المفاهيم الرئيسية
الفيزياء
الحرارة
الشمس
المواد

المقدمة
هل مشيت من قبل عبر ساحة كبيرة لانتظار السيارات في يوم صيف مشمس وشعرت كما لو أنك تتحمص؟ هذا لأن الأسفلت يصبح ساخنًا جدًّا تحت الشمس المباشرة! يمكن للشوارع، والمباني، وساحات انتظار السيارات أن تصبح ساخنةً للغاية، وأن ترفع متوسط درجة حرارة المناطق الحضرية بضع درجات، مقارنةً بالمناطق الريفية المحيطة بها. هل تعتقد أن المواد الطبيعية ترتفع درجة حرارتها هي الأخرى تحت الشمس، أم تلك المواد التي قام الإنسان بصنعها فقط؟ جرب هذا النشاط لتعرف!

معلومات أساسية

تبعد الشمس بنحو 93 مليون ميل (150 مليون كيلومتر) عن كوكب الأرض. ولكن لأن سطح الشمس ساخن للغاية (5,500 درجة مئوية تقريبًا)، نستفيد نحن على الأرض من الضوء الذي تشعه، ومن دون هذا الضوء لا يستطيع البشر البقاء. يحمل الضوء الذي تشعه شمسنا طاقةً يتم امتصاص جزء منها وتحويله إلى حرارة عند سقوط الضوء على أحد الأسطح. ولهذا تكون الأماكن المعرضة للشمس المباشرة أكثر دفئًا من تلك الموجودة في الظل. وينعكس جزء آخر من الضوء، وهذا الجزء يجعل الأسطح تبدو أفتح في اللون وأكثر سطوعًا تحت ضوء الشمس.

يتغطى سطح الأرض بالماء، والتربة، والصخور، والثلج، والجليد، بالإضافة إلى كمٍّ هائل من المواد التي صنعها الإنسان، كالخرسانة. وتزداد درجة حرارة هذه الأسطح عند تعرضها للشمس. تستغرق هذه العملية بعض الوقت، وبعض المواد –مثل الماء– تحتاج إلى قدر أكبر من ضوء الشمس كي ترتفع درجة حرارتها بضع درجات، وذلك مقارنةً بمواد أخرى كالتربة أو الصخور. وبمجرد أن تصبح هذه الأسطح دافئة، فإن الحرارة تنبعث عنها، وهو ما يجعل الهواء فوق هذه الأسطح دافئًا. وتُعتبر هذه العملية عمليةً تدريجية، وبعض المواد –بما في ذلك الماء– تحتفظ بالحرارة لفترات أطول من مواد مثل التربة أو الصخور. وبشكل عام تتسبب هذه الفوارق في جعل درجات الحرارة في المناخات الساحلية أكثر اعتدالًا من مثيلاتها في الأماكن البعيدة عن السواحل. إلا أن وجود عوامل طبيعية أخرى، كالأشجار والنباتات، يلطِّف من درجة حرارة الهواء أيضًا. تمتص النباتات الماء من التربة ومن ثم تَقوم بعملية النتح (إطلاق الماء إلى الهواء)، فيكون الأمر أشبه بتأثير مكيف الهواء.

تحدد عوامل عديدة المدى الذي تصل إليه درجة حرارة المواد تحت الشمس المباشرة، وكذلك الكيفية التي تنبعث بها الطاقة عن هذه المواد. في هذا النشاط سوف تختبر بعض المواد بنفسك.

المواد المستخدمة

  • يوم مشمس
  • سلك معدني طوله متر واحد تقريبًا
  • منطقة مظللة جزئيًّا في الخارج، وفيها على الأقل نوعان مختلفان من الغطاء الأرضي (تربة، حشائش، صخور، خرسانة... إلخ)

التحضير

  • حدِّد الخط الفاصل على الأرض بين منطقة مُعرَّضة للشمس وأخرى في الظل. ضع السلك المعدني على هذا الخط.

الطريقة

  • اخطُ خطوةً كبيرة إلى داخل الظل. ما الذي يغطي سطح الأرض في هذه البقعة بالتحديد؟
  • حدِّد بقعةً في الشمس يكون سطحها مغطى بالمادة نفسها. يجب أن تختار بقعة على مسافة خطوة كبيرة واحدة على الأقل من منطقة ظليلة. هل تبدو البقعة الواقعة تحت الشمس المباشرة مختلفة مقارنةً بالبقعة الواقعة في الظل؟ ما سبب هذا في اعتقادك؟
  • هل تعتقد أن هاتين البقعتين لهما ملمس مختلف؟
  • بشكل حذر تلمّس كلتا البقعتين بيدك وقارن بينهما. هل إحداهما أدفأ من الأخرى؟ إذا كان الأمر كذلك، فأيهما أدفأ؟ ما السبب في هذا؟
  • (إذا أمكن، وإذا كان لديك إذنٌ بذلك)، احفر حتى عمق 3 سم تقريبًا في مادة سطح كل بقعة، وتحسس الطبقة الموجودة تحت السطح. قد لا يصلح الحفر في بعض المواقع أو مع بعض المواد. (على سبيل المثال، يجب ألا تحفر في حديقة عامة، ولا يمكنك أن تحفر في الخرسانة).
  • بالنسبة للمادة الموجودة تحت الشمس المباشرة، هل تشعر أن السطح والطبقة الموجودة تحته متشابهان، أم أن أحدهما أدفأ من الآخر؟ هل تلاحظ النتائج نفسها بالنسبة للمادة الموجودة في الظل؟
  • انتقل إلى مادة مختلفة. هل يمكنك العثور على بقعة في الظل وأخرى في الشمس بحيث يكون سطحاهما مغطَّيان بهذه المادة الجديدة نفسها؟ إذا كان الأمر كذلك، فهل تبدو البقعتان مختلفتين؟ هل تشعر بأنهما مختلفتان أيضًا عند لمسهما؟
  • إذا كان الأمر في إمكانك، كرر هذا الاستقصاء مع مادة ثالثة. جرب الماء، أو التربة، أو أي مادة طبيعية أخرى!
  • هل ترى نمطًا متكررًا؟ لماذا يحدث هذا؟
  • عد إلى السلك الذي وضعته عند حافة الظل. هل ترى أن حافة الظل تحركت؟ إذا لم تكن قد تحركت، فانتظر 10 دقائق وعد مجددًا. لماذا تتحرك حافة الظل؟
  • وفق الاتجاه الذي تحرك فيه الظل، الآن ظهرت لديك منطقة جديدة في الظل كانت تحت الشمس المباشرة من قبل، أو العكس. افحص مظهر هذه المنطقة وملمسها مقارنةً بالمناطق التي كانت في الشمس أو الظل مدةً طويلة. هل تلاحظ أية فروق؟
  • نشاط إضافي: إذا توصلت إلى وجود نمطٍ متكرر، فادرس هذا النمط مع مواد أخرى في المرة القادمة التي تذهب فيها إلى الحديقة العامة، أو ساحة اللعب، أو ملعب رياضي في الهواء الطلق، أو عليك بتكرار الخطوات نفسها داخل المنزل. هل تجد الفروق نفسها؟ لمَ؟ ولمَ لا؟
  • نشاط إضافي: ضع أكوابًا من الماء، و/أو التربة و/أو الحصى في الظل، وأكوابًا مماثلة لها تحت الشمس. افحص مظهر المواد الموجودة تحت الشمس المباشرة وملمسها، بالمقارنة بمظهر تلك الموجودة في الظل وملمسها. لاحظ أنه ليس من المفترض أن تقارن درجتي حرارة مادتين مختلفتين عن طريق اللمس (الصخور والتربة مثلًا)، لأن المواد المختلفة التي لها درجة الحرارة نفسها قد يكون لها ملمس مختلف تمامًا. يمكنك أن تقارن بين المادة الموضوعة تحت الشمس ومثيلتها الموجودة في الظل، أو أن تستخدم ترمومتر الأشعة تحت الحمراء لمقارنة درجة حرارة أسطح المواد المختلفة.
  • نشاط إضافي: حاول أن تعرف ما إذا كان هناك ارتباط بين لون المادة ودرجة حرارتها تحت الشمس المباشرة. هل تزداد سخونة التربة الداكنة أو الحصى الداكن بدرجة أكبر أم أقل من درجة سخونة التربة الفاتحة أو الحصى فاتح اللون؟ أم هل تزداد سخونة كليهما بالدرجة نفسها تقريبًا؟ ماذا عن الخرسانة الداكنة بالمقارنة بالخرسانة فاتحة اللون؟
  • نشاط إضافي: ابحث عن معلومات حول تأثير جزر الاحترار الحضرية، وكيف تحاول المدن مكافحته. هل يمكنك تصميم اختبار على نطاق صغير لدراسة ما إذا كانت هذه الأفكار المتبعة تصلح لمكافحة هذا التأثير؟

المشاهدات والنتائج

هل بدت المواد أكثر سطوعًا وأفتح لونًا تحت الشمس المباشرة؟ وكذلك هل كانت حرارتها أعلى عند تحسُّسك لها؟

تشع شمسنا الضوء، ويصل بعض هذا الضوء إلى الأرض. عندما يسقط الضوء على التربة، أو الحصى، أو العشب، أو الخرسانة، أو أي مادة أخرى تغطي كوكبنا، فإن جزءًا من هذا الضوء ينعكس، وهذا الضوء المنعكس يجعل المواد تبدو أكثر سطوعًا وأفتح لونًا. وتمتص المواد الجزء المتبقي من الضوء، ولذا ترتفع درجة حرارة أسطح هذه المواد. ولهذا تكون المواد الموجودة تحت الشمس المباشرة أدفأ عند لمسك لها. وتتسبب المواد الدافئة في رفع درجة حرارة الهواء المحيط بها، ولذا تشعر أنت بأن هذا الهواء أدفأ بدوره.

ربما لاحظت أن المادة تصبح أدفأ بدرجة طفيفة عند بدء سطوع الشمس عليها، وبعد فترة تصبح هذه المادة أدفأ بكثير. يستغرق ارتفاع درجة الحرارة بعض الوقت، على غرار ما يحدث من انخفاض تدريجي لدرجة حرارة مادة تم نقلها من الشمس إلى الظل.

يمكن لبعض المواد -مثل الخرسانة أو الصخور الداكنة أو حتى الرمل– أن تصبح ساخنةً للغاية؛ نتيجةً لوجودها تحت الشمس لفترة من الزمن. وترتفع درجة حرارة المياه أيضًا، ولكنها تحتاج إلى البقاء في الشمس لفترة أطول لترتفع حرارتها بدرجة مماثلة للدرجة التي تصل إليها حرارة المواد الأخرى. وبالمثل، تتناقص درجة حرارة الماء بشكل أبطأ من معدل تناقُص درجة حرارة التربة أو الخرسانة.

تم تقديم هذا النشاط بالشراكة مع "ساينس باديز".