مفاهيم أساسية

الفيزياء

درجة الحرارة

علوم الأرض

مقدمة

هل تساءلت يومًا عن مصدر الخضراوات التي تأكلها عندما يكون الجو باردًا للغاية بدرجة تحول دون زراعتها؟ ربما جرى استيرادها من بلد آخر، أو ربما تكون قد زُرعت في بلدك في صوبات زراعية. والصوبات الزراعية عبارة عن بنى كبيرة تشبه في تصميمها المنازل، تُصنع عادةً من الزجاج (أو البلاستيك الشفاف). ولكن كيف تحمي هذه الصوبات الزراعية النباتات من البرودة؟ ستعرف الإجابة في هذا النشاط وستتمكن من الحصول على حرارة أكبر من الشمس.

معلومات أساسية

لا تنمو النباتات في كل مكان؛ إذ ينبغي أن توفر لها البيئة التي تنمو فيها الظروف المناسبة لنموها. وتحتاج النباتات على وجه التحديد إلى الماء والهواء وأشعة الشمس ودرجات الحرارة الملائمة. وفي شهور الشتاء، تمثل البرودة في الغالب عائقًا أمام نمو النباتات وازدهارها، ولهذا أنشأ الرومان القدماء بيئات صناعية حتى يتسنى لهم زراعة الخضراوات طوال العام. واليوم، تُزرع العديد من الخضراوات -خاصةً الطماطم- داخل صوبات زراعية تغطيها تمامًا.

تعمل الصوبات الزراعية وفقًا لمبدأ فيزيائي يُعرف باسم "تأثير الاحتباس الحراري"؛ فضوء الشمس -الذي يتكون من أطوال موجية مختلفة، بعضها في الطيف المرئي والبعض الآخر في طيف الأشعة تحت الحمراء- يسقط على الصوبة عبر السقف والجدران المصنوعة من الزجاج أو البلاستيك الشفاف، ولكن ضوء الأشعة في الطيف المرئي فقط هو الذي يخترق الصوبة الزجاجية، بينما يمنع الزجاج أو البلاستيك مرور ضوء الأشعة تحت الحمراء، والذي يُعرف أيضًا باسم الإشعاع الحراري. وداخل الصوبة الزراعية، تمتص النباتات والتربة ضوء الطيف المرئي الذي يتحول إلى حرارة تنبعث بعد ذلك من النباتات والتربة في صورة أشعة تحت الحمراء، ونظرًا لكون الزجاج يحبس ذلك الإشعاع الحراري، لا يستطيع أغلبه الهروب من الصوبة، مما يؤدي إلى ارتفاع مُطرد في درجة الحرارة داخل الصوبة. حتى في فصل الشتاء، يمكن أن تكون درجات الحرارة في الصوبة الزجاجية مرتفعة بما يكفي لنمو الخضراوات. هل تريد أن ترى ذلك بنفسك؟ احصل على ترمومتر واستكشف تأثير الاحتباس الحراري في هذا النشاط. ترى ما أقصى درجة حرارة تصل إليها "الصوبة الزراعية" الخاصة بك؟

أدوات التجربة

ترمومتران صغيران للاستخدام الخارجي

وعاء زجاجي مزود بغطاء وكبير بما يكفي لاستيعاب ترمومتر بداخله

منطقة عمل معرضة للشمس (داخل المنزل أو خارجه)

موقت أو ساعة إيقاف

الإعداد للتجربة

  • ابحث عن منطقة تتعرض لأشعة الشمس المباشرة (بلا ظل) لمدة لا تقل عن 30 دقيقة لإجراء التجربة بها.
  • ضع الترمومترين بجوار بعضهما في الشمس، وتأكد من عدم سقوط أي ظلال على الترمومترين طوال فترة إجراء التجربة.

خطوات التجربة

  • اضبط ساعة الإيقاف على خمس دقائق واقرأ درجة الحرارة التي سجلها الترمومتران بعد انتهاء هذه المدة. ما مدى ارتفاع درجة حرارة؟ هل سجل الترمومتران درجة الحرارة نفسها؟
  • ضع أحد الترمومترين داخل الوعاء الزجاجي وأغلق غطاءه، ثم ضعه بجوار الترمومتر الثاني، واحرص على أن يتعرض بالكامل للشمس. كيف تختلف الظروف داخل الوعاء الزجاجي عن الظروف خارجه؟ في رأيك ماذا سيحدث للحرارة داخل الوعاء؟
  • اترك الترمومترين في الشمس لمدة 20 دقيقة، ثم اقرأ درجة الحرارة المسجلة مرة أخرى. هل تغيرت درجات الحرارة؟ كيف؟ هل درجة الحرارة هي نفسها داخل الوعاء الزجاجي وخارجه؟ إذا كان هناك اختلاف بينهما، فأيهما سجل درجة حرارة أعلى؟
  • من أجل مقارنة أفضل، احسب الاختلاف في درجات الحرارة بين بداية التجربة ونهايتها لكل ترمومتر (بمعنى درجات الحرارة في بداية التجربة في مقابل درجات الحرارة بعد مرور 20 دقيقة). ما مقدار التغير في درجات الحرارة في قياس كل ترمومتر؟ هل الاختلاف في درجة الحرارة أعلى داخل الوعاء أم خارجه؟ هل يمكنك تفسير النتائج؟
  • نشاط إضافي: هل تعتقد أن النتائج ستكون مشابهة إذا وضعت الترمومترين في الظل؟ كرر التجربة ولكن هذه المرة ضع الترمومترين (داخل الوعاء الزجاجي وخارجه) في مكان مظلل. هل حصلت على النتائج نفسها؟ ما مدى الاختلاف بين قياسات الحرارة النهائية في الظل بعد 20 دقيقة والقياسات التي حصلت عليها في الشمس؟
  • نشاط إضافي: بدلًا من قراءة قياسات الحرارة في بداية التجربة ونهايتها فحسب، يمكنك صنع سلسلة زمنية وتسجيل درجة الحرارة كل خمس دقائق على مدار 20 إلى 30 دقيقة. ما مدى اختلاف معدل الزيادة في درجات الحرارة بمرور الوقت داخل الوعاء الزجاجي مقارنة بخارجه؟ أي الترمومترين يسجل زيادةً أسرع في درجات الحرارة؟
  • نشاط إضافي: هل يحدث تأثير الاحتباس الحراري مع المواد الأخرى بخلاف الزجاج؟ بدلًا من الوعاء الزجاجي، جرب وضع أحد الترمومترين في أنواع أخرى من الأوعية، ولكن احرص على أن تكون شفافة حتى يستطيع ضوء الشمس النفاذ من خلالها. هل يُحدث البلاستيك التأثير نفسه مثل الزجاج؟
  • نشاط إضافي: هل سمعت عن تأثير الاحتباس الحراري من قبل في سياق الحديث عن التغيرات المناخية؟ فالأرض نفسها تشبه الصوبة الزراعية التي تحبس الحرارة الصادرة من الشمس؛ ولهذا فإننا نشعر بالدفء وارتفاع درجات الحرارة الذي نشعر به على الكوكب. ابحث عن المزيد من المعلومات حول هذه الظاهرة. كيف يرتبط تأثير الاحتباس الحراري في الصوبة الزراعية بتأثير الاحتباس الحراري في كوكب الأرض؟

الملحوظات والنتائج

حينما يتعرض الترمومتران للظروف نفسها، فإنهما يسجلان درجة الحرارة نفسها. ربما تكون هناك بعض الاختلافات الطفيفة بين الترمومترات المختلفة، ولكن لا ينبغي أن يتجاوز ذلك الاختلاف درجةً أو درجتين. وبمجرد أن تضع أحد الترمومترين في الوعاء الزجاجي، فإنك تضعه في بيئة صناعية؛ فداخل الوعاء، لا تستطيع الحرارة الناتجة عن طاقة الشمس الخروج من الوعاء؛ لأن الزجاج لا يسمح بنفاذ الإشعاع الحراري. ونظرًا لأن الهواء الساخن محبوس داخل الوعاء، لا يكون تدفق تيار الهواء ممكنًا أيضًا، مما يعني أن الهواء الساخن داخل الوعاء لا يمكنه الاختلاط بالهواء البارد حتى تنخفض درجة حرارته. ومن ثم، يستمر ارتفاع درجة الحرارة داخل الوعاء الزجاجي بمرور الوقت. أما قياس درجة الحرارة الفعلية فيعتمد على مقدار أشعة الشمس في المنطقة التي أُجريت فيها التجربة.

بعد مرور 20 دقيقة، لا بد وأنك لاحظت أن درجة الحرارة داخل الوعاء الزجاجي كانت أعلى بصورة ملحوظة من خارجه. ورغم أن درجة الحرارة ترتفع أيضًا خارج الوعاء، فإن الطاقة الحرارية التي تولدها أشعة الشمس تتبدد في الهواء إذا لم تكن محبوسة، كما أن الهواء الساخن حول الترمومتر الخارجي يختلط بالهواء البارد المحيط به، مما يبطئ من ارتفاع درجة الحرارة خارج الوعاء. وفي النهاية، ربما تكون قد لاحظت أن درجة الحرارة داخل الوعاء الزجاجي قد ترتفع بشدة، وحتى لا يحدث هذا في الصوبات الزراعية الحقيقية، تُستخدم وسائل التهوية أو حتى التبريد في الغالب للتحكم في درجة الحرارة.