علم الأرصاد الجوية يهتم بدراسة الغلاف الجوي وظواهره المتعددة، وكيفية تأثيرها على الظواهر الجوية التي نشهدها يومياً. يعرف الغلاف الجوي ببساطة على أنه الغلاف الغازي الذي يحيط بالكوكب، وهو يمتد لارتفاع يتراوح بين حوالي 100 إلى 125 كيلومتراً عن سطح الأرض، حيث يتكون من مجموعة متنوعة من الغازات والجسيمات.

يؤثر الغلاف الجوي بشكل كبير على الطقس الذي نتعرض له، حيث يشكل مدى الحرارة والرطوبة وسرعة الرياح واتجاهها وغيرها من العوامل الأساسية التي تحدد حالة الطقس في منطقة معينة في أي وقت محدد. على سبيل المثال، يؤثر تسخين الشمس لسطح الأرض بشكل غير متساوٍ على تدفقات الهواء وتكوين المنخفضات الجوية والمرتفعات، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين أحوال جوية مختلفة كالأمطار والعواصف والضباب.

وتعمل الجاذبية على منع الغلاف الجوي من الانتشار بعيداً إلى الفضاء الخارجي، حيث يتراجع تدريجياً بارتفاع الارتفاع، مما يجعل الهواء أكثر كثافة قرب سطح الأرض وأقل كثافة على ارتفاعات عالية. هذا التأثير الجاذبي يلعب دوراً رئيسياً في تحديد التوزيع العام للطقس والتيارات الهوائية حول العالم.

يمثل علم الأرصاد الجوية جزءاً أساسياً من الفهم لكيفية تفاعل الطبيعة مع البيئة المحيطة بها، ويساعدنا على التنبؤ بالظواهر الجوية المختلفة وتقديم الإنذارات المبكرة لحماية الحياة البشرية والممتلكات.

علم الارصاد الجوية من فروع علم الغلاف الجوي

علم الأرصاد الجوية هو فرع فرعي من علوم الغلاف الجوي، حيث يُعنى بدراسة الظواهر والتغيرات الجوية في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي. يعتبر علم الأرصاد الجوية جزءًا مهمًا من البحث العلمي الذي يركز على فهم الظواهر الجوية وتوقعها لتقديم الإنذارات والمعلومات اللازمة للتعامل مع تأثيرات الطقس على حياة البشر والبيئة.

بجانب علم الأرصاد الجوية، هناك فرعان فرعيان آخران من علوم الغلاف الجوي، هما علم المناخ وعلم الأيونوسفير. يهتم علم المناخ بدراسة النماذج الطبيعية والاصطناعية للتغيرات الجوية على المدى الطويل، وكيفية تأثير هذه التغيرات على المناخ العام للكوكب. بينما يركز علم الأيونوسفير على دراسة الطبقات العليا للغلاف الجوي حيث تحدث عمليات كيميائية وفيزيائية معقدة، مثل تشكيل الأيونات والتفاعلات الكيميائية التي تحدث في الطبقات العليا من الجو.

يعمل علماء الأرصاد الجوية وعلماء المناخ وعلماء الأيونوسفير معًا لفهم وتفسير تأثيرات الغلاف الجوي على حياة الكائنات الحية والنظم البيئية، وللتنبؤ بالظواهر الجوية المختلفة وتطوير استراتيجيات لمواجهة تغيرات الطقس والمناخ.

أهمية علم الارصاد الجوية

خبراء الأرصاد الجوية يعتمدون على المبادئ العلمية لمراقبة وتحليل الظواهر الجوية، ويقومون بتوقع حالة الطقس بناءً على تلك الملاحظات والتحليلات. يركزون غالبًا على الأبحاث الجوية والتنبؤ بالطقس التشغيلي، حيث يتابعون عن كثب التغيرات في الغلاف الجوي وكيفية تأثيرها على الظروف الجوية المحلية والعالمية.

تشمل مجالات اهتمام خبراء الأرصاد الجوية العديد من الفروع الفرعية، مثل النمذجة المناخية التي تهدف إلى تطوير نماذج محاكاة لتنبؤ أنماط وتغيرات الطقس على المدى الطويل. كما يشمل تخصصهم استخدام التقنيات الحديثة مثل الاستشعار عن بعد لرصد وتحليل الظواهر الجوية من مسافات بعيدة.

يدرس ايضا خبراء الأرصاد الجوية نوعية الهواء وتأثيرها على الصحة العامة والبيئة، ويبحثون في الفيزياء الجوية لفهم العمليات والظواهر التي تحدث في الغلاف الجوي. ويسعون أيضًا إلى فهم علاقة الغلاف الجوي بالمناخ والتأثيرات المتبادلة مع الأرض والمحيطات والحياة البيولوجية، وذلك لتطوير استراتيجيات فعالة للتكيف مع التغيرات المناخية وحماية البيئة والمجتمعات.

اهم ما يعتمده علماء الارصاد الجوية لدراسة الطقس

المتنبئون بالطقس يعتمدون على البحوث العلمية وبيانات الغلاف الجوي لتقديم تقييم علمي للحالة الحالية للطقس وتوقعات لحالته المستقبلية. يتم جمع البيانات الجوية من مصادر متنوعة مثل محطات الأرصاد الجوية والسفن والعوامات والطائرات والرادارات ومناطيد الطقس والأقمار الصناعية.

تنتقل هذه البيانات إلى مراكز تحليل الطقس في جميع أنحاء العالم حيث يتم إجراء تحليلات حاسوبية شاملة للطقس العالمي. ومن ثم، يتم نقل التحليلات إلى المراكز الوطنية والإقليمية للطقس، حيث يتم تغذية هذه البيانات إلى أجهزة الكمبيوتر التي تُحاكي الحالة المستقبلية للغلاف الجوي.

هذه العملية المُعقدة لنقل وتحليل البيانات توضح كيفية تعاون متكامل بين مختلف المراكز والمصادر لفهم الطقس بشكل شامل وتوفير تنبؤات دقيقة للظروف الجوية المستقبلية. تُظهر هذه الطريقة الشاملة لدراسة وتحليل الطقس كيفية تكامل الجهود بين مختلف الجهات لتحسين فهمنا لعمليات الطقس وتوفير التنبؤات الدقيقة التي تساهم في سلامة الحياة البشرية والممتلكات.

مقاييس علم الأرصاد الجوية

مقاييس علم الأرصاد الجوية تتنوع بحسب الزمان والمكان، وتشمل المقاييس المجهرية، والمتوسطة، والسنوبتيكية، والعالمية. تُركز هذه المقاييس على تحليل الظواهر الجوية بناءً على مستويات مختلفة من التفصيل والزمان. ويُشير الخبراء الأرصاد الجوية عادة إلى مقياس محدد أثناء أداء مهامهم.

علم الأرصاد الجوية المجهرية

يركز على الظواهر الصغيرة التي تتراوح في حجمها بين بضعة سنتيمترات إلى بضعة كيلومترات، وتستمر لفترات زمنية قصيرة (أقل من يوم). وتؤثر هذه الظواهر على مناطق جغرافية صغيرة جداً، وعلى درجات الحرارة والتضاريس لهذه المناطق.

عادة ما يقوم علماء الأرصاد الجوية المتخصصون في هذا المجال بدراسة العمليات التي تحدث بين التربة والنباتات والمياه السطحية على مستوى سطح الأرض. يقومون بقياس نقل الحرارة والغاز والسوائل بين هذه السطوح، ويشمل ذلك دراسة الكيمياء الجوية.

تتضمن أمثلة على علم الأرصاد الجوية المجهرية تتبع الملوثات الجوية، حيث يُعتبر برنامج MIRAGE-Mexico مثالاً على التعاون بين خبراء الأرصاد الجوية في الولايات المتحدة والمكسيك. يركز هذا البرنامج على دراسة التحولات الكيميائية والفيزيائية للغازات والهباء في التلوث الجوي المحيط بمدينة مكسيكو، ويستخدم ملاحظات من محطات الرصد الأرضية والطائرات والأقمار الصناعية لتتبع الملوثات وتحليلها.

علم الأرصاد الجوية المتوسطة

تشمل ظواهر علم الأرصاد الجوية المتوسطة الحجم الظواهر التي تتراوح بين بضعة كيلومترات إلى حوالي 1000 كيلومتر (620 ميلاً). من بين هذه الظواهر الهامة تبرز المجمعات الحملانية المتوسطة الحجم (MCC) والأنظمة الحملانية المتوسطة الحجم (MCS)، والتي يعود سبب حدوثهما إلى مبدأ الحمل الحراري المهم في علم الأرصاد الجوية.

يتجلى الحمل الحراري كعملية دورية، حيث يصعد الهواء الدافئ – الذي يكون أقل كثافة – نحو الأعلى، بينما يهبط الهواء البارد والأكثر كثافة نحو الأسفل. والمادة السائلة التي يركز عليها معظم خبراء الأرصاد الجوية هي الهواء (والذي يتصرف كسائل). وينتج عن الحمل الحراري نقل للطاقة والحرارة والرطوبة – وهي العوامل الأساسية لتشكيل الظروف الجوية.

في كل من MCC و MCS، يتم تسخين مساحات كبيرة من الهواء والرطوبة خلال ساعات النهار، عندما تكون زاوية الشمس في أعلى مستوياتها. ومع صعود كتل الهواء الدافئة هذه إلى الغلاف الجوي الأكثر برودة، يتكثف البخار الماء لتشكيل الغيوم، ويتحول إلى هطول مطري.

المجمع الحملاني المتوسط الحجم (MCC) هو نظام سحابي يتكون من غيمة واحدة قد تمتد حتى تصل إلى حجم ولاية أوهايو، ويُسفر عنه هطول أمطار غزيرة وفيضانات. أما النظام الحملاني المتوسط الحجم (MCS) فهو مجموعة أصغر من العواصف الرعدية تدوم لعدة ساعات. يتفاعل كل من MCC و MCS مع عمليات نقل مميزة للطاقة والحرارة والرطوبة التي تحدث نتيجة للحمل الحراري.

حملة ميدانية مشتركة تحت اسم دراسة كيمياء الغيوم الحملانية العميقة (DC3) هي برنامج يهدف إلى دراسة العواصف والرعد في ولايات كولورادو وألاباما وأوكلاهوما. تسعى هذه الحملة لفهم كيفية تأثير الحمل الحراري على تشكيل وحركة العواصف، بما في ذلك تطور البرق، وكذلك دراسة تأثيرها على حركة الطائرات وأنماط الطيران. سيعتمد برنامج DC3 على البيانات التي تم جمعها من طائرات الاستطلاع المزودة بأجهزة قادرة على التحليق فوق قمم العواصف.

علم الأرصاد الجوية بمقياس سنوبتيكي

في علم الأرصاد الجوية بمقياس سنوبتيكي، تشمل الظواهر التي تعتبر بمقياس سنوبتيكي مساحات شاسعة تبلغ عدة مئات أو حتى آلاف الكيلومترات. وتُعتبر أنظمة الضغط العالي والضغط المنخفض التي تظهر في توقعات الطقس المحلية أمثلة على هذه الظواهر. ويُعد الضغط، بما له من تأثير كبير مثل الحمل الحراري، مبدءا أساسيًا في علم الأرصاد الجوية، ويشكل أساسًا لأنظمة الطقس الواسعة النطاق مثل الأعاصير والكتل الباردة القاسية.

تحدث أنظمة الضغط المنخفض عندما يكون الضغط الجوي على سطح الأرض أقل من الضغط المحيط بها. وتنتقل الرياح والرطوبة من المناطق ذات الضغط المرتفع نحو أنظمة الضغط المنخفض. ينجم عن هذا التحرك، إلى جانب تأثير كوريوليس والاحتكاك، دوران النظام عكس عقارب الساعة في نصف الكرة الشمالي وعلى العكس في نصف الكرة الجنوبي، مما يؤدي إلى تشكيل الأعاصير. وتتحرك الأعاصير بشكل عمودي لأعلى، مما يسمح للهواء الرطب بالارتفاع والتمدد والتكثف لتشكيل الغيوم. وتؤدي حركة الرطوبة والهواء هذه إلى غالبية الظواهر الجوية التي نشهدها.

الأعاصير المدارية هي نتاج لأنظمة الضغط المنخفض، حيث تتشكل فوق المياه الاستوائية في نصف الكرة الغربي. تمتص هذه الأنظمة كميات هائلة من الرطوبة الدافئة من سطح البحر، مما يتسبب في حدوث الحمل الحراري. وهذا الحمل الحراري يؤدي بدوره إلى زيادة سرعة الرياح وانخفاض الضغط الجوي. وعندما تتجاوز سرعة هذه الرياح الـ 119 كيلومترًا في الساعة (74 ميلاً في الساعة)، يُصنف هذا النظام على أنه إعصار مداري.

تعتبر الأعاصير المدارية واحدة من أخطر الكوارث الطبيعية في نصف الكرة الغربي. ويصدر المركز الوطني للأعاصير (NHC) في مدينة ميامي بولاية فلوريدا بانتظام توقعات وتقارير حول جميع الأنظمة الجوية الاستوائية. وخلال موسم الأعاصير، يصدر خبراء الأعاصير توقعات وتحذيرات لكل عاصفة مدارية في غرب المحيط الأطلسي الاستوائي وشرق المحيط الهادئ الاستوائي. وتعتمد الشركات والسلطات الحكومية في الولايات المتحدة ومنطقة البحر الكاريبي وأمريكا الوسطى وأمريكا الجنوبية على تلك التوقعات التي يصدرها المركز الوطني للأعاصير.

أنظمة الضغط العالي

تتكون حيث يكون الضغط الجوي على سطح الأرض أعلى من المناطق المحيطة بها. يتجه هذا الضغط إلى الهبوط الرأسي للهواء، مما يسمح بتدفق الهواء الجاف والصافي.

يُعتبر الهواء القطبي الشديد البرودة نتيجة لأنظمة الضغط العالي التي تتشكل فوق القطب الشمالي وتتحرك فوق نصف الكرة الشمالي. يتشكل هذا الهواء البارد بشكل رئيسي فوق المناطق المغطاة بالجليد والثلوج، مما يجعله كثيفًا للغاية لدرجة أنه يضغط بقوة على سطح الأرض، مما يمنع دخول أي رطوبة أو حرارة إلى داخل النظام.

تحدد خبراء الأرصاد الجوية العديد من المناطق التي تتميز بوجود الضغط العالي بشكل شبه دائم. على سبيل المثال، تُعتبر جزر الأزور منطقة مستقرة نسبيًا للضغط العالي حيث توجد في وسط المحيط الأطلسي. وتُعتبر هذه المنطقة المسؤولة عن الظروف القاحلة في حوض البحر الأبيض المتوسط، بالإضافة إلى الموجات الحارة خلال فصل الصيف في غرب أوروبا.

علم الأرصاد الجوية العالمية

يدرس الظواهر المقياسية، وهي أنماط الطقس المرتبطة بنقل الحرارة والرياح والرطوبة من المناطق المدارية إلى القطبين. واحدة من هذه الظواهر المهمة هي الدوران الجوي العالمي، والذي يشير إلى حركة الهواء على نطاق واسع تسهم في توزيع الطاقة الحرارية (الحرارة) عبر سطح الأرض.

يمثل الدوران الجوي العالمي حركة الرياح على نطاق واسع تتحرك بشكل نسبي عبر كوكب الأرض. تتشكل الرياح بفعل تحرك كتل الهواء من مناطق ذات ضغط جوي مرتفع نحو مناطق ذات ضغط جوي منخفض. وتعتمد هذه الحركة الجوية الكبيرة بشكل كبير على وجود الخلايا الهادلية. تُعَرَف الخلايا الهادلية بأنها أنماط لتدفقات الهواء الساخنة والرطبة من المناطق المدارية والاستوائية إلى الأعلى في الغلاف الجوي، بينما يتدفق الهواء البارد والكثيف نحو الأسفل في حلقة دائرية. وتتكون كل حلقة من خلية هادلية.

تحدد الخلايا الهادلية تدفق الرياح التجارية التي يعتمد عليها خبراء الأرصاد الجوية. تلك الرياح التجارية تُلاحَظ بشكل خاص من قبل الشركات، خاصة الشركات التي تنقل البضائع عبر المحيطات، نظراً لأنها تُساعِد السفن في التقدم بشكل أسرع. تهب الرياح الغربية من الغرب على خطوط العرض الوسطى. وتأتي الرياح التجارية من الشمال الشرقي (شمال خط الاستواء) والجنوب الشرقي (جنوب خط الاستواء) بالقرب من خط الاستواء.

يدرس خبراء الأرصاد الجوية أنماط المناخ ذات الأثر الطويل الأمد التي تؤثر في الدوران الجوي العالمي. على سبيل المثال، اكتشف الخبراء نمط ظاهرة الاحتباس الحراري (El Niño). يرتبط الاحتباس الحراري بتيارات المحيطات والرياح التجارية في المحيط الهادئ. وتحدث هذه الظاهرة كل خمس سنوات تقريبًا، وتعيق الدوران الجوي العالمي مما يؤثر على الطقس المحلي والاقتصاديات من أستراليا إلى بيرو.

تيار النينو يترتب عليه تغيرات في الضغط الجوي في المحيط الهادئ، ويعرف هذا التغير بالتذبذب الجنوبي. يتميز التيار بانخفاض الضغط الجوي فوق شرق المحيط الهادئ، بالقرب من سواحل الأمريكتين، مع ارتفاع الضغط الجوي فوق غرب المحيط الهادئ، بالقرب من سواحل أستراليا وإندونيسيا. هذا التغيير يؤدي إلى ضعف الرياح التجارية وتساقط الأمطار الغزيرة في دول شرق المحيط الهادئ، بينما تعاني دول غرب المحيط الهادئ من جفاف يؤثر على الإنتاج الزراعي.

فهم عمليات تيار النينو يساعد المزارعين والصيادين وسكان المناطق الساحلية على التأهب لتلك التغيرات المناخية. بالنظر إلى أثرها على الرياح والهطول والإنتاج الزراعي، يصبح من الضروري تعزيز الاستعدادات وتكييف الأنشطة الزراعية والصيدية بما يتناسب مع تلك التغيرات.