درجة الحرارة وطرق القياس

تتكون المادة من ذرات أو جزئيات تكون فى حركة دائمة تعرف بالطاقة الحركية Kinetic       Energy   للذرة أو الجزيء المكون للمادة، وتعرف ال...

تتكون المادة من ذرات أو جزئيات تكون فى حركة دائمة تعرف بالطاقة الحركية Kinetic      Energy  للذرة أو الجزيء المكون للمادة، وتعرف الحرارة Heat بأنها كمية الطاقة الحركية فى الذرة الواحدة أو الجزيء الواحد للمادة، ولا تتحرك الذرات أو الجزئيات بنفس السرعة فى كل وقت فتتباين الطاقة الحركية لها وبالتالي حرارتها، وتعرف درجة الحرارة Temperature بأنها مقياس يحدد متوسط كمية الطاقة الحركية للذرة الواحدة او الجزيء الواحد.

ويتم التعبير عن درجة الحرارة بثلاثة مقاييس أساسية، فالشائع هو المقياس المئوي Celsius    Scale  أو الدرجة المئوية (°م) وهو مقياس رقمي مقسم إلى 100 درجة تبدأ من درجة تجمد الماء وهى الصفر المئوي تنتهى عند درجة غليان الماء وهى 100 م.

وتستخدم مجموعة قليلة جداً من دول العالم من بينها الولايات المتحدة الأمريكية المقياس الفرنهيتي Fahrenheit Scale ( ° ف) وهو مقسم إلى 1180 درجة تبدأ من درجة تجمد المياه وهى ٣٢° ف، وتنتهى عند درجة غليان الماء إي 212° ف.

أما المقياس الأخير فهو مقياس هام ومفيد يسمى مقياس كلفن Kelvin ( ° ك) وهو يبدأ من درجة الصفر المطلق Absolute Zero وهى الدرجة التي تتوقف عندها حركة جزئيات المادة (لا ينتج عندها حرارة) وهى تعادل -273,15° م (٤٥٩,٦٧° ف) وأي جسم له درجة حرارة أكبر من الصفر المطلق يعنى أنه يقوم بنقل الطاقة الحركية إلى البيئة المحيطة به على شكل موجات حرارية تتحرك بسرعة الضوء وتبعاً لهذا المقياس فان درجة تجمد المياه تكون 273,65 درجة مطلقة ودرجة غليان المياه تكون 373.15° مطلقة.

وفى حالة الرغبة فى تحويل المقياس المئوي إلى المقياس الفرنهيتي يتم التحويل عن طريق النسبة بين عدد وحدات كل منهما ، فكون النسبة بيتهما 100: 180 على الترتيب، أو 5:9 على الترتيب. ولأن المقياس الفرنهيتي يتزحزح بمقدار ٣٢ وحدة بالنسبة للمقياس المئوي فيؤخذ ذلك فى الاعتبار عند التحويل على النحو التالي:

الدرجة الفرنهيتية (°ف) = (9÷5×الدرجة المئوية) + 32

الدرجة المئـــــــــــــــــــوية (° م)  = 5 ÷ 9(الدجة الفرنهيتية -٣٢)

وفى حالة الرغبة فى تحويل المقياس المئوي إلى المقياس المطلق (كلفن) يضاف 273,15 إلى الدرجة المئوية.

وتتباين درجة حرارة الهواء زمانياً على مدار اليوم الواحد، وعلى مدار شهور السنة كنتيجة طبيعية لتباين الإشعاع الشمسي المرتبط بحركة دوران الأرض حول محورها يومياً، وحركة دوران الأرض حول الشمس سنوياً، ننتج عن ذلك دورة يومية لدرجة الحرارة موزعة على ساعات اليوم الواحد، وأخرى سنوية موزعة على شهور السنة.

وتتباين درجة الحرارة من منطقة إلى اخرى أو من مكان إلى آخر على سطح الأرض، تبعاً لتباين طبيعة سطح الأرض من يابس أو ماء، اختلاف مناسيب سطح الارض، تنوع الغطاء النباتي، بالإضافة إلى تباين التضاريس، وامتداد الغطاءات الجليدية، ونشاط الثورانات البركانية، وحركة التيارات البحرية، وتسرب حرارة باطن الأرض من خلال الشقوق والفوالق والينابيع والحفر وغيرها من العوامل المكانية التي لا يمكن حصرها.

قياس درجة الحرارة.

تتباين درجة الحرارة زمانياً ومكانياً، فهى تتباين زمانياً على مدار اليوم الواحد وعلى مدار شهور السنة، ومكانياً تبعاً لتباين صافي الاشعاع الشمسي على دوائر العرض المختلفة وتباين الخصائص الجغرافية لسطح الارض من مكان إلى آخر. وتعد درجة الحرارة عامل بيئي هام يرتبط بكل أشكال الحياة على سطح الأرض، فهو عامل ينظم الضغط الجوي، الرياح، التبخر، التكاثف والتساقط كتغيرات مناخية تابعة له، بالإضافة إلى حركة التيارات البحرية، وتجمد البحيرات والأنهار والبحار فى العروض العليا كما أنه يؤثر فى أشكال الحياة المدنية اليومية وفى الأنشطة البشرية المتعددة ولعل أهمها النشاط الزراعي وحركة النقل والمواصلات.

ويعد قياس درجة الحرارة من اهم المتغيرات التي تستخدم لوصف خصائص الغلاف الجوي، وهى عنصر أساسي فى تقارير الطقس والتنبؤ المناخي، ويستفاد من قياسها تحديد كل من المتوسط والمدى الحرارى اليومي، الشهري، السنوي المستخدمة فى وصف حالة الطقس والمناخ ودراسة علاقة درجة الحرارة بالمتغيرات البيئية.

نستخدم جهاز الترمومتر الزئبقي Thermometer فى قياس درجة حرارة الهواء وهو يتكون من أنبوب زجاجي مدرج بالتدريج المئوي أو الفهرنهيتي أو الاثنين معاً توجد فى نهايته مستودع مملوء بالزئبق فعندما تتغير درجة الحرارة يتغير ارتفاع الزنبق فى الأنبوب ونتعرف على قيمتها من خلال التدريج.

ويستخدم لقياس درجة الحرارة العظمى ثرمومتر النهاية العظمي Maximum Thermometer وهو ثرمومتر زئبقي يوجد فى أنبوبته (مجرى الزئبق) اختناق يسمح للزئبق بالمرور من المستودع داخل الأنبوب عند تمدده بارتفاع درجة الحرارة، ولا يسمح له بالعودة فى الاتجاه المعاكس عند انكماشه بانخفاض درجة الحرارة، وبذلك يظل الزنبق فى مكانه مشيراً لأعلى درجة بلغتها حرارة الهواء مما يسمح بقراءتها فى أي وقت من اليوم.

ويستخدم لقياس درجة الحرارة الصغرى ثرمومتر النهاية الصفري Minimum Thermometer وهو ثرمومتر يستخدم فيه الكحول بدلآ من الزنبق لأن درجة تجمد الكحول تبلغ-117°م وهى أقل من درجة تجمد الزنبق التي تبلغ -37°م. ويوجد داخل أنبوب الترمومتر مؤشر زجاجي أو معدني رقيق له رأسان ومصمم لكى يتحرك فى أنبوب الكحول فى اتجاه انكماش الكحول عندما تنخفض درجة الحرارة، ولا يتحرك فى اتجاه تمدد الكحول عندما ترتفع درجة الحرارة وبذلك يظل المؤشر ساكناً عند أدنى درجة حرارة بلغتها حرارة الهواء ومشيراً إليها.

ويُعدل كل من ثرمومتر النهاية العظمى والنهاية الصغرى بعد قراءة كل منهما، وذلك يُهز الأول بشدة، وقلب الثان إلى أسفل، ولزيادة دقة قياس درجة الحرارة يجب أن توضع الثرمومترات فى الظل بعيداً عن مياه الأمطار أو الثلوج، وأشعة الشمس المباشرة، فتوضع الثرمومترات بمحطات الأرصاد الجوية داخل كشك خشبي مطلى بدهان أبيض وجيد التهوية ويكون مواجهاً لاتجاه الشمال وعلى ارتفاع يتراوح بين ١,٢ ، ١,٨ متراً فوق سطح الأرض، وهو يوفر الظل اللازم للأجهزة الموجودة بداخله وطرازه موحد بجميع محطات الأرصاد الجوية فى جميع أنحاء العالم.

كشك رصد درجة الحرارة

وتعد الثرمومترات السابقة أجهزة قياس يقرؤها الراصد بنفسه لهذا فإن الدرجة التي يسجلها الراصد تتوقف دقته وصحة تقديره لها، وتقاس درجة الحرارة في أوقات معينة على مدار اليوم تبعاً لنظام كل محطة، وفي الغالب كل ثلاثة ساعات، وهذا القياس لا يعكس تقلبات الحرارة على مدار ساعات اليوم كله، ولهذه الأسباب تستخدم المراصد جهاز الثرموجراف Thermograph في تسجيل درجات الحرارة على مدار اليوم الواحد أو أيام الأسبوع ألياً لحظة بلحظة فتوفر سجلاً حرارياً كاملاً موزعاً على وحدات الزمن (الساعة وأجزاءها) على مدار اليوم أو أيام الأسبوع.

ويتكون الثرموجراف جهاز حساس يتألف من قطعتين معدنيتين ذات معامل تمدد مختلف يتم لحمهما معاً وتثبيتهما معاً من جهة واحدة بينما تكون الجهة الأخرى حرة الحركة فإذا ارتفعت درجة الحرارة تمددت القطعتان وإذا انخفضت انكمشا بمعدلين مختلفين فيتغير انثنائهما وتنتقل هذه الحركة عن طريق روافع خاصة إلى سن ريشة تسجل بالحبر على ورقة رسم بياني مقسمة إلى محور أفقي يمثل درجة الحرارة ملفوفة على أسطوانة تدور دورة كاملة كل يوم (في حالة تسجيل حرارة اليوم الواحد) أو كل أسبوع (في حالة تسجيل حرارة أيام الأسبوع). 

جهاز الثرموجراف thermograph لتسجيل درجة الحرارة

ويتم حساب المتوسطات اليومية والشهرية والسنوية وكذلك المدى الحراري من خلال قياسات درجة الحرارة على النحو التالي:

1-المتوسط اليومي لدرجة الحرارة Daily Mean ويتم حسابه بطرقتين:

أ-قسمة مجموعة القراءات المرصودة لدرجة الحرارة خلال اليوم على عدد مرات رصدها.

ب-قسمة مجموع النهاتين العظمى والصغرى على 2.

٢-المتوسط الشهري لدرجة الحرارة Monthly Mean ننم حسابه بقسمة مجموع المتوسطات اليومية لدرجة الحرارة خلال الشهر على عدد أيام الشهر. وبالمثل يتم حساب المتوسط الشهري لكل من درجتي الحرار ة العظمى والصغرى كما يلى:

أ-ينتج المتوسط الشهري للنهاية العظمى بقسمة مجموع النهايات العظمى درجة الحرارة المسجلة على مدار الشهر على عدد أيام الشهر.

ب-ينتج المتوسط الشهري للنهاية الصغرى بقسمة مجموع النهايات الصغرى المسجلة على مدار الشهر على عدد أيام الشهر.

٣-المتوسط السنوي لدرجة الحرارة Annual Mean ويتم حسابه بقسمة مجموع المتوسطات الشهرية لدرجة الحرارة خلال السنة على 12 (عدد شهور السنة).

٤ -المدي اليومي لدرجة الحرارة Annual Range وهو عبارة عن الفرق بين النهايتين العظمى والصغرى لدرجة الحرارة أثناء اليوم الواحد.

5-المدى السنوي لدرجة الحرارة Annual Range وهو عبارة عن الفرق بين كل من أعلى متوسط شهري لدرجة الحرارة وأدنى متوسط شهري لها.

المصدر:
خرائط الطقس والمناخ-دكتور محمد إبراهيم شرف-دار المعرفة الجامعية الإسكندرية.