الســــــحب
عبارة عن تجمع مرئي لجزيئات دقيقة من الماء أو الجليد أو كليهما معا يتراوح قطرها ما بين 1 إلى 100 ميكرون تبدو سابحة في الجو على ارتفاعات مختلفة كما تبدو بأشكال وأحجام وألوان متباينة، كما تحتوي على بخار الماء والغبار وكمية هائلة من الهواء الجاف ومواد سائلة أخرى وجزيئات صلبة منبعثة من الغازات الصناعية.
وهى عبارة عن شكل من أشكال الرطوبة الجوية التي يمكن رؤيتها بالعين المجرّدة، حيث أنّ الشمس، التي تعتبر المحرك الأساسي لدورة الماء، تقوم بتسخين المحيطات التي تحوّل جزءاً من مياهها من حالتها السائلة إلى بخار، فتقوم التيارات الهوائية المتصاعدة بأخذ بخار الماء إلى داخل الغلاف الجوي (حيث درجات الحرارة المنخفضة) فيتكاثف الهواء المشبّع ببخار الماء مكونا بذلك جزيئات الماء السائلة أو المتجمدة فتمتزج بذرات الغبار مشكلة بذلك السحب. بما أن درجة كثافة السحب هي من 10 إلى 100 مرة أقل من درجة كثافة الهواء فإنّها تطفوا في السماء، أما ما يفسر تحرك السحب عبر الرياح هو الحركة الدائمة لجزيئات الهواء التي تدفع كل الكتل التي تحتك بها بما في ذلك السحب.
أنواع السحب :
تصنيف السحب من حيث طبيعة تكوينها ومظهرها العام إلى ثلاث مجموعات هي:
السحب الطبقية (Stratus) : تظهر هذه السحب على شكل طبقات رقيقة فوق بعضها، وغالباً فهي ليست ممطرة.
السحب الركامية (Cumulus) : تبدو هذه السحب في شكلها الخارجي مثل رأس القرنبيط على هيئة كتل منفصلة، وهي ترتبط ارتباطاً قوياً بالتيارات الهوائية الصاعدة. يكثر تشكل السحب الركامية في المناطق الاستوائية والأجزاء الماطرة من المناطق المدارية ومناطق أخرى. يسقط منها زخات من المطر الغزير مصحوبة برياح قوية، وتعرف حينها بالمزن الركامي (Cumulonimbus) الذي يعتبر من أكثر أنواع السحب أمطاراً.
سحب السمحاق (Circus) : وهي أعلى أنواع السحب، تتكون في طبقات الجو العليا على ارتفاع يتراوح بين (6-15كم)، وهي سحب رقيقة تشبه في شكلها الريش أو الصوف المنفوش وذات لون أبيض، ويتكاثف بخار الماء فيها على شكل بلورات ثلجية، وهي سحب لا تسقط أمطاراً في العادة.
تصنف السحب تبعاً لارتفاعها إلى ثلاثة أقسام هي:
السحب المنخفضة: وهي السحب التي يقل مستواها عن (2000 متر)، وتشمل السحب : الركامية والطبقية والركامية الطبقية والمزن الطبقية والمزن الركامية.
السحب المتوسطة: وتتكون على مستويات تتراوح ما بين (2000-6000 متر) وتشمل : سحباً طبقية متوسطة الارتفاع وسحباً ركامية متوسطة الارتفاع.
السحب العالية : وتتكون على مستويات يتراوح ارتفاعها بين (6000-15000 متر)، وتشمل سحب السمحاق الركامي والسمحاق الطبقي.
المطر : Rain
يعتبر المطر من أهم مظاهر تكاثف بخار الماء في الهواء، وترجع هذه الأهمية إلى الصلة الوثيقة بينه وبين مختلف أنواع الحياة على سطح الأرض. ويحدث التساقط نتيجة لعملية تكاثف البخار العالق بالهواء ويبدأ التساقط عندما يبلغ قطر القطرات المائية المكونة للسحب 0,1 سم أي عندما يصعب على الهواء حمل هذه القطرات المائية لثقلها، ولذا إذا كان التكاثف يؤدي حتما إلى تكوين السحب فإن السحاب لا يؤدي حتما إلى التساقط، والسبب في هذا كون القطرات المائية المكونة للسحب أصفر بكثير من قطرات التهاطل.
وهناك العديد من العوامل تؤثر على سقوط الأمطار من هذه العوامل :
اتجاه الرياح : يؤدي اتجاه الرياح دوراً هاماً في كمية بخار الماء التي تحملها الرياح. فإذا هبت الرياح من البحر أو مسطح مائي كبير إلى اليابس فهذه الرياح تكون رطبة، ومحملة ببخار الماء، الذي يؤدى إلى سقوط أمطار. بينما لو كانت الرياح متجهة من اليابس إلى البحر فإنها تكون رياحاً جافة، وتقل فيها الرطوبة، ويُطلق عليها اسم الرياح الجافة وفرصة سقوط الأمطار بسببها تكاد تكون منعدمة.
درجة الحرارة : يعمل ارتفاع درجة الحرارة على زيادة عمليات التبخر، خاصة المسطحات المائية، مما يؤدى إلى ازدياد الرطوبة في الهواء، ويساعد ذلك على نشاط التيارات الهوائية الصاعدة، وسقوط الأمطار في الجهات، التي تتوفر بها المسطحات المائية. أمّا إذا حدث العكس، خاصة في المناطق، التي يقل بها المسطحات المائية، فيلاحظ أن انخفاض درجة الحرارة يؤدى إلى انخفاض نسبة الرطوبة في الهواء وعدم حدوث أي تكاثف.
الموقع الجغرافي : يؤثر قرب أو بُعد المناطق عن البحار والمحيطات على توزيع الأمطار وكمياتها، فالمناطق، التي تحيط بها بحار واسعة ومسطحات مائية كبيرة، تكون في الغالب أكثر مطراً من المناطق، التي تبعد عن البحار، ولذا تُعد الجهات الساحلية من أغزر الجهات مطراً في العالم.
التضاريس : تجذب المرتفعات وقمم الجبال كمية كبيرة من الأمطار، أكثر من الكميات، التي تستقبلها السهول، ويرجع سبب ذلك إلى أن القمم الجبلية تعمل على إعاقة الرياح وإجبارها إلى الارتفاع إلى أعلى فيحدث نتيجة لذلك سقوط الأمطار.
وتنقسم الأمطار تبعاً للظروف التي تسقط بسببها إلى ثلاثة أنواع هي:
الأمطار الانقلابية أو أمطار التيارات الصاعدة : Convectional Rain
و هو المطر الناتج عن صعود الهواء الرطب كما في مناطق الرهو الاستوائية حيث تشتد الحرارة و تتصاعد التيارات الهوائية إلى طبقات الجو العليا فتبرد و يتكاثف ما بها من بخار الماء فيسقط المطر و تتوقف غزارة هذا المطر على عاملين هما : كمية بخار الماء التي يحملها الهواء ثم درجة حرارة الطبقات العليا التي تصعد إليها السحب و يكثر هذا النوع من الأمطار في المناطق الاستوائية و المدارية حيث يسقط بصورة منتظمة في جميع فصول السنة و يحدث التصاعد الهوائي أثناء النهار الحار و يتساقط المطر في المساء و السحب المصاحبة لهذا النوع من المطر هي الركامي و يتصف المطر بالغزارة و في هيئة وابل و لهذا قد يضر بالمحاصيل كما أن الجريان السطحي الغزير قد يجرف التربة و يؤدي إلى تعريتها.
الأمطار التضاريسية Orographic or Relief Rain
يزداد المعدل السنوي للأمطار في المناطق المعتدلة والباردة كلما ازداد الارتفاع (ارتفاع التضاريس)، ويعود سبب ذلك إلى أن الرياح تضطر إلى الارتفاع عندما تصطدم بسلاسل جبلية ضخمة ، وذلك كي تتمكن من اجتياز تلك السلاسل، فتنخفض درجة حرارتها ويبرد بخار الماء فيها ويحدث التكاثف وتتكون السحب، وتسقط الأمطار.
تعتبر السفوح الجبلية المواجهة للرياح الرطبة أكثر أمطاراً من السفوح الأخرى المحجوبة عنها والتي تقع في ظل المطر (Rain shadow)، وأن أغزر الأمطار لا تسقط على قمم الجبال نفسها، بل على المنطقة التي تليها مباشرة، ويعزى سبب ذلك إلى أن الرياح لا تتوقف عن الارتفاع بعد وصولها إلى القمم الجبلية مباشرة، بل تستمر في الارتفاع قليلاً، خاصة إذا كانت الكتلة الهوائية غير مستقرة.
وإضافة إلى ما يترتب على اعتراض الجبال للرياح الرطبة من زيادة في الأمطار، فإن تلك المرتفعات تزيد من اضطراب الرياح وعدم استقرارها، كما تساعد في نشاط تيارات الحمل وزيادة حدتها.
ويعتبر تزايد الأمطار بالارتفاع ظاهرة عامة في المناطق المعتدلة والباردة، وتسقط أغزر الأمطار على المناطق الجبلية المرتفعة القريبة من المسطحات المائية والمتعامدة مع اتجاه الرياح، خاصة وأن السحب السائدة في المناطق المعتدلة والباردة هي في الغالب سحب طبقية مرتفعة، ولهذا تزداد معدلات الأمطار مع زيادة الارتفاع. أما في المناطق المدارية، فقد وجد أن الأمطار فيها لا تستمر في الزيادة بالارتفاع إلا إلى حد معين، ثم تأخذ بالتناقص، فالحد الأقصى من الارتفاع الذي تتوقف عنده الأمطار عن الزيادة في مرتفعات جزيرة جاوه الاندونيسية هو (1200متر) ، ويعود السبب في ذلك إلى أن السحب المدارية الماطرة هي في الغالب سحب ركامية منخفضة، لا يزيد ارتفاع قممها على (3000متر)، بينما يكون مستوى قواعدها الذي تتركز فيه الأمطار دون ذلك بكثير.
الأمطار الإعصارية أو أمطار الجبهات
Cyclonic or Frontal and Convergent Rain
وهو مطر الرياح العكسية التي تكثر بها الانخفاضات الجوية المسماة بالأعاصير و من أمثلتها أمطار البحر المتوسط و أمطار غرب أوروبا و يتسبب في سقوطه مرور الأعاصير أو الانخفاضات الجوية إذ يحدث أن يجذب الإعصار تيارين هوائيين مختلفي المصدر من حيث درجة الحرارة كأن يأتي تيار من الشمال البارد و آخر من الجنوب الدافئ أو الحار و حينما يتقابلان تحدث عملية تصعيد الهواء الدافئ لأنه أخف وزنا و حينما يعلو فإنه يبرد و يتكاثف ما به من بخار الماء فيسقط المطر و يكثر المطر حينما يكون الهواء الصاعد غزير الرطوبة .
قياس الامطار : Measurement of Rain
يعبر عن كمية الامطار الساقطة بالوحدات الطولية متل الملليمتر والبوصة وتقاس الامطار بواسطة حساب حجم الكمية التى تسقط خلال فتحة حوض استقبال مقسومة على مساحة هذا الحوض, فيكون الناتج عبارة عن سمك او عمق الماء المتساقط على محدة المساحات بالوحدات الطولية. وتنقسم شدة تساقط المطر الى :
مطر خفيف : اذا معدل سقوط المطر بعمق يبدأ من اثار قليلة حتى 2,5 مم/ساعة,
مطر متوسط : اذا معدل سقوط المطر بعمق اكثر من 2,5 وحتى 7,6 مم/ساعة.
مطر شديد : اذا معدل سقوط المطر بعمق يزيدعن 7,6 مم/ساعة.
وتقاس كمية المطر بواسطة اجهزة تسمى باجهزة قياس المطر. وتوضع هذه الاجهزة دائما فى العراء فى محطة الأرصاد الجوية, ويوجد منها عدة انواع :
مقياس المطر القياسي
تم اختراع مقياس المطر الأكثر شيوعا - المستخدم حاليا بواسطة أقسام الرصد الرسمية والمطارات- قبل أكثر من 100 عام. وهو يتألف من اسطوانة كبيرة مع قمع وأنبوب قياس أصغر داخلها. يبلغ طول مقياس المطر "الرسمي" الذي حدده مكتب الولايات المتحدة للطقس 50 سم بأنبوب قطره 20 سم. يتم تجميع الماء في أنبوب قياس يمتلك عشر المنطقة المقطعية العرضية لسطح القمع. نتيجة لذلك، فإن ارتفاع الماء المجمع في أنبوب القياس يبلغ بالضبط 10 أضعاف ما سيكون عليه لو تم تجميعه في الاسطوانة لوحدها. مثلا، من شأن عشر واحد لسنتيمتر من هطول المطر أن يملأ سنتيمتر واحد من أنبوب القياس. إن هذه المبالغة بارتفاع الماء في الأنبوب يمكن علماء الأرصاد الجويين من إجراء قياسات دقيقة لهطول المطر. يتم تدريج عصاه قياس خاصة في أنبوب القياس لأخذ المبالغة بعين الاعتبار.
يمكن لمقياس المطر القياسي أن يقيس ما مقدراه 5 سم من المطر (1,97 بوصة). إذا تجاوز هطول المطر خمس سنتيمتر، يفيض الماء داخل الاسطوانة المحيطة بأنبوب القياس. ولحساب إجمالي كيمه المطر، يقوم المشرف بإفراغ 5 سم في أنبوب القياس الكامل، ثم يأخذ الماء الموجود في الاسطوانة ويسكبه بحذر في الأنبوب الفارغ حاليا. بإضافة هذا العيار إلى السنتيمترات الخمس، ينتج المقدار النهائي لكمية المطر.
مقياس المطر ذو الدلو القلاب :
يسجل مقياس المطر ذو الدلو القلاب الزمن الذي يقلب فيه أحد الدلوين المصممين لهذا الغرض، الأمر الذي يحدث عندما يسقط حجم معين من الماء فيه (عادة 0,1 سم أو 0,1 بوصة ) .عندما ينقلب أحد الدلوين، يتحرك الآخر بسرعة للمكان المخصص لاستيعاب الوحدة التالية من المطر المتساقط. وفي كل مرة ينقلب فيها الدلو، يتم إرسال إشارة إلكترونية لمسجل موصول بساعة. في معظم مقاييس الدلو القلابة ، يرشح الماء من القاع، وهكذا ليس هنالك حاجة لإفراغه يدويا. ويتيح هذا الجهاز تحديد كمية المطر الذي هطل أثناء فترات زمنية معينة دون حضور أي شخص في محطة الطقس. إضافة لمعرفة حجم المطر الذي سقط خلال فترة زمنية محددة، من المفيد أيضا معرفة كثافته. على سبيل المثال، يمكن لخمس سنتيمترات تسقط طوال يوم معين أن ترشح بأمان، إلا أن نفس الكمية المتساقطة خلال ساعة واحدة قد تتسبب بفيضان فوري.
يعتبر مقياس المطر ذو الدلو القلاب جيد بشكل خاص في قياس هطول المطر الخفيف إلى المتوسط. وخلال سقوط خفيف جدا للمطر، فإن المطر المتجمع في جدول قد لا يكون كافيا لقلبه وقد يتبخر قبل إضافة المزيد. وخلال السقوط الغزير جدا للمطر، مثل العواصف الرعدية، قد يستمر الماء بالانهمار على الدلو بينما يقوم بالتفريغ، قبل أن يتحرك الدلو التالي إلى المكان المخصص. نتيجة لذلك، فإن مقياس المطر ذو الدلو القلاب يبخس تقدير كمية المطر. وقد ينتج الفشل أيضا بسبب آلية القلب التي تتعطل، وغالبا بفعل شبكة العنكبوت. علاوة على ذلك، قد يعمل البرد، الثلج، أعشاش الطيور، الحشرات، بيوت العناكب، وأوراق النباتات على سد القمع، مما يؤدي إلى فيضان. لهذا السبب، من الشائع وضع مقياسين منفصلين متجاورين، بحيث يمكن كشف الأخطاء وتصحيحها بسرعة.
مقياس المطر الوزني :
فإنه يجمع الماء في دلو منصوب على منصة متصلة بمقياس مدرج. وعند امتلاء الدلو، يدفع وزن ماء المطر المنصة إلى أسفل. ويتم رصد هذه الحركة ومعالجتها عن طريق الحاسوب.
مسجل المطر ذو العوامة :
إن إحدى طرق تسجيل زمن سقوط المطر هي استخدام مسجل ميكانيكي برميلي. بة عوامة ملتصقة بقلم داخل اسطوانة تجميع المياه. فإن ارتفع مستوى الماء في الاسطوانة، ترتفع العوامة ويتتبع قلم التسجيل التغير في الارتفاع على مخطط. يتصل المخطط ببرميل بآلية ساعة يدور ببطء. عندما تمتلئ اسطوانة التجميع، تقوم بالتفريغ تلقائيا عبر أنبوب سيفون داخل علبة تجميع أكبر تحتها. وعندما يحدث هذا، يغطس قلم التسجيل من أقصى حد إلى خط الصفر للمخطط وإن استمر المطر بالهطول، يبدأ في تسجيل خط متصاعد مرة أخرى. يجب استبدال المخطط بانتظام - أسبوعيا أو شهريا عادة- في الوقت الذي يتم فيه قياس محتويات علبة التجميع أيضا.
ومن مميزات استخدام هذا الجهاز تجميع سجلات المطر المتساقط لكل منطقة على حدة فى جداول خاصة يحسب منها متوسط التساقط الشهرى او السنوى لفترات طويلة. حيث توضع على الخرائط الكنتورية الخاصة بالمطر وتسمى بخرائط خطوط تساوى المطر وتشبة فى توقيعها خطوط تساوى الحرارة والضغط.
أمثلة محلولة :
بندول بسيط زمن ذبذبته 4.2 ثانية , فإذا نقص طول البندول مترا عن طوله الأصلي أصبح زمن الذبذبة 3.7 ثانية . أوجد عجلة الجاذبية الأرضية وكذا الطول الأصلى للبندول.
الحل :
نفرض طول البندول الأصلى L وزمن الذبذبة المناظر t , الطول الجديد (L - 1) وزمن الذبذبة له t1 :
بقسمة المعادلتين (1) و (2) نجد أن :
بالتربيع
ومنها نجد أن : L = 4.46 m
بالتعويض عن L = 4.46 فى المعادلة رقم (1) نجد أن : g = 9.9 m /sec2
سلك من النحاس قطره 2 مم علق راسيا من احد طرفيه وعلق في طرفه الأسفل ثقل معين ثم خفضت درجه حرارة السلك من 20م إلى الصفر المئوي فاوجد كتله الثقل اللازم إضافته إلى الاصلى حتى يبقى السلك بلا تغيير علما بان معامل المرونة للنحاس 1.1×1210 سم2 وان معامل التمدد الطولي للنحاس 0.18 ×10-6 درجه مئوية.
الحل : نفرض ان طول السلك عند درجه 20م هو l وان طوله عند درجه الصفر المئوي l0
حيث معامل التمدد الطولي للنحاس ، t درجه الحرارة
:. عند درجه حرارة الصفر يكون طول السلك lo ولكن نجعله l فلابد من وضع قوة f على السلك حسب المعادلة:
حيث y معامل يانج للسلك ، a مساحه مقطع السلك
1.1×10
BUT f = MG = M ×980
اوجد اقل ضغط يلزم لتشغيل رافع سيارات اذا علم ان مساحه المكبس الذي توضع فوقه السيارة 120 بوصه وان وزن السيارة والمكبس 3000 باوند.
الحل:
القوة = الضغط × المساحة
3000= p×120
p=25 IB/IN2
ارتفع السائل في أنبوبه شعرية 7 سم أعلى منه في الإناء الخارجي. اوجد قوة التوتر السطحي لهذا السائل اذا علم أن نصف قطر الانبوبه 0.1 مم وان كثافة السائل 800 كجم /متر3 وزاوية التماس صفرا .
الحل:
2π R t COS Θ = π R2 H Ρ G
2 t = R H Ρ G
t=1/2 × (0.1) × 10-3 × (7 ×10-2) × 800 × 9.8
= 0.274 NT/M
مسعر وضع به 200 سم3 من الكحول ووجد انه يبرد من 60م إلى 20م في 6 دقائق فرغ الكحول ووضع بالمسعر نفس الحجم من الماء فوجد انه يبرد من 60م إلى 20م في 8 دقائق. احسب الحرارة النوعية للكحول علما بان كثافته 0.8 جم / سم3 وان المكافئ المائي للمسعر 10 سعر/ درجه مئوية.
الحل:
حسب قانون للتبريد، حيث إن السائلين لها نفس درجه الحرارة الابتدائية وأنهما في نفس الوسط ويحتويهما نفس المسعر فان معدل فقد كميه الحرارة من الماء = معدل فقد كميه الحرارة من الكحول.
حيث M1 و S1 كتله الماء وحرارته النوعية، M2 و S2 كتله الكحول وحرارته النوعية وان المكافئ المائي للمسعر= MS
جسم كتلته 3 جم ودرجه حرارته 105 م وحرارته النوعية 0.095 سعر/جم/م اسقط فى مسعر اوجد المسافة التي يتحركها الزئبق في الانبوبه الشعرية اذا كان قطرها الداخلي 1.6مم علما بان الحرارة الكامنة لانصهار الجليد هى 80 سعر /جم ، وكثافته 0.917 /سم3.
الحل:
M1S (Ө1- Ө) = M2 L
3 × 0.095 × 105 = M2L
كتله الجليد المذاب ولكن 1 جم من الثلج يتغير حجمه بمقدار 0.083 سم 3 بعد الذوبانM2 حيث
V=M2 ×0.083
حيث v التغير فى الحجم الكلى
ولكن v= l(πR2)
v= 3.14×0.08×0.08×l
أذا كان معامل انكسار الضوء الأزرق لقطعه من الزجاج هو 1.643 وكان معامل انكسار الضوء الأحمر لنفس الزجاج 1.618 اوجد الفرق بين سرعتي الضوء الأزرق والأحمر في هذا الزجاج علما بان سرعه الضوء في الفراغ هي 3 ×810 متر /ثانيه.
الحل :
نفرض أن V0 سرعه الضوء في الهواء ، V1 سرعه الضوء الأزرق في الزجاج الذي معامل انكساره N1 وان N0 معامل انكسار الهواء.
وبالنسبة للضوء الأحمر فان سرعته V2 تعطى من المعادلة :
في جهاز بلفرتش لتعيين معامل انكسار سائل وجد أن زاوية خروج الشعاع الضوئي من المنشور 60 اوجد معامل انكسار السائل أذا كان معامل انكسار مادة المنشور 1.6 .
الحل:
نفرض أن معامل انكسار السائل وان N1 معامل انكسار ماده المنشور وان زاوية خروج الشعاع من المنشور هي I يتكون:
=1.35
أنبوبه طولها 25 سم بها محلول كثافته الضوئية 0.5 اوجد معامل امتصاص المحلول للضوء وكذا معامل الانطفاء له.
الحل.
الكثافة الضوئية تعطى بالعلاقة:
=kl ولكن
ولكن : حيث k هو معامل الانطفاء ، l طول الانبوبه:
عبارة عن تجمع مرئي لجزيئات دقيقة من الماء أو الجليد أو كليهما معا يتراوح قطرها ما بين 1 إلى 100 ميكرون تبدو سابحة في الجو على ارتفاعات مختلفة كما تبدو بأشكال وأحجام وألوان متباينة، كما تحتوي على بخار الماء والغبار وكمية هائلة من الهواء الجاف ومواد سائلة أخرى وجزيئات صلبة منبعثة من الغازات الصناعية.
وهى عبارة عن شكل من أشكال الرطوبة الجوية التي يمكن رؤيتها بالعين المجرّدة، حيث أنّ الشمس، التي تعتبر المحرك الأساسي لدورة الماء، تقوم بتسخين المحيطات التي تحوّل جزءاً من مياهها من حالتها السائلة إلى بخار، فتقوم التيارات الهوائية المتصاعدة بأخذ بخار الماء إلى داخل الغلاف الجوي (حيث درجات الحرارة المنخفضة) فيتكاثف الهواء المشبّع ببخار الماء مكونا بذلك جزيئات الماء السائلة أو المتجمدة فتمتزج بذرات الغبار مشكلة بذلك السحب. بما أن درجة كثافة السحب هي من 10 إلى 100 مرة أقل من درجة كثافة الهواء فإنّها تطفوا في السماء، أما ما يفسر تحرك السحب عبر الرياح هو الحركة الدائمة لجزيئات الهواء التي تدفع كل الكتل التي تحتك بها بما في ذلك السحب.
أنواع السحب :
تصنيف السحب من حيث طبيعة تكوينها ومظهرها العام إلى ثلاث مجموعات هي:
السحب الطبقية (Stratus) : تظهر هذه السحب على شكل طبقات رقيقة فوق بعضها، وغالباً فهي ليست ممطرة.
السحب الركامية (Cumulus) : تبدو هذه السحب في شكلها الخارجي مثل رأس القرنبيط على هيئة كتل منفصلة، وهي ترتبط ارتباطاً قوياً بالتيارات الهوائية الصاعدة. يكثر تشكل السحب الركامية في المناطق الاستوائية والأجزاء الماطرة من المناطق المدارية ومناطق أخرى. يسقط منها زخات من المطر الغزير مصحوبة برياح قوية، وتعرف حينها بالمزن الركامي (Cumulonimbus) الذي يعتبر من أكثر أنواع السحب أمطاراً.
سحب السمحاق (Circus) : وهي أعلى أنواع السحب، تتكون في طبقات الجو العليا على ارتفاع يتراوح بين (6-15كم)، وهي سحب رقيقة تشبه في شكلها الريش أو الصوف المنفوش وذات لون أبيض، ويتكاثف بخار الماء فيها على شكل بلورات ثلجية، وهي سحب لا تسقط أمطاراً في العادة.
تصنف السحب تبعاً لارتفاعها إلى ثلاثة أقسام هي:
السحب المنخفضة: وهي السحب التي يقل مستواها عن (2000 متر)، وتشمل السحب : الركامية والطبقية والركامية الطبقية والمزن الطبقية والمزن الركامية.
السحب المتوسطة: وتتكون على مستويات تتراوح ما بين (2000-6000 متر) وتشمل : سحباً طبقية متوسطة الارتفاع وسحباً ركامية متوسطة الارتفاع.
السحب العالية : وتتكون على مستويات يتراوح ارتفاعها بين (6000-15000 متر)، وتشمل سحب السمحاق الركامي والسمحاق الطبقي.
المطر : Rain
يعتبر المطر من أهم مظاهر تكاثف بخار الماء في الهواء، وترجع هذه الأهمية إلى الصلة الوثيقة بينه وبين مختلف أنواع الحياة على سطح الأرض. ويحدث التساقط نتيجة لعملية تكاثف البخار العالق بالهواء ويبدأ التساقط عندما يبلغ قطر القطرات المائية المكونة للسحب 0,1 سم أي عندما يصعب على الهواء حمل هذه القطرات المائية لثقلها، ولذا إذا كان التكاثف يؤدي حتما إلى تكوين السحب فإن السحاب لا يؤدي حتما إلى التساقط، والسبب في هذا كون القطرات المائية المكونة للسحب أصفر بكثير من قطرات التهاطل.
وهناك العديد من العوامل تؤثر على سقوط الأمطار من هذه العوامل :
اتجاه الرياح : يؤدي اتجاه الرياح دوراً هاماً في كمية بخار الماء التي تحملها الرياح. فإذا هبت الرياح من البحر أو مسطح مائي كبير إلى اليابس فهذه الرياح تكون رطبة، ومحملة ببخار الماء، الذي يؤدى إلى سقوط أمطار. بينما لو كانت الرياح متجهة من اليابس إلى البحر فإنها تكون رياحاً جافة، وتقل فيها الرطوبة، ويُطلق عليها اسم الرياح الجافة وفرصة سقوط الأمطار بسببها تكاد تكون منعدمة.
درجة الحرارة : يعمل ارتفاع درجة الحرارة على زيادة عمليات التبخر، خاصة المسطحات المائية، مما يؤدى إلى ازدياد الرطوبة في الهواء، ويساعد ذلك على نشاط التيارات الهوائية الصاعدة، وسقوط الأمطار في الجهات، التي تتوفر بها المسطحات المائية. أمّا إذا حدث العكس، خاصة في المناطق، التي يقل بها المسطحات المائية، فيلاحظ أن انخفاض درجة الحرارة يؤدى إلى انخفاض نسبة الرطوبة في الهواء وعدم حدوث أي تكاثف.
الموقع الجغرافي : يؤثر قرب أو بُعد المناطق عن البحار والمحيطات على توزيع الأمطار وكمياتها، فالمناطق، التي تحيط بها بحار واسعة ومسطحات مائية كبيرة، تكون في الغالب أكثر مطراً من المناطق، التي تبعد عن البحار، ولذا تُعد الجهات الساحلية من أغزر الجهات مطراً في العالم.
التضاريس : تجذب المرتفعات وقمم الجبال كمية كبيرة من الأمطار، أكثر من الكميات، التي تستقبلها السهول، ويرجع سبب ذلك إلى أن القمم الجبلية تعمل على إعاقة الرياح وإجبارها إلى الارتفاع إلى أعلى فيحدث نتيجة لذلك سقوط الأمطار.
وتنقسم الأمطار تبعاً للظروف التي تسقط بسببها إلى ثلاثة أنواع هي:
الأمطار الانقلابية أو أمطار التيارات الصاعدة : Convectional Rain
و هو المطر الناتج عن صعود الهواء الرطب كما في مناطق الرهو الاستوائية حيث تشتد الحرارة و تتصاعد التيارات الهوائية إلى طبقات الجو العليا فتبرد و يتكاثف ما بها من بخار الماء فيسقط المطر و تتوقف غزارة هذا المطر على عاملين هما : كمية بخار الماء التي يحملها الهواء ثم درجة حرارة الطبقات العليا التي تصعد إليها السحب و يكثر هذا النوع من الأمطار في المناطق الاستوائية و المدارية حيث يسقط بصورة منتظمة في جميع فصول السنة و يحدث التصاعد الهوائي أثناء النهار الحار و يتساقط المطر في المساء و السحب المصاحبة لهذا النوع من المطر هي الركامي و يتصف المطر بالغزارة و في هيئة وابل و لهذا قد يضر بالمحاصيل كما أن الجريان السطحي الغزير قد يجرف التربة و يؤدي إلى تعريتها.
الأمطار التضاريسية Orographic or Relief Rain
يزداد المعدل السنوي للأمطار في المناطق المعتدلة والباردة كلما ازداد الارتفاع (ارتفاع التضاريس)، ويعود سبب ذلك إلى أن الرياح تضطر إلى الارتفاع عندما تصطدم بسلاسل جبلية ضخمة ، وذلك كي تتمكن من اجتياز تلك السلاسل، فتنخفض درجة حرارتها ويبرد بخار الماء فيها ويحدث التكاثف وتتكون السحب، وتسقط الأمطار.
تعتبر السفوح الجبلية المواجهة للرياح الرطبة أكثر أمطاراً من السفوح الأخرى المحجوبة عنها والتي تقع في ظل المطر (Rain shadow)، وأن أغزر الأمطار لا تسقط على قمم الجبال نفسها، بل على المنطقة التي تليها مباشرة، ويعزى سبب ذلك إلى أن الرياح لا تتوقف عن الارتفاع بعد وصولها إلى القمم الجبلية مباشرة، بل تستمر في الارتفاع قليلاً، خاصة إذا كانت الكتلة الهوائية غير مستقرة.
وإضافة إلى ما يترتب على اعتراض الجبال للرياح الرطبة من زيادة في الأمطار، فإن تلك المرتفعات تزيد من اضطراب الرياح وعدم استقرارها، كما تساعد في نشاط تيارات الحمل وزيادة حدتها.
ويعتبر تزايد الأمطار بالارتفاع ظاهرة عامة في المناطق المعتدلة والباردة، وتسقط أغزر الأمطار على المناطق الجبلية المرتفعة القريبة من المسطحات المائية والمتعامدة مع اتجاه الرياح، خاصة وأن السحب السائدة في المناطق المعتدلة والباردة هي في الغالب سحب طبقية مرتفعة، ولهذا تزداد معدلات الأمطار مع زيادة الارتفاع. أما في المناطق المدارية، فقد وجد أن الأمطار فيها لا تستمر في الزيادة بالارتفاع إلا إلى حد معين، ثم تأخذ بالتناقص، فالحد الأقصى من الارتفاع الذي تتوقف عنده الأمطار عن الزيادة في مرتفعات جزيرة جاوه الاندونيسية هو (1200متر) ، ويعود السبب في ذلك إلى أن السحب المدارية الماطرة هي في الغالب سحب ركامية منخفضة، لا يزيد ارتفاع قممها على (3000متر)، بينما يكون مستوى قواعدها الذي تتركز فيه الأمطار دون ذلك بكثير.
الأمطار الإعصارية أو أمطار الجبهات
Cyclonic or Frontal and Convergent Rain
وهو مطر الرياح العكسية التي تكثر بها الانخفاضات الجوية المسماة بالأعاصير و من أمثلتها أمطار البحر المتوسط و أمطار غرب أوروبا و يتسبب في سقوطه مرور الأعاصير أو الانخفاضات الجوية إذ يحدث أن يجذب الإعصار تيارين هوائيين مختلفي المصدر من حيث درجة الحرارة كأن يأتي تيار من الشمال البارد و آخر من الجنوب الدافئ أو الحار و حينما يتقابلان تحدث عملية تصعيد الهواء الدافئ لأنه أخف وزنا و حينما يعلو فإنه يبرد و يتكاثف ما به من بخار الماء فيسقط المطر و يكثر المطر حينما يكون الهواء الصاعد غزير الرطوبة .
قياس الامطار : Measurement of Rain
يعبر عن كمية الامطار الساقطة بالوحدات الطولية متل الملليمتر والبوصة وتقاس الامطار بواسطة حساب حجم الكمية التى تسقط خلال فتحة حوض استقبال مقسومة على مساحة هذا الحوض, فيكون الناتج عبارة عن سمك او عمق الماء المتساقط على محدة المساحات بالوحدات الطولية. وتنقسم شدة تساقط المطر الى :
مطر خفيف : اذا معدل سقوط المطر بعمق يبدأ من اثار قليلة حتى 2,5 مم/ساعة,
مطر متوسط : اذا معدل سقوط المطر بعمق اكثر من 2,5 وحتى 7,6 مم/ساعة.
مطر شديد : اذا معدل سقوط المطر بعمق يزيدعن 7,6 مم/ساعة.
وتقاس كمية المطر بواسطة اجهزة تسمى باجهزة قياس المطر. وتوضع هذه الاجهزة دائما فى العراء فى محطة الأرصاد الجوية, ويوجد منها عدة انواع :
مقياس المطر القياسي
تم اختراع مقياس المطر الأكثر شيوعا - المستخدم حاليا بواسطة أقسام الرصد الرسمية والمطارات- قبل أكثر من 100 عام. وهو يتألف من اسطوانة كبيرة مع قمع وأنبوب قياس أصغر داخلها. يبلغ طول مقياس المطر "الرسمي" الذي حدده مكتب الولايات المتحدة للطقس 50 سم بأنبوب قطره 20 سم. يتم تجميع الماء في أنبوب قياس يمتلك عشر المنطقة المقطعية العرضية لسطح القمع. نتيجة لذلك، فإن ارتفاع الماء المجمع في أنبوب القياس يبلغ بالضبط 10 أضعاف ما سيكون عليه لو تم تجميعه في الاسطوانة لوحدها. مثلا، من شأن عشر واحد لسنتيمتر من هطول المطر أن يملأ سنتيمتر واحد من أنبوب القياس. إن هذه المبالغة بارتفاع الماء في الأنبوب يمكن علماء الأرصاد الجويين من إجراء قياسات دقيقة لهطول المطر. يتم تدريج عصاه قياس خاصة في أنبوب القياس لأخذ المبالغة بعين الاعتبار.
يمكن لمقياس المطر القياسي أن يقيس ما مقدراه 5 سم من المطر (1,97 بوصة). إذا تجاوز هطول المطر خمس سنتيمتر، يفيض الماء داخل الاسطوانة المحيطة بأنبوب القياس. ولحساب إجمالي كيمه المطر، يقوم المشرف بإفراغ 5 سم في أنبوب القياس الكامل، ثم يأخذ الماء الموجود في الاسطوانة ويسكبه بحذر في الأنبوب الفارغ حاليا. بإضافة هذا العيار إلى السنتيمترات الخمس، ينتج المقدار النهائي لكمية المطر.
مقياس المطر ذو الدلو القلاب :
يسجل مقياس المطر ذو الدلو القلاب الزمن الذي يقلب فيه أحد الدلوين المصممين لهذا الغرض، الأمر الذي يحدث عندما يسقط حجم معين من الماء فيه (عادة 0,1 سم أو 0,1 بوصة ) .عندما ينقلب أحد الدلوين، يتحرك الآخر بسرعة للمكان المخصص لاستيعاب الوحدة التالية من المطر المتساقط. وفي كل مرة ينقلب فيها الدلو، يتم إرسال إشارة إلكترونية لمسجل موصول بساعة. في معظم مقاييس الدلو القلابة ، يرشح الماء من القاع، وهكذا ليس هنالك حاجة لإفراغه يدويا. ويتيح هذا الجهاز تحديد كمية المطر الذي هطل أثناء فترات زمنية معينة دون حضور أي شخص في محطة الطقس. إضافة لمعرفة حجم المطر الذي سقط خلال فترة زمنية محددة، من المفيد أيضا معرفة كثافته. على سبيل المثال، يمكن لخمس سنتيمترات تسقط طوال يوم معين أن ترشح بأمان، إلا أن نفس الكمية المتساقطة خلال ساعة واحدة قد تتسبب بفيضان فوري.
يعتبر مقياس المطر ذو الدلو القلاب جيد بشكل خاص في قياس هطول المطر الخفيف إلى المتوسط. وخلال سقوط خفيف جدا للمطر، فإن المطر المتجمع في جدول قد لا يكون كافيا لقلبه وقد يتبخر قبل إضافة المزيد. وخلال السقوط الغزير جدا للمطر، مثل العواصف الرعدية، قد يستمر الماء بالانهمار على الدلو بينما يقوم بالتفريغ، قبل أن يتحرك الدلو التالي إلى المكان المخصص. نتيجة لذلك، فإن مقياس المطر ذو الدلو القلاب يبخس تقدير كمية المطر. وقد ينتج الفشل أيضا بسبب آلية القلب التي تتعطل، وغالبا بفعل شبكة العنكبوت. علاوة على ذلك، قد يعمل البرد، الثلج، أعشاش الطيور، الحشرات، بيوت العناكب، وأوراق النباتات على سد القمع، مما يؤدي إلى فيضان. لهذا السبب، من الشائع وضع مقياسين منفصلين متجاورين، بحيث يمكن كشف الأخطاء وتصحيحها بسرعة.
مقياس المطر الوزني :
فإنه يجمع الماء في دلو منصوب على منصة متصلة بمقياس مدرج. وعند امتلاء الدلو، يدفع وزن ماء المطر المنصة إلى أسفل. ويتم رصد هذه الحركة ومعالجتها عن طريق الحاسوب.
مسجل المطر ذو العوامة :
إن إحدى طرق تسجيل زمن سقوط المطر هي استخدام مسجل ميكانيكي برميلي. بة عوامة ملتصقة بقلم داخل اسطوانة تجميع المياه. فإن ارتفع مستوى الماء في الاسطوانة، ترتفع العوامة ويتتبع قلم التسجيل التغير في الارتفاع على مخطط. يتصل المخطط ببرميل بآلية ساعة يدور ببطء. عندما تمتلئ اسطوانة التجميع، تقوم بالتفريغ تلقائيا عبر أنبوب سيفون داخل علبة تجميع أكبر تحتها. وعندما يحدث هذا، يغطس قلم التسجيل من أقصى حد إلى خط الصفر للمخطط وإن استمر المطر بالهطول، يبدأ في تسجيل خط متصاعد مرة أخرى. يجب استبدال المخطط بانتظام - أسبوعيا أو شهريا عادة- في الوقت الذي يتم فيه قياس محتويات علبة التجميع أيضا.
ومن مميزات استخدام هذا الجهاز تجميع سجلات المطر المتساقط لكل منطقة على حدة فى جداول خاصة يحسب منها متوسط التساقط الشهرى او السنوى لفترات طويلة. حيث توضع على الخرائط الكنتورية الخاصة بالمطر وتسمى بخرائط خطوط تساوى المطر وتشبة فى توقيعها خطوط تساوى الحرارة والضغط.
أمثلة محلولة :
بندول بسيط زمن ذبذبته 4.2 ثانية , فإذا نقص طول البندول مترا عن طوله الأصلي أصبح زمن الذبذبة 3.7 ثانية . أوجد عجلة الجاذبية الأرضية وكذا الطول الأصلى للبندول.
الحل :
نفرض طول البندول الأصلى L وزمن الذبذبة المناظر t , الطول الجديد (L - 1) وزمن الذبذبة له t1 :
بقسمة المعادلتين (1) و (2) نجد أن :
بالتربيع
ومنها نجد أن : L = 4.46 m
بالتعويض عن L = 4.46 فى المعادلة رقم (1) نجد أن : g = 9.9 m /sec2
سلك من النحاس قطره 2 مم علق راسيا من احد طرفيه وعلق في طرفه الأسفل ثقل معين ثم خفضت درجه حرارة السلك من 20م إلى الصفر المئوي فاوجد كتله الثقل اللازم إضافته إلى الاصلى حتى يبقى السلك بلا تغيير علما بان معامل المرونة للنحاس 1.1×1210 سم2 وان معامل التمدد الطولي للنحاس 0.18 ×10-6 درجه مئوية.
الحل : نفرض ان طول السلك عند درجه 20م هو l وان طوله عند درجه الصفر المئوي l0
حيث معامل التمدد الطولي للنحاس ، t درجه الحرارة
:. عند درجه حرارة الصفر يكون طول السلك lo ولكن نجعله l فلابد من وضع قوة f على السلك حسب المعادلة:
حيث y معامل يانج للسلك ، a مساحه مقطع السلك
1.1×10
BUT f = MG = M ×980
اوجد اقل ضغط يلزم لتشغيل رافع سيارات اذا علم ان مساحه المكبس الذي توضع فوقه السيارة 120 بوصه وان وزن السيارة والمكبس 3000 باوند.
الحل:
القوة = الضغط × المساحة
3000= p×120
p=25 IB/IN2
ارتفع السائل في أنبوبه شعرية 7 سم أعلى منه في الإناء الخارجي. اوجد قوة التوتر السطحي لهذا السائل اذا علم أن نصف قطر الانبوبه 0.1 مم وان كثافة السائل 800 كجم /متر3 وزاوية التماس صفرا .
الحل:
2π R t COS Θ = π R2 H Ρ G
2 t = R H Ρ G
t=1/2 × (0.1) × 10-3 × (7 ×10-2) × 800 × 9.8
= 0.274 NT/M
مسعر وضع به 200 سم3 من الكحول ووجد انه يبرد من 60م إلى 20م في 6 دقائق فرغ الكحول ووضع بالمسعر نفس الحجم من الماء فوجد انه يبرد من 60م إلى 20م في 8 دقائق. احسب الحرارة النوعية للكحول علما بان كثافته 0.8 جم / سم3 وان المكافئ المائي للمسعر 10 سعر/ درجه مئوية.
الحل:
حسب قانون للتبريد، حيث إن السائلين لها نفس درجه الحرارة الابتدائية وأنهما في نفس الوسط ويحتويهما نفس المسعر فان معدل فقد كميه الحرارة من الماء = معدل فقد كميه الحرارة من الكحول.
حيث M1 و S1 كتله الماء وحرارته النوعية، M2 و S2 كتله الكحول وحرارته النوعية وان المكافئ المائي للمسعر= MS
جسم كتلته 3 جم ودرجه حرارته 105 م وحرارته النوعية 0.095 سعر/جم/م اسقط فى مسعر اوجد المسافة التي يتحركها الزئبق في الانبوبه الشعرية اذا كان قطرها الداخلي 1.6مم علما بان الحرارة الكامنة لانصهار الجليد هى 80 سعر /جم ، وكثافته 0.917 /سم3.
الحل:
M1S (Ө1- Ө) = M2 L
3 × 0.095 × 105 = M2L
كتله الجليد المذاب ولكن 1 جم من الثلج يتغير حجمه بمقدار 0.083 سم 3 بعد الذوبانM2 حيث
V=M2 ×0.083
حيث v التغير فى الحجم الكلى
ولكن v= l(πR2)
v= 3.14×0.08×0.08×l
أذا كان معامل انكسار الضوء الأزرق لقطعه من الزجاج هو 1.643 وكان معامل انكسار الضوء الأحمر لنفس الزجاج 1.618 اوجد الفرق بين سرعتي الضوء الأزرق والأحمر في هذا الزجاج علما بان سرعه الضوء في الفراغ هي 3 ×810 متر /ثانيه.
الحل :
نفرض أن V0 سرعه الضوء في الهواء ، V1 سرعه الضوء الأزرق في الزجاج الذي معامل انكساره N1 وان N0 معامل انكسار الهواء.
وبالنسبة للضوء الأحمر فان سرعته V2 تعطى من المعادلة :
في جهاز بلفرتش لتعيين معامل انكسار سائل وجد أن زاوية خروج الشعاع الضوئي من المنشور 60 اوجد معامل انكسار السائل أذا كان معامل انكسار مادة المنشور 1.6 .
الحل:
نفرض أن معامل انكسار السائل وان N1 معامل انكسار ماده المنشور وان زاوية خروج الشعاع من المنشور هي I يتكون:
=1.35
أنبوبه طولها 25 سم بها محلول كثافته الضوئية 0.5 اوجد معامل امتصاص المحلول للضوء وكذا معامل الانطفاء له.
الحل.
الكثافة الضوئية تعطى بالعلاقة:
=kl ولكن
ولكن : حيث k هو معامل الانطفاء ، l طول الانبوبه: