الاستقرار وعدم الاستقرار الجوي

في الفترة الحالية وحتى نهاية شهر أبريل يتكون ما بين فترة و أخرى في وسط المملكة حالات من عدم الاستقرار الجوي، وينتج عن ذلك في بعض الأحيان سقوط أمطار تكون مصحوبة اأحيانا بعواصف رعدية ورياح وحبات من البرد.  ونظرا لتكرار التساؤل حول أسباب عدم والأستقرار الجوي ولماذا يحدث نسلط الضوء في هذه المقالة على تعريف وشرح الاستقرار وعدم الاستقرار الجوي. هناك العديد من التعريفات لعدم الاستقرار الجوي ومنها: عدم الاستقرار الجوي هو خاصية من خصائص النظام الجوي التي تتميز بوجود اضطراب في ذلك النظام في مكان ما. أو هو زيادة واضحة في الحركة الرأسية في الحيز السفلي من الغلاف الجوي.
إن حالة الاستقرار الجوي من عدمه تعتمد على العديد من العناصر التي من أهمها كمية بخار الماء في الجو وبالذات في الجزء السفلي من طبقة التروبوسفير وعلى درجة التباين بين محددات حرارية ثلاثة هي التغير البيئي الطبيعي لدرجة الحرارة Normal Lap Rate NLR والتغير الذاتي الجاف لدرجة الحرارة في فقاعة الهواء   Dry Adiabatic Lap Rate DALR والتغير الذاتي الرطب لدرجة الحرارة في فقاعة الهواء Moist adiabatic Lap Rate MALR .
أنواع الاستقرار وعدم الاستقرار الجوي
الاستقرار وعدم الاستقرار الجوي يعتمد على ظروف ميتيورولوجية عديدة من أهمها كمية بخار الماء في الجو والتفاوت بين قيم محددات حرارية هي التغير البيئي الطبيعي NLR والتغير الذاتي الجاف DALR  والتغير الذاتي الرطب MALR.  لذلك من المهم قبل الشروع في شرح حالات الاستقرار وعدم الاستقرار الجوي أن نشرح تلك المصطلحات العلمية السابقة الذكر.
1- التغير البيئي الطبيعي Normal Lap Rate NLR  هو تغير درجة الحرارة في البيئة بالارتفاع أو الانخفاض عن مستوى سطح البحر. ومعدل هذا التغير في طبقة التروبوسفير هو 6.5 درجة مئوية لكل 1000 متر إلا أن تلك القيمة هي معدل وتتغير من مكان إلى مكان ومن زمان إلى زمان وهذا راجع لظروف عديدة من أهمها كثافة الهواء والضغط الجوي وكمية الإشعاع الشمسي . وهذا التغير البيئي في درجة الحرارة يكون بالتناقص في درجة الحرارة بالارتفاع عن سطح البحر والزيادة عند الهبوط .
2- التغير الذاتي الجاف Dry Adiabatic lap Rate DALR  وهو تغير في درجة حرارة فقاعة الهواء التي لم تصل بعد إلى درجة التشبع ببخار الماء والناتج بشكل رئيسي عن تغير الضغط على تلك الفقاعة وليس سبب البيئة المحيطة. فالفقاعة الصاعدة إلى أعلى لأي سبب من السباب يقل الضغط عليها فتتمدد فتنخفض درجة حرارتها لهذا السبب وبسبب ما تستهلكه من طاقة عند صعودها إلى أعلى. وهذا التغير يتبع المعادلة الرياضية التالية:  rd = g/Cp
حيث:g  = تسارع الجاذبية الأرضية ومقداره 9.81 متر/ ث2 .
 = Cp  الحرارة النوعية للهواء عند حجم ثابت ومقداره 1004 جول/كغم/مْ.  
وبالتعويض نحصل على Td مقداره 9.8C/1000m
لذلك هذا التغير الذاتي الجاف شبه ثابت مقداره 9.8C/1000m أو بشكل تقريبي
 10 C/1000m ما دامت الفقاعة جافة أي لم تصل إلى مرحلة التشبع. أيضاً الفقاعة الهابطة من أعلى إلى أسفل ترتفع درجة حرارتها بنفس المقدار بسبب انضغاطها و تقلص حجمها .
3- التغير الذاتي الرطب Moist Adiabatic Lap Rate MALR  وهو تغير في درجة حرارة فقاعة الهواء التي وصلت إلى مرحلة الشبع ببخار الماء. وهذا التغير في درجة الحرارة ناتج بشكل رئيسي عن تغير الضغط على تلك الفقاعة وليس بسبب تأثير البيئة المحيطة. فالفقاعة الهوائية المتشبعة الصاعدة إلى أعلى لأي سبب من الأسباب يقل الضغط عليها وتتمدد مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارتها لهذا السبب وبسبب ما تستهلكه من طاقة عند بذلها جهد أثناء صعودها إلى أعلى. وعلى العكس من التغير الذاتي الجاف التغير الذاتي الرطب ليس ثابت بل يتراوح ما بين  4.5c/1000mإلى  9.5c/1000m تقريبا. وسبب هذا التفاوت في قيمة التغير الذاتي الرطب هو أن فقاعة الهواء عندما تصعد إلى أعلى وتنخفض درجة حرارتها وتتكاثف تطلق ما بها من حرارة كامنة  Latent Heat أثناء عملية التكاثف. هذا يجعل عملية التبريد الذاتي للفقاعة أقل من 9.8C/1000mويعتمد ذلك على كمية بخار الماء في تلك الفقاعة. ففقاعة الهواء التي تحمل كمية كبيرة من بخار الماء سوف تطلق كمية أكبر من الحرارة الكامنة أثناء عملية التكاثف، وبالتالي يكون تبريد الفقاعة الذاتي أثناء الصعود أقل من  9.8C/1000mبشكل واضح، أما الفقاعة التي تحمل كمية قليلة من بخار الماء فسوف تطلق حرارة كامنة أقل وبالتالي يكون تبريدها الذاتي أثناء الصعود أقل من 9.8C/1000mولكنه أكبر من الحالة الأولى .
إن من أهم العوامل التي تلعب دوراً في حدوث حالات الاستقرار و عدم الاستقرار الجوي التفاوت بين قيم المتغيرات الحرارية الثلاثة السابقة الذكر وهي  NLR وDALR و MALR و بناءا على ما سبق يمكن تقسيم الاستقرار وعدم الاستقرار الجوي إلى ثلاثة أقسام رئيسية وهي:
1- استقرار جوي تامAbsolute Stability :
وهذا يحدث عندما يكون NLR < DALR &MALR 
وهذا يعني أن فقاعة الهواء التي تصعد إلى الأعلى لأي سبب من الأسباب سواءاً اتبعت في تبريدها تبريداً ذاتياً جافاً أو رطباً ( الخط الأحمر و الأخضر في الشكل 1) سوف تبقى دائما أبرد من البيئة المحيطة، وبالتالي تكون كثافتها أكبر من كثافة الهواء المحيط بها فتهبط إلى أسفل لتكون فقاعة مستقرة، حيث إن حالة الاستقرار الجوي مرتبطة بهبوط في الهواء وعدم الاستقرار الجوي مرتبطة بصعود في الهواء.
2- عدم الاستقرار الجوي التام Absolute Stability :
وهذا ما يحدث عندما يكون NLR > DALR &  MALR    وهذا يعني أن فقاعة الهواء التي تصعد إلى أعلى سواء اتبعت في تبريدها تبريداً ذاتياً جافاً أو رطباً سوف تكون دائماً أدفأ من البيئة المحيطة وبالتالي تكون كثافتها أقل من كثافة الهواء في البيئة المحيطة فتصعد إلى أعلى لتكون فقاعة غير مستقرة (الشكل 2). و تعتمد قوة عدم الاستقار بشكل رئيس على الفرق بين NLR  وكل من DALR و MALR  وكذلك على كمية بخار الماء في الجزء السفلي من الغلاف الجوي. فإذا كان هناك عدم استقرار جوي تام وكان هناك كمية كبيرة من بخار الماء في الجو برزت مظاهر عدم الاستقرار الجوي السابقة الذكر بشكل واضح لأن عملية التكاثف كبيرة وفرصة نشوء السحب كبيرة. أما إذا كان هناك حالة عدم استقرار جوي تام وكانت كمية بخار الماء في الغلاف الجوي قليلة جداً فإن مظاهر عدم الاستقرار الجوي السابقة الذكر لا تظهر وذلك لقلة السحب أو انعدامها. والحالة الأخيرة يتردد تكرارها في المناطق الصحراوية المدارية حيث تتواجد حالات عدم الاستقرار الجوي إلا أن نشوء السحب يكون محدوداً بسبب قلة بخار الماء في الجو لذلك في هذه الحالة تبرز مظاهر عدم الاستقرار الجوي في إثارة الغبار المتصاعد والعواصف الترابية أحياناً.
3- عدم الاستقرار الجوي الشرطي Conditional Instability :
وتحدث هذه الحالة عندما يكون MALR < NLR < DALR   (الشكل 3)  وهذا يعني أن فقاعة الهواء التي تتصاعد إلى أعلى لأي سبب سوف تكون أبرد وأكثف من الهواء المحيط وبالتالي تكون فقاعة مستقرة مادامت لم تصل إلى مرحلة التشبع ولازالت تتبع في تبريدها تبريداً ذاتياً جافاً. أما إذا أخذت بالتكاثف عندما تصل إلى مستوى التكاثف Condensation Level  فإنها سوف تتبع تبريداً ذاتياً رطباً فتقل عملية التبريد في الفقاعة بسبب إطلاق الحرارة الكامنة أثناء عملية التكاثف إلى أن تصل إلى مستوى علوي معين يسمى مستوى التصاعد الحرLFC Level of Free Convection  والذي عنده تكون الفقاعة أدفأ من البيئة المحيطة فتتحول إلى فقاعة غير مستقرة. وسمي هذا النوع من عدم الاستقرار بعدم الاستقرار الشرطي لأنه في هذه الحالة يشترط تواجد عملية رفع تساعد الفقاعة لكي تصل إلى مستوى التصاعد الحر LFC  لتتحول إلى فقاعة غير مستقرة.
وعمليات الرفع المتواجدة في البيئة والتي تحقق وجود مثل هذا النوع من عدم الاستقرار الجوي تنقسم إلى قسمين: رفع دينميكي Dynamical Lifting  ورفع ميكانيكي Mechanical Lifting   فالرفع الدينميكي مرتبط بوجود دينميكية رفع معينة مثل الرفع الجبهيFrontal Lifting .  وهذا النوع من الرفع الدينميكي يحدث أحياناً في بعض أجزاء من المملكة في الفترة الممتدة من أواسط أكتوبر إلى أوائل مايو وهي فترة عبور المنخفضات الجوية الحركية عبر أجواء المملكة. أما الرفع الميكانيكي فمرتبط بوجود مرتفعات جبلية توفر ميكانيكية رفع للهواء الذي يرتطم بهذه الجبال مما يؤدي إلى تصاعدها إلى مستوى التكاثف ومن ثم إلى مستوى التصاعد الحر لتحدث حالة عدم الاستقرار الجوي. وكما هو الحال في الرفع الدينميكي بروز مظاهر عدم الاستقرار الجوي يعتمد على كمية بخار الماء المتوفرة في الهواء. وهذا النوع من الرفع وما يصاحبه من عدم استقرار جوي يحدث في المرتفعات الغربية والجنوبية الغربية وبالذات في أواخر فصل الصيف وأول الخريف حيث يزداد هبوب الرياح الموسمية الجنوبية الغربية الرطبة.

أستاذ علم المناخ
عميد كلية الآداب