الضغط الجوي هو وزن عمود الهواء فوق وحدة مساحة ويمكن التعبير عن الضغط الجوي وفق المعادلة الفزيائية التالية:
الضغط= القوة\المساحة
ويقاس بوحدة الباسكال وهي تعادل نيوتن\متر2، إن مقدار ما يؤثر به عمود الهواء من قوة على متر مربع واحد يعادل 100000 نيوتن بمعنى آخر هذا يعني أن إجمالي كتلة عمود الهواء فوق متر مربع واحد هي حوالي 10000 كجم أو 10 طن وهي كتلة هائلة جدا ولكن من رحمة الله علينا أن أجسامنا مكيفة لتعيش في نطاق ضغط عالي كهذا إضافة إلى ذلك فإن ضغط الهواء يؤثر على الجسم من جميع الاتجاهات وليس عموديا فقط فالهواء يضغط على جسمك من كل جانب وعلى هذا المبدأ يمكن للطائرات التحليق في الجو! .
يتميز الضغط الجوي بالتناقص المضطرد مع الارتفاع بسبب تأثير الجاذبية الأرضية التي تجعل أغلب جزيئات الهواء قريبة من السطح وذلك لأن الهواء ينضغط تحت تأثير وزن جزيئاته ويبلغ مقدار الضغط القياسي للهواء عند مستوى سطح البحر حوالي 1013.25 مليبار أو هكتوباسكال والهكتوباسكال تعادل 10000 باسكال او 10000 نيوتن\متر2 غير أن وحدة المليبار هي الأكثر شيوعا واستخداما والبار الواحد يعادل رطل\بوصة2 وبما أن المليبار يعادل الهكتوباسكال فإني سأستخدم وحدة المليبار والتي يرمز إليها ب(مب) أكثر في السطور القادمة.
بما أن الضغط هو مقدار وزن عمود الهواء فوق متر مربع فإن قيم الضغط الجوي تتناقص بالصعود وذلك لتناقص كثافة الهواء بشكل لوغاريثمي – غير خطي- مع الصعود إلى أعلى حيث تصل كثافة الهواء عند ارتفاع 5.5كم إلى النصف في حين يوجد ما نسبته 99% من كمية الهواء الإجمالية في الـ 33 كم الأولى وهذا يفسر انخفاض قيم الضغط في قمم الجبال مقارنة بمستوى سطح البحر وكذلك يفسر تركيز أنواع معينة من الغازات عند ارتفاعات معينة بناء على حجمها الجزيئي فمثلا نلاحظ أن غاز الأوزون المركب من ثلاث ذرات أوكسجين يتركز على ارتفاع حوالي 30 كم فوق سطح الأرض مشكلا بذلك بطبقة الأوزون.
العوامل المؤثرة في الضغط الجوي
لفهم الضغط الجوي بصورة واضحة يجب أولا التطرق إلى قوانين الغازات والقانون الموحد للغاز المثالي حيث سنتمكن من ربط الضغط الجوي مع عناصر الطقس الأخرى.
1-قانون بويل:
وينص على انه في حال ثبات درجات الحرارة فأن العلاقة عكسية بين ضغط الغاز وحجمه أي أن نقص حجم عمود الهواء في نظام مغلق يؤدي إلى زيادة ضغطه والعكس صحيح حسب العلاقة التالية:
PV=C
حيث أن P تمثل ضغط الغاز وتمثل V حجمه في حين يمثل C مقدار ثابت.
1-قانون شارلز:
وينص على أنه في حال ثبات الحجم فإن العلاقة طردية بين ضغط الهواء ودرجة الحرارة وبالتالي فأن أي زيادة في درجة حرارة أي نظام مغلق ستؤدي إلى زيادة في ضغطه والعكس صحيح حسب العلاقة التالي:
P(T)=273T/(P ̥+1)
حيث أن P(T) هي دالة الضغط عند أي درجة حرارة T والمقدارP ̥ هو الضغط عند درجة الصفر المطلق للغاز
3-القانون الموحد للغاز المثالي:
وهو قانون يربط بين المتغيرات التي تؤثر على الغازات جميعها وهي ضغط الهواء P وحجمه V ودرجة حرارته T والكثافة والتي تظهر في القانون على شكل عدد المولات n وصيغة هذا القانون على النحو التالي:
PV=nRT
إن المقدار R هو ثابت والعلاقة تنطبق على جميع الغازات بما في ذلك الغلاف الجوي.
من هذه القوانين الثلاثة نستطيع استخلاص العديد من النتائج التي يمكن تطبيقها بشكل مباشر على الضغط الجوي على النحو التالي:
1-من العلاقات الثلاث السابقة فإن أبرز ما يؤثر على الضغط الجوي فوق أي منطقة هو حجم عمود الهواء ودرجة الحرارة وكثافة جزيئات الهواء فوق وحدة المساحة.
2-إن حجم امتداد طبقة التروبوسفير إلى 18 كم فوق خط الاستواء وإلى 12 كم فوق الأقطاب يعني أن حجم عمود الهواء فوق خط الاستواء أكبر من حجمه فوق الأقطاب وبما أن العلاقة عكسية بين حجم عمود الهواء وضغطه فهذا يفسر سبب ارتفاع الضغط السطحي فوق الأقطاب وانخفاضه فوق خط الاستواء في الوقت نفسه يرجع سبب تغير حجم عمود الهواء إلى درجة حرارته فتفاوت حجم عمود الهواء بين خط الاستواء والاقطاب يرجع بالمقام الأول إلى المنطقة التي يتعامد عليها الاشعاع الشمسي، وذلك لأن تغير ارتفاع درجات الحرارة يؤدي إلى زيادة حجم عمود الهواء وانخفاض كثافته وبالتالي انخفاض ضغطه وهذا يجعل أنظمة الضغط تتفاوت في حركتها شمالا وجنوبا بناء على موقع تعامد اشعة الشمس خلال السنة.
3-إن انضغاط الهواء تحت تأثير درجات الحرارة المنخفضة يؤدي إلى زيادة كثافة جزيئات الهواء قرب السطح وهذا يعني بدوره تقليل كثافة الهواء علويا فوق نفس المنطقة والعكس صحيح عند ارتفاع درجات الحرارة وهذا يفسر سبب كون الضغوط عند ارتفاع 5 كم عند الأقطاب أقل من قيم الضغط عند خط الاستواء عند نفس الارتفاع وهذا بدوره يعني ان الضغط المنخفض السطحي السائد عند خط الاستواء يقابله ارتفاع في قيم الضغط علويا والعكس صحيح عند الأقطاب لذلك عند متابعة خرائط الضغط العلوية سنشاهد أن قيم الضغط علويا تقل كلما ابتعدنا عن المنطقة المدارية شمالا وجنوبا.
4-تنشأ أنماط مختلفة من الضغط عند العروض الوسطى وناتجة عن دورات الرياح واختلاف كثافة الهواء فيكون الضغط السطحي عند خطي عرض 30 درجة شمالا وجنوبا مرتفع ويكون عند خطي عرض 60 درجة شمالا وجنوبا منخفض وهذه سنتطرق لشرحها بالتفصيل عند انتقال حديثنا إلى دورات الرياح والرياح السائد.
4-إن العلاقة الطردية بين ضغط الهواء ودرجة حرارته والعلاقة العكسية بين ضغط الهواء وحجمه تفسر العديد من الظواهر الجوية منها سبب انخفاض درجات الحرارة عند حدوث انخفاض علوي في قيم الضغط والعكس وكذلك سبب انخفاض درجة حرارة تيار الهواء الصاعد إلى أعلى وأيضا سبب ارتفاع درجات حرارة المناطق الواقعة في واقعة ممر ضيق للهواء مثل ما يحدث في معبر صور ومعبر سمائل معنا في عُمان.
رسم الضغط الجوي في الخرائط
يتم تمثيل الضغط الجوي في الخرائط لمنطقة ما عن طريق اخذ قراءة محطات في عدة أماكن ضمن نطاق هذه المنطقة ثم يتم رسم خطوط كل خط يصل بالمحطات التي لها نفس قيم الضغط على النحو التالي:
يظهر من الشكل أن قيم الضغط المسجلة قد كتبت بناء على آخر رقمين في القيمة المسجلة وهذا شائع في أغلب خرائط الضغط السطحي بل وفي القراءات العددية فمثلا القيمة 03 تعني أن قيمة الضغط السطحي لتلك المحطة هي 1003 مب والقيمة 99 تعني ان الضغط السطحي لتلك المحطة هي 999 مب وهكذا.
بعد أخذ قيم الضغط السطحي لكل محطة يتم رسم خطوط كل خط يصل بين المحطات ذات القراءات المتساوية لذلك تسمى خطوط تساوي الضغط أو ال isobar كما في الشكل التالي:
يراعى عند رسم خطوط تساوي الضغط عدم وجود انحناءات حادة في كل خط ولذلك نلاحظ في الشكل أن بعض المحطات لا تمر خلالها الخطوط وذلك يحتمل أن يكون نتيجة عدم دقة في رصد قيم الضغط او تفاوت في الحساب عند إدخال معامل التصحيح السطحي –وسنتطرق لذلك قريبا-أو أن قيم الضغط متساوية على مساحات واسعة فيرسم الخط بحيث يمر بين المحطات ومع أخذ هذه الاعتبارات يظهر جليا لنا أنماط الضغط السائدة في تلك المنطقة ويمكن تحديدها كما في الشكل التالي:
(12-1)
تظهر في الشكل(1-12) منطقة ضغط منخفض وهي التي تسجل أقل قيمة للضغط ويرمز لها بالحرف L اختصارا لـ low او منخفض في حين يرمز للمنطقة التي تسجل أعلى قيمة في الضغط بـ H اختصارا لـ high او مرتفع
من الشكل(1-12) كذلك نلاحظ أن هناك امتداد لنطاق ضغط منخفض يقترب من المرتفع أشبه ما يكون بالوادي بين الهضاب يطلق اسم أخدود جوي ومشار إليه بالخطوط الزرقاء المتقطعة، في حين نلاحظ تغلغل قيم ضغط مرتفعة في نطاق الضغط الجوي المنخفض تشبه الهضبة التي تفصل بين واديين يطلق عليه اسم تحدب ومشار إليه في الشكل بخطوط الحمراء المتقطعة.
أن قيم الضغط السطحي القياسية عند مستوى سطح البحر هي 1013.25مب وبناء على ذلك فأن القيم التي تزيد عن هذه القيمة تعتبر قيم ضغط مرتفعة، والتي تقل تعتبر قيم ضغط منخفضة ولكن عمليا فإن تشكل مناطق الضغط الجوي هو أمر نسبي يعود إلى الضغط السائد في المنطقة لفترة معينة لذلك ففي الشكل (1-12) تعتبر قيمة الضغط السطحي 1004مب مرتفعة إذا ما قورنت بقيمة الضغط التي تبلغ حوالي 999مب وفي بعض الأحيان تعتبر القيمة 1004مب منخفضة عند سيادة الضغوط أكثر ارتفاعا في المنطقة وهكذا.
إن هذا التفاوت في قيم الضغط يولد قوة تسمى ب “قوة انحدار الضغط" وهي قوة مولدة للرياح الافقية لذلك تنشأ الرياح نتيجة تفاوت قيم الضغط السطحي وتعتمد قوة الرياح على مدى تفاوت هذه القيم وبالتي إذا كانت خطوط تساوي الضغط متقاربة فإن ذلك يعني أن الضغط ينحدر بقوة على في مساحات متقاربة وهذا بدوره يعني أن قوة انحدار الضغط المتوفر كبيرة وذلك بدوره يؤدي إلى هبوب الرياح بقوة وبسرعة والعكس إذا كانت خطوط الضغط متباعدة عن بعضها.
من المعروف كما تقدم أن الضغط الجوي يتناقص بالارتفاع بشكل غير خطي لذلك عند أخذ بيانات محطات الرصد يجب الأخذ بعين الاعتبار أنها تقع على ارتفاع يساوي مستوى سطح البحر ولكن عمليا ذلك غير ممكن فباستثناء المحطات الموجودة على الساحل أو في المناطق المنخفضة؛ فإن أغلب المحطات تتواجد على ارتفاعات أعلى من مستوى سطح البحر بعشرات وربما مئات الأمتار لذلك فمن الطبيعي أن تسجل هذه المحطات قيم ضغط أقل مقارنة بالمناطق المجاورة لها لاسيما تلك الموجودة في المناطق الجبلية وعليه فإذا اهمل هذا الاعتبار فإن تحليل خرائط الضغط السطحي سيوضح وجود مناطق ضغط منخفضة دائمة في المرتفعات الجبلية وقيم ضغط مرتفعة دائمة في السهول والمناطق المنخفضة وذلك غير صحيح.
لذلك فقد تم تطوير معادلات رياضية تأخذ في الحسبان العوامل السائدة عند تسجيل القيمة من درجة حرارة ورطوبة والتي تؤثر على تغير قيم الضغط الجوي رأسيا وتعديل قيم الضغط المسجلة من محطات الرصد سواء بزيادتها إذا كانت المحطة فوق مستوى سطح البحر أو تنقيص قيمتها إذا كانت المحطة دون مستوى سطح البحر وبذلك تظهر خرائط تحليل قيم الضغط السطحي كما يظهر في الشكل التالي:
من المعروف كما تقدم أن الضغط الجوي يتناقص بالارتفاع بشكل غير خطي لذلك عند أخذ بيانات محطات الرصد يجب الأخذ بعين الاعتبار أنها تقع على ارتفاع يساوي مستوى سطح البحر ولكن عمليا ذلك غير ممكن فباستثناء المحطات الموجودة على الساحل أو في المناطق المنخفضة؛ فإن أغلب المحطات تتواجد على ارتفاعات أعلى من مستوى سطح البحر بعشرات وربما مئات الأمتار لذلك فمن الطبيعي أن تسجل هذه المحطات قيم ضغط أقل مقارنة بالمناطق المجاورة لها لاسيما تلك الموجودة في المناطق الجبلية وعليه فإذا اهمل هذا الاعتبار فإن تحليل خرائط الضغط السطحي سيوضح وجود مناطق ضغط منخفضة دائمة في المرتفعات الجبلية وقيم ضغط مرتفعة دائمة في السهول والمناطق المنخفضة وذلك غير صحيح.
لذلك فقد تم تطوير معادلات رياضية تأخذ في الحسبان العوامل السائدة عند تسجيل القيمة من درجة حرارة ورطوبة والتي تؤثر على تغير قيم الضغط الجوي رأسيا وتعديل قيم الضغط المسجلة من محطات الرصد سواء بزيادتها إذا كانت المحطة فوق مستوى سطح البحر أو تنقيص قيمتها إذا كانت المحطة دون مستوى سطح البحر وبذلك تظهر خرائط تحليل قيم الضغط السطحي كما يظهر في الشكل التالي:
