المفاهيم الرئيسية

الطقس

الغلاف الجوي

التبخر

التكثّف

 

مقدمة

هل فكرت من قبل كيف يكون الحال داخل السحابة؟ هل تعلم أنك إن كنت داخل سحابة فستبتل تمامًا؟ هناك أنواع كثيرة مختلفة من السحب، ولكنها تشترك جميعًا في أمر واحد، وهو أنها تتكون كلها من الماء (أو الثلج). ولكن كيف تتشكل السحب، وكيف يمكن أن يحلق الماء فوقنا في الجو هكذا؟ في هذا النشاط ستصنع سحابتك الخاصة داخل برطمان زجاجي، وتتمكن من اختبار الشروط اللازمة لتكوّن السحب!

معلومات أساسية

لفهم طريقة تكوّن السحب، نحتاج أولًا إلى فهم عمليتي التبخّر (تحول الماء من سائل إلى غاز) والتكثّف (تحول الماء من غاز إلى سائل). إذا كنت قد غليت وعاءً فيه ماء من قبل أو شاهدت ماءً يغلي فلا بد وأنك لَحَظت تحول الماء من سائل إلى غاز. في الحالة السائلة، تكون جزيئات الماء شديدة القرب بعضها من بعض، يتيح هذا القرب تكوين روابط هيدروجينية بين جزيئات الماء، بحيث يتصل كل جزيء مائي بالجزيئات المحيطة به. ويمكنك ملاحظة هذا بتأمل قطرة ماء على سطح مستوٍ، وستجد أنها بدلًا من الانتشار بشكل مستوٍ، فإنها تحتفظ بشكلها المستدير، إذ تستطيع قطرة الماء الحفاظ على هذا الشكل بفضل قوة الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء التي تُكوّن القطرة.

عند تسخين الماء في إناء، تكتسب جزيئات الماء طاقة، وعندما تكتسب القدر الكافي من الطاقة، يصبح بإمكانها كسر الروابط بينها والهرب إلى الجو على هيئة غاز. وعندما تهرب جزيئات الماء من سطح الماء المغلي وتصعد فوق الإناء، فإنها تفقد الطاقة (في شكل حرارة). ونتيجة لذلك، تتكثف جزيئات الماء الأبرد هذه وتصبح قطرات متناهية الصغر من الماء نراها على هيئة بخار.

تتبع عملية تكوُّن السحب هذه المبادئ الأساسية نفسها. فبينما يصعد الماء الساخن (حاملًا الرطوبة على هيئة بخار الماء)، فإنه يتمدد ويبرد، وعندما يحدث هذا يتكثف بخار الماء ويتحول إلى سائل. هذا التكثف هو ما تراه على النباتات أو زجاج السيارات في الصباح في فصل الربيع. وفي حالة السحب، تلتصق قطرات الماء بجسيمات الغبار متناهية الصغر العالقة في الهواء، وتؤدي المليارات من جسيمات الغبار المبللة هذه إلى تكون السحب.

في هذا النشاط، سنُجري محاكاة عملية تكوُّن السحب عن طريق تغيير درجة حرارة الماء بسرعة داخل برطمان زجاجي. وستختبر متغيرات مختلفة لتحديد العوامل المهمة في عملية تكوُّن السحب، وكذلك كيف تحدد الظروف المختلفة ما إذا كانت السحب ستتكون أم لا في الغلاف الجوي.

أدوات التجربة

  • سطح مستوٍ للعمل، لا ضرر في تعرضه للبلل (في حالة تناثر الماء عليه)
  • برطمان زجاجي بغطاء محكم الغلق (مثل برطمانات حفظ الأغذية، أو برطمان مخللات نظيف)
  • نصف كوب من الماء شديد السخونة (يُحمل بحذر وبمساعدة شخص بالغ)
  • نصف كوب من الماء المثلج
  • عبوة بخاخ أيروسول (استخدم نوعًا له رذاذ شفاف اللون، كبخاخ تثبيت الشعر على سبيل المثال)
  • وعاء من مكعبات الثلج
  • قلم ماركر ثابت أو قطعة شريط لاصق
  • قطعة من ورق مقوى أسود اللون ليساعدك على رؤية السحابة (اختياري)
  • ملون غذائي ليجعل سحابتك أكثر بروزًا ووضوحًا (اختياري)
  • الإعداد للتجربة
  • اسكب نصف كوب من الماء في البرطمان الزجاجي واستخدم القلم الماركر أو قطعة شريط لاصق لوضع علامة على البرطمان لتحديد مستوى الماء، ثم أفرغ محتوياته.
  • إذا كنت ستستخدم ورقة مقواة سوداء اللون، ضعها على الحائط أو أسندها على كتاب بالقرب من المكان الذي ستجري فيه التجربة. ستستخدم هذه الورقة كخلفية، ولكن نظرًا لأنك لا تستطيع حمل البرطمان بمجرد ملئه بالماء الساخن، فلا بد أن تكون الورقة السوداء قريبة من سطح العمل الذي تنفذ عليه التجربة.
  • أزل الغطاء عن البرطمان وعبوة بخاخ الأيروسول ليكونا جاهزَين للاستخدام.
  • إذا كنت ستستخدم ملونًا غذائيًّا لإضافة صبغة إلى الماء، اسكب بضع قطرات منه على كل من الماء الساخن والبارد قبل البدء.
  • اجمع كل الأدوات ورتبها بحيث تستطيع الوصول إليها بسهولة في أثناء إجراء التجربة، إذ إن هذه التجربة تتطلب العمل بسرعة، لذا استعد بتجهيز كل شيء قبل البدء.
  • قم بتسخين الماء إلى درجة الغليان في حضور شخص بالغ.

خطوات التجربة

  • استعن بشخص بالغ لصب الماء المغلي داخل البرطمان. لاحظ ما إذا كان مستوى الماء يصل إلى العلامة التي حددتها سابقًا على البرطمان. إذا لم يصل إليها، فانتبه لمستوى الماء بالضبط في الوقت الذي تصب فيه الماء في البرطمان. ماذا تلاحظ على الماء؟ هل ترى البخار يتصاعد؟
  • رش بضع بخات من الأيروسول داخل البرطمان بسرعة، ثم استعن بشخص بالغ لغلقه بإحكام بواسطة الغطاء. (تجنب التعرض لبخار الماء شديد السخونة المتصاعد من البرطمان) ماذا يحدث عند دخول الأيروسول إلى داخل البرطمان؟ هل تلاحظ أي تغيير؟
  • ضع مكعبات الثلج فوق غطاء البرطمان.
  • لاحظ ما يحدث داخل البرطمان لبضع دقائق. ماذا تلاحظ؟ ما الاختلاف الذي حدث للبرطمان بعد إحكام غلقه وبداخله الماء ورذاذ الأيروسول؟
  • قبل فتح الغطاء، انظر ما إذا كان مستوى الماء داخل البرطمان قد تغير أم لا منذ أن سكبت الماء داخل البرطمان في البداية. هل تغير مستوى الماء؟ ما الذي قد يسبب تغيرًا في مستوى الماء داخل البرطمان؟
  • فك غطاء البرطمان ببطء وعناية ثم ارفعه.
  • راقب البرطمان المفتوح. ما الذي تلاحظه بشأن محتوياته؟ ماذا يحدث بالداخل؟ هل هناك أي شيء يخرج من البرطمان؟ ما هو؟
  • ضع بحرص بضعة مكعبات من الثلج داخل البرطمان بعناية (وتجنب تناثر الماء).
  • راقب البرطمان لبضع دقائق أخرى. هل غيرت مكعبات الثلج ما كان يحدث بالداخل؟ إذا كانت الإجابة نعم، فما الذي تغير؟
  • أفرغ البرطمان من الماء بعناية واغسله.
  • كرر هذا النشاط ولكن هذه المرة باستخدام الماء البارد باتباع الخطوات التالية.
  • صب الماء البارد بعناية داخل البرطمان. لاحظ ما إذا كان مستوى الماء يصل إلى العلامة التي حددتها على البرطمان من قبل. إذا لم يصل إليها، فانتبه لمستوى الماء بالضبط في الوقت الذي تصب فيه الماء في البرطمان. ما الذي تلاحظه على الماء؟ هل ترى البخار يتصاعد؟ لماذا لا ترى بخارًا يتصاعد مع الماء البارد؟
  • وجه بسرعة بضع بخات من الأيروسول إلى داخل البرطمان، ثم أغلق البرطمان بالغطاء بإحكام. ماذا يحدث عند دخول رذاذ الأيروسول إلى البرطمان؟ هل تلاحظ أي تغيير؟
  • ضع مكعبات الثلج فوق غطاء البرطمان.
  • لاحظ ما يحدث داخل البرطمان لبضع دقائق. ماذا تلاحظ؟ ما الاختلاف الذي حدث للبرطمان بعد إحكام غلقه وبداخله الماء ورذاذ الأيروسول؟ ما الفرق بين استخدام الماء البارد والماء الساخن في هذه التجربة؟
  • قبل فتح الغطاء، لاحظ ما إذا كان مستوى الماء قد تغير أم لا منذ أن سكبت الماء البارد داخل البرطمان في البداية. هل تغير مستوى الماء؟ ما الذي قد يسبب تغيُّر مستوى الماء داخل البرطمان؟
  • فك غطاء البرطمان ببطء وعناية ثم ارفعه.
  • راقب البرطمان المفتوح. ما الذي تلاحظه بشأن محتوياته؟ ماذا يحدث بداخله؟ هل هناك شيء ما يخرج من البرطمان؟ إذا كانت الإجابة بنعم أو لا، فما السبب؟
  • نشاط إضافي: كرر هذه التجربة باستخدام سائل آخر (على سبيل المثال، عصير أو صودا) لترى ما إذا كانت هناك سوائل أخرى تعطي نتائج مختلفة عن الماء. ما هي هذه النتائج، وما السبب في رأيك وراء هذا الاختلاف؟
  • نشاط إضافي: كرر هذا النشاط من دون استخدام بخاخ الأيروسول. هل لا تزال التجربة تعمل؟ إن كانت الإجابة بنعم أو لا، فما السبب؟

الملحوظات والنتائج

عندما نفذت هذه التجربة باستخدام الماء الساخن، هل لاحظت تكوُّن سحابة؟ هذا هو المتوقع. وعندما كررت التجربة بالماء البارد هل لاحظت تكوُّن سحابة؟ يجب ألا ترى سحابًا يتكون عند استخدام الماء البارد لأنك تحتاج إلى حرارة لإنتاج ما يكفي من بخار الماء ليتكون سحاب واضح يمكن رؤيته.

في هذه التجربة، قمت بمحاكاة عملية تكوُّن السحب عن طريق التغيير السريع لدرجة حرارة الماء داخل البرطمان الزجاجي. عندما سكبت الماء الساخن داخل البرطمان، نتج عن الماء الساخن بخار ماء، وعندما تصاعد بخار الماء إلى أعلى انخفضت درجة حرارته بسبب مكعبات الثلج الموجودة على الغطاء. ونتيجة لذلك، تكثف بخار الماء سريعًا وتحول إلى قطرات ماء متناهية الصغر أعلى البرطمان. ولمحاكاة جسيمات الغبار التي تتسبب في تكوُّن السحب في الغلاف الجوي استخدمنا بخاخ الأيروسول. وقد وفَّرَت الجسيمات متناهية الصغر الصادرة عن البخاخ سطحًا لتجميع تكثُّف الماء.

ربما لاحظت أنك عندما أزلت غطاء البرطمان عندما كان يحتوي على الماء الساخن ظلت السحابة متماسكة إلى حد ما، ربما أخذت بعض الخيوط منها في الابتعاد مع هروب الهواء الساخن من البرطمان إلى الغرفة. ولكن بعد إسقاط مكعب من الثلج في الماء الساخن لاحظت أن السحابة بدأت تتلاشى على نحو أسرع؛ هذا لأن الماء الساخن برد سريعًا وتوقف عن إنتاج بخار الماء. ومن ثَم، لم يعد هناك بخار ماء ليتكثف ويكوّن سحابًا.