: أمواج الأشعة الشمسية الكهرومغناطيسية وأقاليمها الرئيسية
وأطوالها ( ) مقاسـة بالنانومتر (nm.نم)
وترددهـا (F) مقاسـة بالهرتـز (Hz.هـز )
أقاليم أمواج الأشعة الشمسية الكهرومغناطيسية طول الأمواج (λ)
(nm.نم) تـردد الأمـواج (F)
(Hz.هـز)
أشـعة جاما الكونية 10-4 – 10-2 3×1210 - 3×1910
الأشـعة السـينية X
أشـعة سينية قاسية HX 10-2 – 0.1 3 ×1910 – 3×1810
أشـعة سنية ليند SX 0.1 – 1 3 × 1810 – 3×1710
الأشـعة فوق البنفسجية UV
أشـعة فوق بنفسجية EUV 1 – 200 3×1710 – 3×1.5 × 1510
أشـعة فوق بنفسجية بعيدة FUV 200 – 300 1.5 × 1510 – 1510
أشـعة فوق بنفسجية قريبة NUV 300 – 320 1510 × 9.4 × 1410
الأشـعة الضوئية البيضاء المرئية VL
أشـعة سـوداء 320 – 380 9.4 × 1410 – 7.89 × 1410
أشـعة بنفسجية 380 – 420 7.89 × 1410 – 7.14 × 1410
أشـعة زرقـاء 420 – 490 7.14 × 1410 – 6.12 × 1410
أشـعة خضـراء 490 – 540 6.12 × 1410 – 5.56 × 1410
أشـعة برتقاليـة 540 – 590 5.56 × 1410 – 5.08 × 1410
أشـعة حمـراء 590 – 650 5.08 × 1410 – 4.62 × 1410
الأشـعة تحت الحمـراءIR 650 – 760 4.62 × 1410 – 3.95 × 1410
أشـعة تحت الحمـراء قريبة NIR
أشـعة تحت حمـراء بعيدة FIR 607 – 310 3.95 × 1410 – 3×1410
الأشـعة الصغيـرة MW 310 - 610 3 × 1410 – 3 × 1110
أمـواج الـرادار 510 – 710 3 × 1210 – 3 × 1010
أمـواج التلفزيـون 610 – 910 3 × 1110 – 3 × 810
أمـواج الراديـو 810 – 1010 3 × 910 – 3 × 710
1010 - 1210 3 × 710 - 510
عن Chanllet (1986) Dickinson and Cheremisinoff (1980)
وحسب تردد الأمـواج باستخدام المعادلة F= حيث C= نانومتر (نمnm )

أما بالنسبة لتردد الأمواج ( F ), فقد اتفق دولياً على استبدال وحدة "موجة/ثانية"بواحدة (هيرتزHz, Hertz ) ومضاعفاتها:
كيلو هيرتز ( KHz ) ويعادل 10 3 Hz , ميجا هيرتز (MHz ) ويعادل 10 6 Hz, وجيجا هيرتز(GHz ) وتعادل 10 9 Hz.
ويبين الجدول (1) أطوال أمواج طيف الأشعة الكهرومغناطيسية وترددها وأقاليمها المختلفة.
تتباين قدرة الطاقة التي تحملها أمواج الأشعة الكهرومغناطيسية, فالأمواج القصيرة تحمل طاقة أكبر من الأمواج الطويلة, لقد تبين أن انتقال الطاقة عبر أمواج الأشعة الكهرومغناطيسية يجري على شكل سيل من كميات صغيرة أو حزم صغيرة من الطاقة متراصة وراء بعضها البعض تعرف بالفوتونات (Photons ), لها صفات الذرات وفي الوقت نفسه ليس لها كتلة, ولها صفات الأمواج ذات عزم حركي لكنها لا تحمل شحنات كهربائية. (7 ص56 ) إذن، ففوتونات الإشعاعية الكهرومغناطيسية القصيرة – التي تقل أطوالها عن320 نم - تحمل طاقة كبيرة أكبر مما تحمله فوتونات الأمواج الطويلة, تمكنا من الفتك بالخلايا الحية الحيوانية والنباتية, ولحسن حظها فإن ما تشعه الشمس من هذه الأشعة يقل عن 7% من مجموع الطاقة التي تشعها, ولا يصل سطح الأرض سوى النذر اليسير جداً منها على شكل أشعة فوق البنفسجية .
أقسام طيف الأشعة الشمسية الكهرومغناطيسية:
تقسم الدراسات طيف الأشعة الشمسية الكهرومغناطيسية إلى عدة أقسام تعرف بالأقاليم (Regions ) كما هو مبين في الجدول /1/ والشكل/ 2/ وهي:
1- إقليم الأشعة الكونية: ويتمثل بأشعة (جاما Gama ) وغيرها من الأشعة التي تقل أطوال أمواجها عن 0.01 نم.
2- إقليم الأشعة السينية (x-rays ) : وتتراوح أطوال أمواجه بين 0.01-1 نم. ويضم الأشعة السينية القاسية ( HX", Hard x ray") والأشعة السينية الينة (SX", soft x ray" ).
3- إقليم الأشعة فوق البنفسجية ( Ultra Violet"UV") : وتتراوح أطوال أمواجه بين 1-320 نم. ويقسم إلى ثلاثة أجزاء تسمى وفقاً لموقعها من طيف الأشعة المرئية البيضاء الذي يليها,وهي: الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة ( "EUV" Extrem Ultra Violet) الأشعة فوق البنفسجية البعيدة ( "FUV"Far Ultra Violet) الأشعة فوق البنفسجية القريبة (Ultra Violet "NUV" Near ). ويكون هذا الإقليم مع إقليم الأشعة السينية وإقليم أشعة جاما حوالي 7 % من مجموع الطاقة الشمسية الإشعاعية, وهي أشعة ضارة وفتاكة.
4- إقليم الأشعة المرئية البيضاء( White Visable Ray) ( 3ص 67-77 )وتتراوح أطوال أمواجه بين 320-760 نم. ويتكون من مزيج من الأشعة البنفسجية والزرقاء والخضراء والصفراء والبرتقالية والحمراء (الجدول 1), ويضاف إليها ما يعرف بالأشعة السوداء لعدم استطاعة العين رؤيتها ( 11ص49 ). وتشكل الأشعة المرئية البيضاء حوالي 44% الطاقة الشمسية الإشعاعية وهي أشعة ذات طاقة حرارية وضوئية كبيرة تلعب دوراً رئيسياً في تسخن سطح الأرض وفي مجريات الطقس والمناخ السائد عليه.
5- إقليم الأشعة تحت الحمراء ( Infra Red Ray): وتتراوح أطوال أمواجه بين 760-10 6نم, وينقسم إلى جزئين وفقاً لموقعها من طيف الأشعة المرئية البيضاء السابقة له,هما: الأشعة تحت الحمراء القريبة (Infra Red "NIR" Near)وتشكل 37%من مجموع الطاقة الشمسية, والأشعة تحت الحمراء البعيدة (Far Infra Red FIR"") وتشكل حوالي 11% من مجموع الطاقة الشمسية, لا تتمكن العين من رؤية الأشعة تحت الحمراء, ولكن يمكننا أن نشعر بحرارتها.
6- إقليم الأشعة الصغيرة ( "MWR" Micro Waves Ray) وتتراوح أطوالها بين 10 5-10 7 وتشكل أقل من 1% من مجموع الطاقة الشمسية.
7- إقليم أمواج الرادار (Radar Waves): وتتراوح أطواله بين 10 6- 10 9 نم
8- إقليم أمواج التلفزيون (TV Waves): وتتراوح أطواله بين 10 8- 10 10 نم
9- إقليم أمواج الراديو (Radio Waves): وتتراوح أطواله بين 10 10- 10 12 نم
إقليم الأشعة الشمسية المرئية البيضاء والألوان:
يتبين لنا أن الأشعة الشمسية المرئية البيضاء, متكونة من مزيج من الأشعة الملونة حين تعبر خلال موشور زجاجي,فتخرج منه متفرقة ومنكسرة, ويزداد انكسارها عكساً مع طول أمواج كل منها, فتظهر معكوسة الترتيب, الأشعة البنفسجية في الأسفل لأنها أشد انكساراً تليها الزرقاء ثم الخضراء والصفراء والبرتقالية وتظهر الأشعة الحمراء في الأعلى لأنها أقل انكساراً(الشكل 3). ويحدث ذلك أيضاً في ظاهرة قوس قزح( Rainbow). وعادة يتشكل قوس قزح عندما تهطل الأمطار في جزء من السماء وتكون ساطعة في الجزء الآخر منها, وأحياناً يحدث خلال قطيرات الما المتناثرة فوق مساقط المياه وفوق نوافير المياه أيضاً, فتقوم قطيرات الأمطار والقطيرات المتناثرة بدور الموشور الزجاجي.فعندما تدخل الأشعة الشمسية البيضاء قطيرات الماء تقل سرعتها وتنكسر وتتفلاق إلى أطياف أشعة ألوانها الأساسية. وعندما تصطدم هذه الأشعة بمؤخرة القطيرات ترد خارجة منها منكسرة ومتفرقة أيضاً مشكلة قوساً بديعاً من الألوان البنفسجية والزرقاء و الخضراء والصفراء والبرتقالية والحمراء(7).
تتمكن العين من رؤية الأشعة الشمسية البيضاء. وأطياف أشعتها الملونة لأن هذه الأمواج الكهرومغناطيسية تثير نهايات الأعصاب البصرية المنتشرة على شبكية العين على شكل عصيات أو أقماع بصرية,فتقوم بإرسال إشارات للدماغ تمكننا من إدراك الألوان ورؤيتها. تمكن العصيات العين من التفريق بين الضوء والظلام, ومشاهدة اللوتين الأبيض والأسود فقط, لأنها لا تستطيع التميز بين أشعة الألوان المختلفة, بينما تستطيع الأقمار استشعار الأشعة الملونة التي تنحصر أطوال أمواجها بين 380-670 نم والتميز بينها, فتمكن العين من رؤية الألوان جميعها, ولا تستطيع الأشعة التي تقل أطوال أمواجها عن 380 نم أو تزيد عن 670 نم إثارة نهايات الأعصاب البصرية لذلك لا تراها العين.
فالحقيقة فألوان الأشياء التي تراها العين ليست إلا أشعة كهرومغناطيسية مختلفة أطوال الأمواج منعكسة على سطح هذه الأشياء. فمثلا عندما تسقط أشعة الشمس الضوئية على سطح أخضر اللون, يمتص هذا السطح أشعة الألوان كلها عدا أشعة اللون الأخضر التي يعكسها فتراها العين. وهكذا بالنسبة لكل الأشياء الملونة, فسطوحها تمتص طيف الأشعة المرئية الواصل إليها كله وتعكس الأشعة الموافقة للونها فقط.
الشمس المتلونة والسماء الزرقاء:
أما بالنسبة للشمس, فيعود لونها الأبيض اللامع في وسط النهار إلى شدة إشعاعها في هذا الوقت وسقوط أشعة ضوئها المرئية جميعها على الأقماع البصرية للعين بشدة متساوية تقريباً فلا تستطيع التمييز بينها ونستشعرها كأنها أشعة واحدة بيضاء. بينما عند شروق الشمس أو غروبها تخترق الأشعة الشمسية الغلاف الجوي بزاوية ضعيفة, حوالي 4 5 درجات قاطعة حيزاً كبيراً منه أكثر سماكة من الحيز الذي تقطعه وقت الظهر بحوالي 12 ضعف, فخلال هذا السماكة الكبيرة تتبعثر الأشعة القصيرة (البنفسجية والزرقاء و الخضراء) بواسطة جزيئات الهواء الدقيقة الأصغر منها حجماً بشكل انتقائي في كل الاتجاهات خلال الغلاف الجوي. بينما تتمكن الأشعة الصفراء والبرتقالية والحمراء من الدخول إلى عين الناظر مظهرة الشمس بلون أصفراء- برتقالي زاهي, وفي حال وجود جسيمات وذرات غبار معلقة في الهواء, تزيد أقطارها قليلاً عن طول أقطار جزيئات الهواء, تتبعثر الأشعة الصفراء وتظل الأشعة البرتقالية والحمراء مظهرة الشمس بلون برتقالي-أحمر, وإذا تواجدت الجسيمات بكميات كبيرة تتبعثر أشعة ضوء الشمس كلها عدا الأشعة الحمراء فتظهر الشمس بلون أحمر وذلك ما يحدث عند انفجار البراكين التي تملوء السماء بجسيمات دقيقة, أو فوق المحيطات حيث يكون الهواء مترعاً بذرات بلورات الملح الدقيقة وذرات بخار الماء, وأحيانا إذا كانت أحجام الجسيمات متجانسة تعمل على بعثرة الأشعة الشمسية الضوئية بشكل انتقائي مظهرة الشمس بعدة ألوان, حتى في منتصف النهار تبدو الشمس برتقالية أو خضراء أو حتى زرقاء ( 3ص 67-73 ).
ومن الملاحظ أنه خلال عمليات التبعثر المذكور في مختلف أشكاله, حتى في منتصف النهار, تعمل جزيئات الهواء دائماً إلى بعثرة الأشعة الشمسية الضوئية القصيرة جداً, البنفسجية والزرقاء و الخضراء, انتقائياً في كافة الاتجاهات في الغلاف الجوي, بالإضافة إلى ذلك فإن المخاريط البصرية في العين شديدة الحساسية لهذه الأشعة ما يجعل الشماء تبدو لنا زرقاء في الاتجاهات كلها وفي الأحوال جميعها من حساب شدة الطاقة الإشعاعية ومقدارها كمياً.


الوحدات المستخدمة في قياس الطاقة الإشعاعية الحرارية:
عادة تستخدم واحدات القوة ( Power)في قياس الطاقة الإشعاعية, وتعرف القوة بأنها "كمية الطاقة المنقولة خلال واحدة الزمن ", لذلك توجد عدة واحدات مستخدمة في قياس الطاقة الإشعاعية, أهمها وأكثرها استخداماً في دراسات الطقس والمناخ هي وحدة السعر الحراري أو حريرة ("Cal" Colorie ) ويعرف السعر الحراري "بأنه كمية الطاقة الحرارية المتطلبة لرفع درجة حرارة غرام واحد من الماء درجة مئوية واحدة, من14.5 إلى 15.5 درجة مئوية وتساوي 4.4855×10 إيرج أو 4.1855 جول." وعند استخدامها في قياس الطاقة الإشعاعية فإنها تعبر عن مقدار الطاقة التي تشعها أو تمتصها واحدة المساحة ( 1سم2 ) من سطح ما خلال واحدة زمن ( ثانية, دقيقة, ساعة, يوم,......الخ ). وتكتب كما يلي : " غرام –سعر حراري/سم2 ز أو حريرة/سم2 ز وفيما بعد اقتراحات واحدة (لانجلي Ly, Langley ) عوضا ًعن غرام –سعر حراري /سم2 ز فأصبحت واحدة القياس لانجلي /ز, وذلك تخليدا للعالم صومائيل لانجلي ( ,Samual P. Langley1906-1834) الذي قدم الكثير من الإسهامات الرائدة في أبحاث الأشعة الشمسية. وكلا الواحدتين تستخدم الآن بشكل متبادل, وعادة, عند حساب الطاقة الإشعاعية تعتمد الدقيقة واحة للزمن, فتصبح واحدة قياس غرام-سعر حراري /سم2 أو لانجلي/د ويمكن استخدام( الكيلو غرام –سعر حراري /م2د )أو كيلو لانجلي/د المعادلة إلى 100سعر حراري /سم2د أو 1000 لانجلي /د على التوالي.
وتفضل بعض الدراسات استخدام واحدة الإرج (1023892×10حريرة) أو الجول (0.2389 حريرة) أو الواط (1جول/ثا=0.23892 حريرة ). وحديثاً تمثيل الدراسات وخاصة في المجالات الهندسية إلى استخدام واحدة "واط/م2" (1.43352 -3 لانجلي/د)وبذلك فإن واحدة لانجلي/د يعادل ( 697.6 واط/م2).
تشكل الطاقة الحرارية وطرق انتقالها:
تتولد الطاقة الحرارية في بادئ الأمر, عندما تمتص الأشياء, مهما كان نوعها. الطاقة الشمسية الإشعاعية الواصلة إليها على شكل أمواج كهرومغناطيسية وتحولها إلى طاقة حرارية تخزنها في داخلها فتزيد درجة حرارتها ثم تعود وتطلقها مرة أخرى والأمر نفسه يحدث عندما نعرض أنفسنا إلى نار المدفاة, فعندما تمتص أجسامنا الأمواج الكهرومغناطيسية.






عمليات الإشعاع ونقل الطاقة الحرارية وتبادلها عند سطح الأرض:
عندما تصل الطاقة الشمسية الإشعاعية تحملها فوتونات أمواج الأشعة الكهرومغناطيسية من سطح الشمس عبر الفضاء إلى الأرض تدخل في عمليات عديدة من التحولات والتبدلات, تبدأ بامتصاص سطح الأرض والغلاف الجوي والأشياء والأجسام فيهما لهذه الطاقة, ومن ثم إشعاعها مرة أخرى لبعضها البعض وتتبادلها فيما بينها.
إذن عند دراسة عمليات الإشعاع الجاري على سطح الأرض وفي الغلاف الجوي, علينا إدراك وجود نوعين من الطاقة الإشعاعية وهما:
1- الطاقة الشمسية الإشعاعية والتي تشكل المصدر الأساسي لكل الطاقة الواصلة إلينا بمختلف أشكالها.
2- الطاقة الأرضية الإشعاعية بما فيها طاقة الغلاف الجوي الإشعاعية والتي هي أصلاً طاقة مستمدة من الطاقة الشمسية الإشعاعية بالإضافة إلى الطاقة التي تشعها الأجسام والأشياء إلى بعضها البعض, وعلينا أن ندرك أيضاً أن العمليات المتحكمة بالعلاقة بين أنواع الطاقة الإشعاعية كثيرة ومعقدة ومتشابكة, لذلك علينا أن نوجه اهتمامنا إلى تلك العمليات المؤدية إلى تشكل ظواهر الطقس والمناخ على سطح الأرض وطرق تصرفها, والقوانين الضابطة لها والتي تمكن من قياسها كمياً, وقبل كل شيء علينا توضيح بعضا لمفاهيم المتعلقة بهذا الموضوع.
الإشعاع:
يعرف الإشعاع بزنه "عملية نقل الطاقة بواسطة فوتونات الأمواج الكهرومغناطيسية دون الحاجة إلى وسيط أو تماس مع المصدر المشع", وهذه العملية التي تصلنا بواسطتها الطاقة الإشعاعية الشمسية, مع ذلك علينا أن نعلم أن سطع الأرض والغلاف الجوي وأجسامنا وكل الأشياء التي حولنا مهما كانت صغيرة أو كبيرة ومهما كان تركيبها الفيزيائي والكيميائي, ومهما كانت باردة تشع طاقة إشعاعية (Radiant Energy ) تتناسب طرداً مع درجة حرارتها شريطة أن لا تهبط درجة حرارتها إلى دون
-273.15 مئوية أما ما يعرف بالصفر المطلق, فكلما زادت درجة حرارتها عن هذه الدرجة كلما زادت طاقتها الإشعاعية.
هذه الحقيقة توصلنا إليها كل من العالمين جوزيف ستيفان(Josif Stefan, 1835-1893 م) ولودوبج بولتزمان (Ludwig Boltzman 1844-1906 م )في أواخر القرن التاسع عشر, وعرفت بقانون ستيفان بولتزمان نسبة لهما.



الاستشعار وامتصاص الطاقة الإشعاعية:
عندما تسقط أمواج الطاقة الإشعاعية الكهرومغناطيسية المنبعثة من الشمس على سطح الأرض وعلى غلافها الجوي وعلى كل الأشياء, تقوم هذه الأشياء يقوم هذه الأشياء بامتصاصها وتحميلها إلى طاقة داخلية Internal Energy)) (3ص 48-55), وخاصة طاقة حرارية تزيد من درجة حرارتها, فتعود وتشعها مرة أخرى على شكل أمواج كهرومغناطيسية إلى ما حولها.
إذن فإن الأشياء عندما تتعرض إلى الطاقة الشمسية الإشعاعية أو الطاقة الإشعاعية التي تشعها الأشياء من حولها وتمتصها فإنها تقوم بعملية (استشعاع) وعندما تقوم بإطلاقها فإنها تقوم بعملية (إشعاع), ويبدو واضحاً أنه كلما ازدادت قدرتها على الإستشعاع وكمية الطاقة الإشعاعية الممتصة كلما تسخنت الأشياء وازدادت قدرتها على الإشعاع, كما ويبدو واضحاً أيضاً أن الأشياء التي تمتص أو تستشع طاقة إشعاعية أكبر مما تشعه فإنها ستسخن, واذا شعت طاقة إشعاعية أكثر مما تستشع فإنها تبرد, وإذا كان مقدار ما تشعهمن طاقة إشعاعية مساوية لما تستشعه فإن درجة حرارتها تظل ثابتة وتكون هذه الأشياء في حالة توازن إشعاعي( Radiation Equilbrium), وهذا ما يفسر لنا الحالة الطبيعية الإشعاعية لكل الأشياء حولنا بما فيها الشمس, فقد لاحظنا فيما تقدم أنه عندما يشع سطح الشمس (الفوتوسفير) طاقة إشعاعية فإنه في الوقت نفسه يمتص طاقة حرارية تتولد في نواتها معادلة لم يشعه, ومن خلال خبراتنا اليومية نلاحظ أيضاً أن جميع الأجسام والأشياء حولنا تحافظ على توازنها الإشعاعي مع محيطها المتواجد فيه, وفي حالة اكتساب بعضها طاقة إشعاعية إضافية فإنها تسعى إلى إشعاعها والعودة إلى حالة توازنها الإشعاعي, والأمثلة على ذلك كثيرة لا حصر لها.
الطاقة وتحولاتها:
لابد لنا من الإشارة إلى أن الطاقة الإشعاعية الشمسية الساقطة على سطح الأرض تتعرض لتحولات عديدة من الطاقة مثل الطاقة الحرارية ( Heat Energy ), الطاقة الكامنة ( Potential Energy ), الطاقة الحركية ( Energy Kinetie), الطاقة الكيميائية ( Energy Chemical ) لكن تظل الطاقة الحرارية أهمها وأكثرها حضوراً بالنسبة للعمليات المؤدية إلى تكوين طقس الأرض ومناخها, بالإضافة إلى أن أشكال الطاقة الأخرى تبقى ضئيلة نسبياً وستتحول بعملية أو أخرى إلى طاقة حرارية, وفي نهاية المطاف إلى طاقة إشعاعية تشعها الأشياء والأجسام التي تمتصها (8 ص 9-10 ) كما هو مبين في
ما يلي:
طاقة شمسية إشعاعية طاقة حرارية (محسوسة +كامنة) أشعة تحت الحمراء
حرارة كافيـة حرارة محسوسة أشعة تحت الحمراء
طاقة كامنة طاقة حركية طاقة حرارية أشعة تحت الحمراء
طاقة كيميائية طاقة حرارية أشعة تحت الحمراء

شكرا علي الموضوع