د. هاني الانصاري – هندسة ميكانيكية – جامعة الملك سعود

ما العلاقة بين مقصورة السيارة والبيوت المحمية والتغير المناخي؟ قد يبدو هذا السؤال للوهلة الأولى غريبًا وغير منطقي، إلا أن هناك قاسمًا مشتركًا هامًا بين هذه الأشياء الثلاثة. ولكي نكتشف ذلك القاسم المشترك، علينا أن نفهم أولًا كيف تنتقل الحرارة من جسم إلى آخر، حيث إن فهم طرق انتقال الحرارة بشكل عام، وانتقال الحرارة بالإشعاع بشكل خاص هو مفتاح الإجابة على سؤالنا، ويوضح سبب ظاهرة بيئية هامة من ظواهر التغير المناخي وهي الاحتباس الحراري.

ما هي الحرارة؟

الحرارة (Heat) هي شكل من أشكال الطاقة. وهي تنتقل من مكان لآخر، وليست الطريقة الوحيدة لنقل الطاقة من مكان لآخر، حيث إن الطريقة الأخرى المعروفة هي جهد العمل (Work). ولكن السمة التي تميز انتقال الطاقة بالحرارة هي أنها تنتقل من الجسم الأكثر سخونة إلى الجسم الأقل سخونة. أي أن السمة الأساسية لانتقال الحرارة هي ضرورة وجود فرق في درجة الحرارة بين الجسمين. فعندما تلمس كوبًا ساخنًا من القهوة تنتقل الحرارة فورًا من جدران الكوب إلى جلدك لأن درجة حرارة الكوب الساخن أعلى من درجة حرارة جسمك، وبالمقابل إذا لمست كوب ماء بارد، فإن الحرارة تنتقل فورًا من جسمك إلى الكوب، لأن هذه المرة جسمك هو الأكثر سخونة.

أنواع انتقال الحرارة

هناك ثلاث طرق تنتقل بها الحرارة من مكان لآخر. ويوضح الشكل أدناه آلية انتقال الحرارة بتلك الطرق الثلاث. وفيما يأتي شرح مختصر لكل منها.

انتقال الحرارة بالتوصيل (Heat Conduction)

وهي الطريقة السائدة في الأجسام الصلبة، وتعتمد على أن تكون هناك طبقة من جزيئات لديها طاقة عالية وتهتز بقوة بسبب ارتفاع درجة حرارتها. وتنقل هذه الطبقة جزءًا من طاقتها إلى طبقة ملاصقة لها من جزيئات أقل اهتزازًا وأقل درجة حرارة، ثم تنقل هذه الطبقة الثانية جزءًا من طاقتها إلى الطبقة التي تليها، وهكذا. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك انتقال الحرارة من خلال جدران المباني. ففي يوم صيفي حار على سبيل المثال، يكون السطح الخارجي للجدار ساخنًا، فتكون الجزيئات المكونة لطبقة الطوب الخارجية ذات درجة حرارة عالية وتهتز بقوة فتنقل جزءًا من طاقتها إلى الطبقة الملاصقة لها داخل الجدار. وتستمر الطاقة في الانتقال من طبقة إلى طبقة حتى تصل إلى السطح الداخلي للجدار. وكلما كانت قابلية المادة لتوصيل الحرارة أضعف، كلما صار معدل نقل الحرارة من طرف إلى طرف أبطأ.

انتقال الحرارة بالحمل (Convection Heat Transfer) 

تنتقل الحرارة بالحمل عندما يلامس غاز أو سائل سطحًا صلبًا، فيقوم الغاز أو السائل بحمل الحرارة من أو إلى السطح الصلب. فعلى سبيل المثال، عندما تتعرض أجسامنا لهواء بارد فإن الهواء البارد «يحمل» الحرارة من على سطح أجسامنا الساخنة فتفقد أجسامنا بذلك جزءًا من طاقتها. وبالمقابل، ففي سخانات الماء، يمر ماء بارد على سلك كهربائي ساخن «فيحمل» الماء البارد جزءًا من الطاقة الموجودة في السلك فيكتسب الماء هذه الطاقة وتزداد سخونته.

انتقال الحرارة بالإشعاع (Radiation Heat Transfer)

تقوم جميع الأجسام الموجودة في الطبيعة بإطلاق الحرارة بالإشعاع، وتزيد كمية الحرارة المنبعثة بالإشعاع كلما زادت درجة حرارة الجسم. والسبب في ذلك هو أن الذرات الموجودة على السطح الخارجي للجسم تدور حول نواة كل منها إلكترونات في مدارات محددة حسب نظرية الكم. غير أن الإلكترونات التي تدور في المدارات الخارجية قد تخرج عن مدارها بشكل مؤقت إلى مدار أعلى، ثم تعود إلى مدارها الأصلي، وينتج عن هذه «القفزة» موجة كهرومغناطيسية تحتوي على كمية من الطاقة تسمى «الفوتون». وكلما كان سطح الجسم أكثر سخونة كلما تهيجت تلك الإلكترونات بشكل أكبر، وكانت قفزاتها أكبر، وكمية الطاقة في الفوتونات التي تصدر منها أكبر. وحيث إن الأسطح الخارجية للأجسام تحتوي على عدد ضخم من الذرات، فإن هذا السطح يطلق عددًا هائلًا من حزم الفوتونات وتنتشر في جميع الاتجاهات على شكل موجات كهرومغناطيسية. لكن عملية قفز الإلكترونات من مدار إلى آخر تتسم بشيء من العشوائية، ولذلك نجد أن الإشعاع الذي يخرج من جسم ما يشكل طيفًا واسعًا من الفوتونات تتفاوت في كمية الطاقة التي تمتلكها والتردد والطول الموجي لكل منها.

رحلة الفوتونات من سطح الشمس إلى سطح الأرض

تبلغ درجة حرارة الطبقة الخارجية للشمس حوالي 5500 درجة مئوية. وبناء على هذا المستوى من درجة الحرارة، يخرج إشعاع الموجات الكهرومغناطيسية (الفوتونات) من الشمس بطيف معين. ويوضح الشكل أدناه أن جزءًا كبيرًا من الإشعاع الشمسي (حوالي 44%) يخرج من الشمس عند أطول موجية تتراوح بين 400 و700 نانومتر، وهي الأطوال الموجية التي تستطيع عين الإنسان أن تراها. ولذلك يسمى هذا الجزء من الإشعاع الشمسي «الطيف المرئي»، بينما تشكل الأطوال الموجية لإشعاع الشمس التي تزيد عن 700 نانومتر حوالي 48%وتسمى «الأشعة تحت الحمراء». أما الأطوال الموجية لإشعاع الشمس الأقصر من 400 نانومتر في تمثل حوالي 7% فتسمى «الأشعة فوق البنفسجية». عندما تصل الفوتونات الصادرة من الشمس إلى كوكب الأرض، يخترق معظمها الغلاف الجوي ويصل إلى سطح الأرض، ولكن تقوم بعض الغازات الموجودة في الغلاف الجوي بامتصاص جزء من هذه الفوتونات. ويوضح الشكل أدناه أن بخار الماء وثاني أكسيد الكربون من أكثر الغازات امتصاصًا لإشعاع الشمس، فالمنحنى الأصفر يمثل الإشعاع الشمسي الذي كان سيصل لسطح الأرض. لو لم يكن هناك غلاف جوي. أما المنحنى الأحمر فيمثل الإشعاع الشمسي الذي يصل فعلًا إلى الأرض، والفرق بين المنحنيين ناتج عن كمية الإشعاع التي يمتصها بخار الماء أو ثاني أكسيد الكربون الموجودان في الغلاف الجوي. ويحدث ذلك عند أطوال موجية محددة.

كيف يبدو الطيف الموجي للشمس مقارنة بالأجسام المحيطة بنا؟

تعتمد طبيعة الإشعاع الصادر من جسم ما بشكل رئيس على درجة حرارته. لذلك فمن الطبيعي أن يكون الطيف الموجي الصادر من الأجسام المحيطة بنا مختلفًا كثيرًا عن الطيف الموجي للشمس، لأن الأجسام المحيطة بنا أبرد بكثير من الشمس. وهنا نقارن الطيف الموجي للشمس بذلك النابع من ثلاثة مصادر، تتعلق بالسؤال الذي طرحناه في البداية، وهي مقصورة السيارة، والبيوت المحمية، وسطح الأرض. ودرجات حرارتها التقريبية (على التوالي) هي 60 و25 و15 درجة مئوية. والآن لنقارن الطيف الموجي لكل واحد من هذه الأجسام بالطيف الموجي للشمس من خلال الجدول الآتي نلاحظ أن إشعاع الأجسام الثلاثة المذكورة يصدر بالكامل كأشعة تحت حمراء لا تستطيع العين المجردة أن تراه. ويعود ذلك إلى أن درجات حرارتها منخفضة جدًا مقارنة بدرجة حرارة الشمس. وهذه المعلومة هي مفتاح الإجابة على سؤالنا. فلنقم الآن بدراسة ما يحدث في مقصورة السيارة والبيوت المحمية، ثم نقارن ذلك بما يحدث على سطح الأرض والغلاف الجوي.

لماذا ترتفع درجة حرارة مقصورة السيارة عندما تتعرض مباشرة للشمس لفترة طويلة 

عندما تقف السيارة معرضة لأشعة الشمس بشكل مباشر، فإن الفوتونات القادمة من الشمس ستحاول النفاذ من خلال الزجاج، ولكن لن تتمكن جميعها من ذلك، إذ أن فوتونات الإشعاع فوق البنفسجي ذات الطاقة العالية والأطوال الموجية القصيرة جدًا تصطدم بإلكترونات جزيئات مادة السيليكا التي يتكون منها الزجاج، فتمتص تلك الإلكترونات الفوتونات فوق البنفسجية، أو تعكس طاقتها إلى الخارج مرة أخرى. ويحدث الأمر نفسه لفوتونات الأشعة تحت الحمراء ذات الأطوال الموجية الطويلة جدًا. أما فوتونات الطيف المرئي وجزء يسير من الأشعة تحت الحمراء ذات الأطوال الموجية القصيرة نسبيًا، فطاقتها لا تكفي لكي تتفاعل مع إلكترونات جزيئات السيليكا، فتنفذ من الزجاج إلى داخل السيارة. ويفسر ذلك قدرتنا على رؤية الأجسام المحيطة بنا عندما نكون داخل مقصورة السيارة، إذ أن ذلك دليل على أن الطيف المرئي تمكن من النفاذ من الزجاج والوصول إلى أعيننا. بعد نفاذ الطيف المرئي وجزء بسيط من الأشعة تحت الحمراء إلى داخل المقصورة يصطدم بكل ما بداخل المقصورة، فيتم امتصاص جزء كبير من الإشعاع في الكراسي وغيرها من الأسطح فترتفع درجة حرارتها تدريجيا، ولكن يفترض في الوقت نفسه من حيث المبدأ أن تتمكن الفوتونات التي تخرج من هذه الأسطح من النفاذ من خلال الزجاج إلى خارج السيارة، تمامًا كما استطاع الطيف المرئي للشمس أن ينفذ أصلًا إلى داخل السيارة. وهنا تكمن المشكلة، فالطيف الذي تشعه الأسطح داخل السيارة هو أشعة تحت حمراء ذات أطوال موجية كبيرة، فعندما تحاول أن تنفذ من الزجاج لا تستطيع للسبب الذي ذكرناه منذ قليل، بل إنها ترتد وتبقى حبيسة السيارة. وبذلك يكون الزجاج بمثابة مصيدة لضوء الشمس، فهو يسمح للطيف المرئي للشمس بالدخول ولكنه يمنع الأسطح بالداخل من إخراج إشعاعها تحت الأحمر. ويوضح الشكل أدناه هذه العملية. يؤدي ذلك إلى استمرار ارتفاع درجة الحرارة داخل المقصورة إلى أن تصل إلى درجة معينة تكون الأطوال الموجية الخاصة بها قصيرة بما يكفي للنفاذ من الزجاج. ونكون بذلك قد وصلنا إلى درجة حرارة التوازن، وقد تصل هذه الدرجة إلى حوالي 60 درجة مئوية في الأيام الصيفية الحارة.

وماذا عن البيوت المحمية؟

في البيوت المحمية، يحدث أمر مشابه لما يحدث داخل مقصورة السيارة، حيث إن الغطاء الشفاف للبيت المحمي يقوم بالدور نفسه الذي يقوم به زجاج مقصورة السيارة، إذ يسمح الغطاء الشفاف بنفاذ جزء كبير من طيف الشمس ويمتصه الهواء والمحاصيل الموجودة بالداخل، ولكن الإشعاع الصادر من هذه المحاصيل يكون في الطيف تحت الأحمر ذي الأطوال الموجية الكبيرة فلا يستطيع النفاذ إلى خارج البيت المحمي. ويؤدي ذلك إلى بقاء البيت المحمي دافئًا حتى في فترة الشتاء.

ما علاقة ذلك كله بالتغير المناخي؟

على مدى ملايين السنين، كان هناك توازنًا دقيقًا بين كمية الإشعاع التي يمتصها كوكب الأرض من الشمس وبين الإشعاع الذي تصدره الأرض، ويغادر الغلاف الجوي ليصل إلى الفضاء الخارجي. كانت هاتان الكميتان متساويتين تقريبًا، وهو الأمر الذي حافظ على درجة حرارة سطح الأرض والغلاف الجوي ثابتة على مدى تلك الفترات الطويلة. وكما رأينا سابقًا، فإن ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء يمتصان جزءًا من الإشعاع الشمسي وقت نفاذه من الغلاف الجوي. وفي الحقيقة، فإن ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء يمتصان أيضًا جزءًا من الإشعاع الذي تصدره الأرض قبل نفاذه إلى الفضاء الخارجي، فيساهم ذلك في بقاء درجة حرارة الغلاف الجوي معتدلة. ومن الضروري هنا التأكيد على أن سبب وجود ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء في الغلاف الجوي على مدى تلك العصور الطويلة كان بسبب العمليات الطبيعية مثل تنفس الكائنات الحية أو البراكين أو تبخر الماء من المحيطات. ثمة آمر ما غير هذا التوازن الطبيعي الدقيق مع بداية الثورة الصناعية قبل حوالي 200 عام، فقد بدأ الإنسان منذ ذلك الوقت بحرق أنواع مختلفة من الوقود الأحفوري (بدءا بالفحم ثم النفط الخام ثم البنزين والديزل والغاز الطبيعي)، وذلك إما لتشغيل محركات المركبات كالقطارات والسيارات أو لتوليد الكهرباء أو لعمليات صناعية. وفي كل هذه المجالات، يتسبب حرق الوقود الأحفوري في إنتاج كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء، أي أن النشاط الإنساني أدى إلى زيادة نسبة ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء في الغلاف الجوي بشكل ملحوظ في الأعوام المئتين الأخيرة. 

وقد أدى تزايد نسب ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء في الغلاف الجوي إلى أن أصبح الغلاف الجوي يشبه إلى حد كبير زجاج السيارة أو الغلاف الشفاف للبيوت المحمية، حيث إنه يسمح بمرور الفوتونات القادمة من الشمس بأطوال موجية قصيرة في الطيف المرئي وجزء من الأشعة تحت الحمراء، بينما يمنع الفوتونات الصادرة من سطح الأرض بأطوال موجية كبيرة كأشعة تحت حمراء من الخروج إلى الفضاء، تمامًا كما يحصل داخل مقصورات السيارات والبيوت المحمية. والسبب في ذلك يعود إلى أن ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء يمتصان الفوتونات ذات الأطوال الموجية الكبيرة بشراهة، كما يظهر في الشكل الآتي. وقد لاحظ العلماء بالفعل ارتفاعًا واضحًا في درجات حرارة الأرض (كما يظهر في الشكل أدناه) لا يمكن تبريره إلا بهذه الظاهرة. وإذا استمر الوضع على ما هو عليه، فإن استمرار ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي وسطح الأرض والمحيطات سيكون أمرًا حتميًا وذا عواقب كارثية على مستقبل البشرية. سيؤدي ذلك إلى ذوبان الجليد تدريجيًا في القطبين الشمالي والجنوبي، فيرتفع بذلك منسوب المحيطات بشكل يؤدي إلى فيضانات. كما أن ارتفاع درجة حرارة المحيطات يزيد من شدة الأعاصير. وارتفاع نسبة ثاني أكسيد الكربون في مياه المحيطات يؤدي إلى موت أنواع كثيرة من الأسماك والشعاب المرجانية التي تعيش فيها تلك الأسماك.

خاتمة

إن المخرج الوحيد من هذا المنحى الكارثي هو كبح جماح انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء الناتجة من النشاط الإنساني. وهذا هو ما اتفقت عليه معظم دول العالم خلال مؤتمر (COP26) المقام عام 2021 في غلاسكو، وستكون الأداة الأهم في ذلك هي التحول التدريجي إلى تلبية احتياجات الإنسان من الكهرباء ووسائل النقل من خلال الطاقة المتجددة كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح. وبالرغم من أن المسؤولية الكبرى تقع على عاتق الحكومات في القيام بذلك، إلا أننا كأفراد نستطيع القيام بدور فعال من خلال ترشيد استهلاك الكهرباء والوقود لكي تقل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء الناتجة من محطات توليد الكهرباء ومن سياراتنا، وهذا أمر نستطيع القيام به بأنفسنا، وهناك طرق كثيرة للقيام بذلك، منها رفع درجات ثيرموستات المكيفات وشراء مكيفات وأجهزة كهربائية ومصابيح ذات كفاءة عالية وإطفاء الأجهزة عند عدم الحاجة لها وترشيد رحلاتنا بالسيارة قدر الإمكان وشراء سيارات ذات كفاءة استهلاك وقود عالية وشراء سيارات كهربائية. وسيؤدي تضافر الجهود بإذن الله إلى تغيير المنحى الحالي لنحافظ على أنفسنا كجنس بشري وعلى كوكبنا وعلى تنوع الحياة فيه.