نفحة من ريح باردة، وتسقط أولى القطرات الكبيرة، ويهطل المطر غزيرًا عشرين دقيقة. ثم تبتعد السحابة، وتعود الشمس، ويتصاعد البخار من الأرصفة المبللة.

من أين جاءت تلك السحابة؟ ومم تتكون؟ وكم من المطر سقط في تلك الدقائق العشرين؟

ما تعرفه من قبل

الطقس هو حال الهواء في مكان ولحظة معيّنين: مشمس، غائم، ماطر، مثلج، عاصف، ضبابي؛ ونسجله في جدول الطقس (الفصل 1). والماء يصعد من البحر والبحيرات والأرض إلى الهواء، ثم يعود فينزل مطرًا (الفصل 3). وكتب الفيزياء تحكي كيف يتبخر الماء (من سائل إلى غاز لا يُرى)، وكيف يتكاثف (من غاز إلى قطيرات سائلة صغيرة جدًا)، وكيف يتجمد (من سائل إلى جليد)، وكيف يقيس مقياس الحرارة درجة الحرارة بالدرجات المئوية.

7.1 ما السحابة؟

الهواء من حولنا يحمل دائمًا شيئًا من الماء، غازًا لا يُرى: بخار الماء. وحين يصعد الهواء يبرد. وحين يبرد بما يكفي، يتكاثف جزء من بخار مائه قطيراتٍ صغيرة جدًا حتى إن أخف نسمة تبقيها معلقة. وبلايين من هذه القطيرات، بعضها بجانب بعض، تصنع سحابة نراها. وفي الأعالي، حيث الهواء شديد البرودة، تتجمد القطيرات، فتتكون السحابة من قطع صغيرة جدًا من الجليد.

تعريف 7.1 (السحابة والضباب)

السحابة عدد كبير جدًا من قطيرات الماء الصغيرة جدًا، أو من قطع الجليد الصغيرة جدًا، معلقة معًا في الهواء. والضباب سحابة تلامس الأرض.

مثال 7.2 (أنفاسك في صباح بارد)

في صباح بارد، تصنع أنفاسك سحابة بيضاء صغيرة أمام فمك. فالهواء الذي تزفره دافئ ويحمل بخار الماء. والهواء البارد يبرّده فورًا، فيتكاثف البخار قطيراتٍ صغيرة جدًا — وتظهر سحابة مصغرة، ثم تختفي حين تتبخر القطيرات من جديد.

السحابة بيضاء لأن قطيراتها تشتت ضوء الشمس في كل الاتجاهات. وحين تكون كثيفة جدًا لا يصل إلى قاعدتها إلا قليل من الضوء، فتبدو من الأسفل رمادية أو شبه سوداء: وتلك علامة سحابة ثقيلة مليئة بالماء.

7.2 فصائل السحب

للسحب أشكال كثيرة، ومراقبو الطقس في العالم كله يصنّفونها بالطريقة نفسها، بحسب شكلها وبحسب الارتفاع الذي تطفو عنده.

تعريف 7.3 (فصائل السحب)

فصائل السحب الأربع التي يجب أن تعرفها هي:

• الركام: سحب متراكمة، بيضاء منتفخة، قاعدتها مسطحة، كأنها كرات من القطن؛
• الطبقي: سحب طبقية، غطاء رمادي مسطح يغطي السماء كلها، منخفض؛
• السمحاق: سحب خيطية، خيوط أو خصلات بيضاء رقيقة، عالية جدًا، مكونة من الجليد؛
• الركام المزني: سحابة العاصفة، برج ضخم يرتفع من قاعدة داكنة منخفضة إلى ارتفاع كبير جدًا، وكثيرًا ما تنبسط قمته مسطحة.

وهذه أسماء تصف الشكل، وهي ترجمة لأسماء لاتينية: الركام الكومة، والطبقي من الطبقة، والسمحاق خصلة الشعر، والمزن سحب المطر.

على أي ارتفاع تطفو السحب؟ ذلك يتوقف على الفصيلة. فالسحب المنخفضة، مثل الطبقي وقاعدة الركام، تطفو من فوق الأرض مباشرة حتى نحو 2 كيلومتر. أما السمحاق فيطفو عاليًا جدًا، بين نحو 5 و13 كيلومترًا خارج المناطق المدارية والقطبية — وكثيرًا ما يكون أعلى من أعلى جبل على الأرض. ويمتد الركام المزني من قاعدة منخفضة حتى أعلى مستويات السحب.

طريقة 7.4 (تسمية السحابة)

انظر إلى السماء واطرح ثلاثة أسئلة:

1. هل هي كومة قاعدتها مسطحة؟ إذن هي ركام — وإن ارتفعت برجًا داكنًا ضخمًا، فهي ركام مزني.
2. هل هي غطاء مسطح منتظم يحجب السماء كلها؟ إذن هي طبقي.
3. هل تتكون من خيوط بيضاء رقيقة، عالية جدًا؟ إذن هي سمحاق.

ملاحظة 7.5 (السحب تخبرنا بالطقس)

الركام الصغير في سماء زرقاء يعني طقسًا صحوًا. والطبقي الرمادي يأتي بيوم كئيب، وأحيانًا برذاذ. والركام المزني يأتي بزخة قصيرة غزيرة، كثيرًا ما يرافقها رعد وبرق وهبات ريح — وأحيانًا برد. أما السمحاق فلا يأتي بالمطر، لكنه حين ينتشر ويزداد كثافة كثيرًا ما يأتي المطر بعده بيوم.

7.3 المطر والثلج والبرد

داخل السحابة تصطدم القطيرات الصغيرة جدًا بعضها ببعض فتتحد، أو تنمو بلورات الجليد على حساب القطيرات. فإذا كبرت قطرة السحابة، أو البلورة، وثقلت بما يكفي، لم تعد تستطيع أن تطفو: فتسقط.

تعريف 7.6 (الهطول)

الهطول ماء يسقط من سحابة إلى الأرض: المطر (قطرات من الماء السائل)، أو الثلج (ندف من بلورات جليد ملتصقة معًا)، أو البرد (كرات من الجليد تسمى حبات البرد، تسقط من سحب العواصف).

سقوط المطر أو الثلج يتوقف على درجة حرارة الهواء الذي يعبره الهطول. فندف الثلج تتكون عاليًا في السحابة الباردة. فإذا كان الهواء تحتها فوق $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ مدة كافية، ذابت في طريقها إلى الأسفل ووصلت إلينا مطرًا. وإذا كان الهواء متجمدًا طوال الطريق إلى الأرض، وصلت ثلجًا.

لا يسقط البرد إلا من الركام المزني. ففي داخل البرج ترفع رياح صاعدة قوية حبيبات الجليد وتنزلها مرات عدة؛ وكل رحلة تضيف طبقة جديدة من الجليد، كطبقات البصلة، حتى تصير حبة البرد أثقل من أن تحملها الريح.

7.4 نقيس الطقس

لكي نقول كم أمطرت، أو كم كان الجو دافئًا، أو من أين هبت الريح، لا تكفي الكلمات: نحتاج إلى أجهزة، وإلى أعداد.

تعريف 7.7 (مقياس المطر)

مقياس المطر وعاء يجمع المطر الساقط على فتحته. ويُقاس عمق الماء الذي يجمعه بالمليمتر: «5 مليمترات من المطر» معناها أن المطر كان سيصنع طبقة من الماء عمقها 5 مليمترات على أرض مستوية، لو لم يجرِ شيء منه ولم يتسرب في الأرض.

ملاحظة 7.8 (مليمتر المطر ماء كثير)

يبدو مليمتر المطر ضئيلًا في المقياس. لكنه على مربع من الأرض طوله متر وعرضه متر يساوي لترًا واحدًا من الماء: قارورة كبيرة. وعلى ساحة مدرسة مساحتها ألف متر مربع، يأتي مطر 10 مليمترات بعشرة آلاف لتر: ما يكفي لملء ألف دلو سعة كل منها 10 لترات.

تعريف 7.9 (دوارة الرياح)

دوارة الرياح سهم يدور بحرية على سارية. والريح تدفع ذيله، فيشير السهم دائمًا إلى الجهة التي تأتي منها الريح.

تعريف 7.10 (محطة الأرصاد الجوية)

محطة الأرصاد الجوية مكان يُقاس فيه الطقس كل يوم، بالطريقة نفسها دائمًا، بأجهزة: مقياس حرارة في صندوق أبيض مهوّى، ومقياس مطر في العراء، ودوارة رياح على سارية.

يوضع مقياس الحرارة في الظل، في صندوق أبيض جوانبه شرائح تسمح بمرور الهواء لكنها تمنع أشعة الشمس والمطر. ومصلحة الأرصاد الجوية في المملكة المتحدة تضعه على ارتفاع $1.25\,\mathrm{m}$ فوق الأرض. أما مقياس المطر فيقف في العراء، بعيدًا عن الجدران والأشجار التي قد تحجب عنه المطر، وفتحته أعلى من الأرض بقليل. ودوارة الرياح تقف عالية على ساريتها، فوق العوائق التي قد تحرف الريح.

في الميدان — محطة أرصاد في ساحة المدرسة

مدارس كثيرة تحتفظ بمحطة أرصاد صغيرة في ركن من الساحة. وكل صباح في الوقت نفسه، يقرأ تلميذان مقياس الحرارة، ويقرآن مقياس المطر ويفرغانه، ويسجلان الجهة التي تشير إليها دوارة الرياح. ومع مرور الأسابيع يبني الفصل سجلًا لطقسه الخاص.

طريقة 7.11 (رسم مخطط أعمدة للمطر)

لرسم مطر أسبوع:

1. ارسم خطًا أفقيًا واكتب الأيام تحته، على مسافات متساوية؛
2. ارسم خطًا رأسيًا على اليسار ودرّجه بالمليمترات، بخطوات متساوية (مثلًا كل مليمترين)؛
3. فوق كل يوم، ارسم عمودًا ارتفاعه بقدر مطر ذلك اليوم؛ واليوم الذي لا مطر فيه لا عمود له أبدًا؛
4. أعطِ المخطط عنوانًا واكتب الوحدة، mm، على الخط الرأسي.

مثال 7.12 (أسبوع من المطر في المدرسة)

قرأ الفصل مقياس المطر كل صباح مدة أسبوع فوجد: الاثنين 0، والثلاثاء 4، والأربعاء 12، والخميس 7، والجمعة 0، والسبت 2، والأحد 5 مليمترات. فأكثر الأيام مطرًا الأربعاء. ولم تمطر يوم الاثنين ولا يوم الجمعة. وفي الأسبوع كله سقط $0 + 4 + 12 + 7 + 0 + 2 + 5 = 30$ مليمترًا. والأربعاء وحده جاء باثني عشر مليمترًا من الثلاثين، أي $\frac{12}{30} = \frac{2}{5}$ من مطر الأسبوع.

7.5 تمارين

تمرين 7.1 ★

مم تتكون السحابة؟ وما الضباب؟

حل

حل التمرين 7.1.

تتكون السحابة من عدد كبير جدًا من قطيرات الماء الصغيرة جدًا، أو من قطع الجليد الصغيرة جدًا، المعلقة في الهواء. والضباب سحابة تلامس الأرض.

تمرين 7.2 ★

سمِّ السحابة: (أ) غطاء رمادي مسطح يحجب السماء كلها؛ (ب) خيوط بيضاء رقيقة عالية جدًا في سماء زرقاء؛ (ج) أكوام بيضاء قواعدها مسطحة، كأنها قطن؛ (د) برج داكن ضخم قمته مسطحة، يأتي بالرعد.

حل

حل التمرين 7.2.

(أ) طبقي. (ب) سمحاق. (ج) ركام. (د) ركام مزني.

تمرين 7.3 ★

مطر أم ثلج أم برد؟ (أ) كرات من الجليد تسقط من سحابة عاصفة؛ (ب) قطرات من الماء السائل؛ (ج) ندف مكونة من بلورات الجليد.

حل

حل التمرين 7.3.

(أ) برد. (ب) مطر. (ج) ثلج.

تمرين 7.4 ★

أي جهاز يقيس: (أ) المطر؛ (ب) درجة الحرارة؛ (ج) الجهة التي تأتي منها الريح؟

حل

حل التمرين 7.4.

(أ) مقياس المطر. (ب) مقياس الحرارة. (ج) دوارة الرياح.

تمرين 7.5 ★

في مقياس المطر المرسوم في الصفحة 46، يصل الماء الآن إلى العلامة 17. كم مليمترًا من المطر سقط؟ وكم مليمترًا آخر يوصله إلى 20؟

حل

حل التمرين 7.5.

سقط 17 مليمترًا من المطر. $20 - 17 = 3$: 3 مليمترات أخرى توصل الماء إلى العلامة 20.

تمرين 7.6 ★

انظر إلى مخطط الأعمدة في الصفحة 47. أي يوم كان الأكثر مطرًا؟ وفي أي الأيام لم تمطر؟ وأي يوم كان فيه 7 مليمترات؟

حل

حل التمرين 7.6.

أكثر الأيام مطرًا الأربعاء (12 مليمترًا). ولم تمطر يوم الاثنين ولا يوم الجمعة. وكان في الخميس 7 مليمترات.

تمرين 7.7 ★★

في صباح يوم مثلج، تصل ندف الثلج إلى الأرض في القرية الجبلية، أما في الوادي تحتها فتمطر. اشرح الفرق، مستعينًا بدرجة حرارة الهواء.

حل

حل التمرين 7.7.

ندف الثلج تتكون عاليًا في السحابة الباردة. وفي أعلى، في القرية الجبلية، الهواء متجمد طوال الطريق إلى الأسفل، فتصل ثلجًا. وفي الأسفل، في الوادي، الهواء أدفأ من $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$: فتذوب الندف وهي تعبره نازلة، وتصل إلى الأرض مطرًا.

تمرين 7.8 ★★

في أسبوع آخر وجد الفصل: الاثنين 3، والثلاثاء 0، والأربعاء 1، والخميس 9، والجمعة 6، والسبت 0، والأحد 1 مليمترات. ارسم مخطط الأعمدة. كم مليمترًا سقط في الأسبوع؟ وأي كسر من مطر الأسبوع سقط يوم الخميس؟

حل

حل التمرين 7.8.

لمخطط الأعمدة سبعة أعمدة ارتفاعاتها 3 و0 و1 و9 و6 و0 و1 (لا عمود يوم الثلاثاء ويوم السبت). وفي الأسبوع سقط $3 + 0 + 1 + 9 + 6 + 0 + 1 = 20$ مليمترًا. والخميس جاء بتسعة مليمترات من العشرين: أي $\frac{9}{20}$ من مطر الأسبوع.

تمرين 7.9 ★★

لماذا يجب أن يقف مقياس المطر في العراء، بعيدًا عن الجدران والأشجار؟ ولماذا يوضع مقياس الحرارة في صندوق أبيض في الظل، لا في الشمس الساطعة؟

حل

حل التمرين 7.9.

الجدران والأشجار تحجب المطر عن الأرض القريبة منها، ولا سيما حين تدفع الريح المطر جانبيًا، وقد تقطر القطرات من الأوراق في المقياس: فقربها يجمع المقياس أقل مما يجب، أو أكثر. ومقياس الحرارة يجب أن يقيس درجة حرارة الهواء؛ وفي الشمس الساطعة تسخنه أشعة الشمس نفسها فيقرأ قيمة أعلى مما يجب. والصندوق الأبيض ذو الشرائح يحجب الشمس ويسمح بمرور الهواء.

تمرين 7.10 ★★

دوارة الرياح تشير إلى الغرب. من أين تأتي الريح؟ وإلى أين تذهب؟

حل

حل التمرين 7.10.

دوارة الرياح تشير إلى حيث تأتي الريح: فالريح تأتي من الغرب. وهي تذهب نحو الشرق.

تمرين 7.11 ★★★

على ساحة مساحتها 500 متر مربع، يسقط 8 مليمترات من المطر. مستعينًا بما في الملاحظة 7.8، كم لترًا من الماء سقط على الساحة؟ وإذا كان المرش يتسع 10 لترات: فكم مرشًا يساوي ذلك؟

حل

حل التمرين 7.11.

مليمتر المطر على متر مربع واحد لتر واحد. وعلى متر مربع واحد تعطي 8 مليمترات 8 لترات. وعلى 500 متر مربع: $500 \times 8 = 4000$ لتر. وبمرشات سعة كل منها 10 لترات: $4000 \div 10 = 400$ مرش.