الوسم: الطاقة

الردددددددووووووووووووددددددددددد

[frame="1 75"]بارك الله فيكي [/frame]

: اشرح بشكل مبسط كيف استخدم العلماء تحولات الطاقة في تشغيل بعض أجهزة السفن الفضائية ؟
الجواب تحمل هذه السفن أجهزة صغيرة تسمى البطاريات الشمسية أو الخلايا الكهروضوئية , والتي تعمل على
تحويل الضوء الصادر عن الشمس إلى طاقة كهربائية تستخدم في تشغيل المعدات الإلكترونية وبعض
الأجهزة الخاصة بهذه السفن .

تحمل هذه السفن أجهزة صغيرة تسمى البطاريات الشمسية أو الخلايا الكهروضوئية , والتي تعمل على
تحويل الضوء الصادر عن الشمس إلى طاقة كهربائية تستخدم في تشغيل المعدات الإلكترونية وبعض
الأجهزة الخاصة بهذه السفن .

[/IMG][/IMG]

الطاقة من النفايات

في معظم مدن العالم تدفن أغلب النفايات المنزلية حالياً في مناطق خاصة . وإن قسماً قليلاً منها يتمّ حرقه في محارق مناسبة . إن وجود البلاستيك الملوث والمعادن والمواد السامة الأخرى في النفايات المدفونة يحدث مشكلة بيئية ، ولكن مواقع الردم والمحارق في معظم المدن تخضع لرقابة مشددة من قبل الجهات الصحية ، وهي مصممة بكيفيّة تجعل درجة انبعاث الروائح منها في المستوى المقبول . ففي الوقت الحالي ، ونظراً لازدياد كلفة الردم وقلة مساحاته ، يتوجب تقليل النفايات من خلال تدويرها أو معالجتها أو حرقها للحصول على طاقة .
لقد وضعت خطط على مستوى واسع لفصل القمامة وتدويرها أو تحويلها إلى سماد في معظم المدن الأوربية ، أما في المستقبل فإن نصف القمامة سيُحرق أو يُحّول إلى وقود سائل أو وقود غازي . إن استخلاص الطاقة من القمامة الصلبة هو خيار مشجع للمدن الكبيرة ، وذلك لقلة المساحات المخصصة للردم والكلفة العالية لنقل القمامة .
لقد جربت تكنولوجيا حرق النفايات الصلبة وفحصت في كل من أوروباواليابان ، وكما جهزت شبكات واسعة لجمع القمامة ونقلها في معظم المدن الكبيرة لضمان تغذية مستمرة لمحارق الفضلات إذ يوجد حوالي 350 محرقة تعمل باستمرار في الوقت الحاضر في مختلف أنحاء العالم . أما في سويسرا واليابان فإن 8% من النفايات الصلبة تعامل بهذه الطريقة . وهنالك عدد من الدول الصناعية تعتبر حرق الفضلات إحدى الخطوات المهمة في إعادة الحرارة . كما أن الحرارة الناتجة عن الحرق تستخدم في التدفئة وتوليد الطاقة الكهربائية . أمَّا الرماد فيمكن أن يُستخدم في التشييد والبناء . وتتم مراقبة انبعاث الغبار ، والحوامض ، والمعادن ، والمواد العضوية من المحارق القديمة والحديثة مراقبة جيّدة في معظم مدن العالم الكبيرة .
إن حرق النفايات الصلبة في عدة مناطق بريطانية يستغل لغرض إنتاج طاقة حرارية لأبنية متعددة الطوابق وبعض الأبنية العامة بما في ذلك المخازن التي يمتلكها أناس عاديون .

النفايات الصلبة
استخراج الوقود من النفايات (Refuse-Derived Fuel,RDF)
توجد في الوقت الحاضر عدة معامل تدوير للمخلفات الصلبة وذلك بطريقة الفصل الميكانيكي للمواد غير القابلة للحرق مثل المعادن والزجاج ، ثم توجيه المواد العضوية المتبقية إلى منظومات إنتاج الوقود . إن عملية استخراج الوقود من النفايات هي أكثر سهولة من عمليات الفصل الميكانيكي المعقدة ، وفيها أيضاً يتم استخدام الرماد (Ash) كمادة تحرق مع الفحم لأغراض توليد الطاقة . ولقد أدّت القوانين والأنظمة الصارمة التي وضعتها بعض الدول الأوروبية بخصوص حرق النفايات إلى التقليل من استخدام هذه الطريقة.

تطوير غاز المطامر الصحية
يستخدم الغاز المتولد من المطامر الصحية للحرق في الأفران والمراجل لإنتاج بخار لغرض توليد الطاقة الكهربائية أو إنتاج ماء ساخن لأغراض التدفئة . ويوجد في مختلف أنحاء العالم حوالي 240 موقعاً وصلت سعتها إلى 440 في عام 1992 . وأحد المشاريع الكبيرة في العالم يوّلد 46 MW . وإن كل طن من النفايات ينتج نظرياً في العام ما بين 300 و1500 متر مكعب من الغاز ذي محتوى طاقوي يعادل 5 GJ أو 6 GJ وذلك في موقع عمره عشر سنوات أو أكثر . وبسبب صعوبات استخلاص الغاز وإدارة الظروف تحت الأرض فإن كفاءة الإنتاج تتراوح بين 25% و 50% .
إن كلفة توليد الطاقة من غاز الطمر الصحي مشجعة جداً ، إذ أن إنتاج الطاقة من هذه المنظومات يتراوح بين 4 و6 سنت أمريكي للكيلووات – ساعة . وفي حالة إنتاج 150 متراً مكعباً من الغاز لكل طن من النفايات الصلبة فإنه يمكن توليد طاقة كهربائية مقدارها 5 TWh في السنة .

المخمر اللاهوائي للنفايات الصلبة
يمكننا استخدام طرق أخرى لإنتاج الغاز من المطامر الصحية إحداها إخضاع النفايات لعملية مسيطر عليها جيداً في مهاضم مصنعة . وفي هذه الظروف فإن الهضم يتمّ في أسابيع بدلاً من سنين . وتتم تغذية الهاضم بواسطة تخفيف النفايات الصلبة بسوائل المجاري . ومن حسنات هذه الهواضم مقارنة باستخدام مطامر النفايات ، هو إمكانية نصبها قرب المناطق السكنية وبهذا لا تحتاج القمامة إلى أن تنقل لمسافات بعيدة بالإضافة إلى أنها تكتفي بمساحة قليلة من الأرض .
لقد تم تطوير مثل هذه المنظومات في الولايات المتحدة . ويبين الشكل (1-6) المنظومة التي تقوم بتجميع المواد المفيدة من النفايات الصلبة وإنتاج غاز الميثان بواسطة الهواضم وتوليد الطاقة الكهربائية بواسطة حرارة احتراق النفايات الصلبة .

منظومة تقوم بتجميع المواد المفيدة من النفايات الصلبة وإنتاج غاز الميثان وتوليد الطاقة الكهربائية

النفايات الصناعية والتجارية
يتم جمع كميات ضخمة من النفايات الصناعية والتجارية في كل مدينة . وإن حوالي ثلثي هذه النفايات قابل للاحتراق ، كما أن قسماً كبيراً منها غير ملائم للجمع مع النفايات المنزلية لاختلاف نوعية المواد . فنفايات عمليات تصنيع الأغذية ، مثلاً ، يجب أن تعالج قبل طرحها كنفايات لتقليل تأثير المواد البيولوجية والكيميائية ، ويتم بعد ذلك وضعها في هاضم لإنتاج طاقة حرارية . ومخلفات المستشفيات يحب حرقها لتجنب التلوث . كما أن كميات كبيرة من الإطارات المستعملة التي ترمى في النفايات يمكن حرقها وتحويلها إلى حرارة أيضاً .

محاصيل الطاقة
وهي محاصيل تزرع خصيصاً لإنتاج الطاقة ، وقد توجّه الاهتمام إليها في السنين الأخيرة . إن تقليل انبعاث ثاني أكسيد الكربون في الجو هو أحد الدواعي الرئيسية إلى استخدام مصادر الكتلة الحيوية ومصادر الطاقة المتجددة الأخرى بدلاً من الوقود التقليدي ، إلاَّ أن لهذا الاستخدام في بعض الدول دواعي أخرى منها زيادة الإنتاج الزراعي وتقليل الاعتماد على النفط المستورد . والمحاصيل المفضل زراعتها تعتمد على توفر الظروف المحلية المؤهلة ومن ضمنها الخشب للحرق ، ونباتات لإنتاج الإيثانول ، ومحاصيل ذات النواة الغنيّة بالزيت . ويبين الجدول (1-6) كمية الإنتاج السنوي لبعض المحاصيل المستخدمة لهذا الغرض .

محاصيل الخشب
يبقى الخشب المصدر الرئيسي للطاقة في معظم بلدان آسيا وإفريقيا وبعض بلدان أمريكيا الجنوبية . إن الخشب أو (الفحم النباتي) هو الوقود الرئيسي المستخدم في بيوت معظم هذه البلدان ، ويستخدم بكميات كبيرة في الاستهلاك الصناعي . ففي البرازيل مثلاً تستخدم مصانع الفولاذ أكثر من مليوني طن من الفحم النباتي سنوياً . وإن مصادر الخشب مهمة جداً . فعند وجود صناعة قطع الخشب في الغابات تتوفر كميات كبيرة من النفايات ، لكن استمرار هذه الصناعة قد يؤدّي إلى انقراض الغابات مستقبلاً ، والحل الأمثل لهذه المشكلة هو زراعة أشجار سريعة النمو . والطريقة القديمة المستخدمة منذ مئات السنين والتي يتم فيها قطع جذوع الأشجار وتركها تنمو مرة أخرى ، هي أيضاً إحدى الطرق التي تقوم بتجربتها كثير من الدول النامية .

ومن الأشجار السريعة النمو أشجار الحور والصفصاف . فعند زراعتها بكثافة 5000 إلى 20000 شجرة بالهكتار لمسافة مقدارها5X1 م و 1X2 م يمكن الحصول على إنتاج مقداره 10 أطنان للهكتار في السنة ولمدة تقارب الثلاثين عاماً .
لقد صرفت الحكومة السويدية حوالي 179 مليون دولار أمريكي خلال السنوات الخمس الماضية لتطوير صناعة الغابات وذلك لاستغلالها لإنتاج الطاقة من الكتلة الحيوية . وقد أوضحت دراسة حديثة أن المساهمة السنوية للوقود الحيوي ستزداد من 250 PJ حالياً إلى 700 PJ عام 2000 مع مساهمة من الوقود الذي ينتج من الغابات مقدارها 50% .

إنتاج الكحول الإيثلي (الإيثانول) من قصب السكر
إن إنتاج الإيثانول من قصب السكر أو الذرة هو الطريقة المستخدمة حالياً في مناطق عديدة من العالم . ففي البرازيل تم إنتاج أكثر من 100 بليون لتر منذ بداية البرنامج عام 1975 بالاعتماد على معامل السكر ، وقد تم بذلك توفير كميات ضخمة من الوقود المستورد . وهناك أكثر من أربعة ملايين سيارة تعمل في البرازيل بالايثانول الصافي، وتسعة ملايين سيارة أخرى تعمل بغازولين يحتوي على نسبة 20% من الايثانــول .
أما دولة زمبابوي الإفريقية فلها برنامج ناجح في هذا المجال وذلك بإنتاج 40مليون لتر في السنة بالاعتماد على مؤسسة تقوم بتصنيع السكر ، والايثانول ،وثاني أكسيد الكربون ، وعلف للمواشي ، وتوليد الطاقة بالإضافة إلى تدوير المخلفات المتبقية لاستخدامها كسماد لحقول قصب السكر . كما توجد معامل صغيرة لتصنيع الايثانول في كينيا وملاوي .

إن انخفاض صناعة السكر في بلدان البحر الكاريبي ومناطق أخرى جاء نتيجة لاستخدام أنواع جديدة من قصب السكر ذات المحتوى العالي من الكتلة الحيوية والتي تعتبر من أفضل النباتات المنتجة مقارنة بقصب السكر العادي الذي ينتج من 30 إلى 40 طناً جافاً بالهكتار . فالقصب الجديد (قصب الطاقة) يمكن أن ينتج من 60 إلى 70 طناَ جافاً بالهكتار . ومعظم هذه الكميات ناتجة عن زيادة محتوى الألياف بالرغم من أن كمية السكر المنتج يمكن أن تكون أقل ، ولكن الخسائر الناتجة عن هذا النقص تعوض بواسطة الطاقة الإضافية التي تكون على شكل مخلفات مفيدة . ومن الممكن اقتصاديا حرق البعض من القصب مباشرة دون استخراج السكر منه .

الذرة الاعتيادية والذرة الصينية البيضاء
تطور إنتاج الإيثانول المنتج من الذرة لخلطه مع الغازولين في الولايات المتحدة بشكل واسع . ففي عام 1990 تم إنتاج 3,4 بليون لتر بواسطة معامل تقطير في 22 ولاية. وهذه الكمية مافتئت تتزايد .
وتزرع الآن في البرازيل والولايات المتحدة أنواع مختلفة من الأعشاب الحلوة مثل الحبوب وأعشاب مشابهة لقصب السكر لتحويلها إلى كحول يستخدم كوقود.

زيت الخضراوات
GJ/ton ( وهو مقارب للديزل (GJ/ton 42) ، وأعلى في هذه الحالة من الإيثانول (GJ/ton 30) . وهناك عدة زيوت يمكن حرقها مباشرة في مكائن الديزل إما نقية أو بعد خلطها مع وقود الديزل ، لكن الخليط الذي يحتوي على نسبة عالية من الزيت يمكن أن يسد منافذ ضخ الوقود ويتجمع على أجزاء أخرى من الماكنة . ويمكن تفادي هذه الظاهرة بخلط الزيت مع الايثانول أو الميثانول وخلط 30% من زيت الخضراوات مع الديزل وهو الأسلوب المستخدم حالياً . ويستخدم حالياً زيت جوز الهند في الشاحنات والحافلات في الفلبين . أما زيت النخيل فإنه يستخدم حالياً في البرازيل ، وأما زيت عباد الشمس فإنه الأكثر استخداماً في إفريقيا الجنوبية.

الفوائد البيئية الناتجة عن استخدام مصادر الكتلة الحيوية
لقد حظي التأثير البيئي الناتج عن استخدام طاقة الكتلة الحيوية باهتمام كبير على الرغم من أنّ حرق النفايات له تأثيرات بيئية أيضاً ، لكنّ الوقود المنتج من الكتلة الحيوية يبعث كمية من ثاني أكسيد الكربون تقل بنسبة 65% عن كمية الوقود التقليدي . كما أن النتائج المرجوة من توسيع إنتاج محاصيل الطاقة ستكون نتائج مبشرة .
وإن إحدى وسائل تقليل ارتفاع درجة حرارة الجو هي تثبيت كمية ثاني أكسيد الكربون بواسطة زراعة أشجار على مساحات واسعة . إن امتصاص أشجار الغابات لثاني أكسيد الكربون هو وسيلة مناسبة لتقليل الضرر البيئي ، ولكن إحلال وقود الكتلة الحيوية بدل الوقود التقليدي هو حل أفضل . وتعتمد كلفة تقليل ثاني أكسيد الكربون وإمكانيته بهذه الطريقة على كفاءة طاقة التحويل في تنمية وحرق مصادر الكتلة الحيوية ونوع الوقود الذي يتم إبداله . وإن الفحم هو أحد الموادّ المرشحه لهذا الغرض .

إن الوقود الحيوي هو أكثر نظافة بخصوص انبعاث غازات البيت الزجاجي كثاني أكسيد الكربون ، وانبعاث الغازات الحامضية كأكسيد الكبريت وأكسيد النيتروجين .
وتجنباً لحدوث الانفجارات الناتجة عن انبعاث غاز الميثان وانتشاره من المطامر الصحية فإن استخراج هذا الغاز وحرقه يوفّران منافع بيئية إضافية نتيجة لتحويل غاز الميثان إلى غاز أقل ضرراً منه وهو غاز ثاني أكسيد الكربون . وتجدر الإشارة إلى أن غاز الميثان له القدرة على حبس الحرارة أكثر من ثاني أكسيد الكربون بحوالي 25 مرة.

طاقة البناء الضوئي
تعتمد جميع الكائنات الحية على الغذاء الذي يتم صنعه في أوراق النباتات بواسطة عملية البناء الضوئي . ويستفيد النبات بحوالي 5% من الطاقة التي تصل إلى الأرض من الشمس في عملية البناء الضوئي . وهذا الجزء من الطاقة ، رغم أنه صغير نسبياً ، يعمل على إنتاج ما بيــن 150 و 200 بليون طن سنوياً من المادة العضوية الجافة .
لقد تمكن العلماء في نهاية القرن التاسع عشر من الوصول إلى معادلة البناء الضوئي وإثبات أن النبات الأخضر يحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية تختزن في مركبات عضوية يصنعها النبات ، وأن السكر أهم هذه المركبات . والمعادلة هي التالي :

وهذه المعادلــة في الواقع لاتصف التفاعلات الحقيقية للبناء الضوئي . فالمــواد السكرية (الغلوكوز) ( C6H12O6) لا تتألف من مزج ثاني أكسيد الكربون (CO2) مع الماء بهذه البساطة ، لأن المزج يكّون حامض الكبريتيك (H2CO3) . لذا فإن المعادلة تبين المواد المستهلكة في العملية والمواد الناتجة منها دون التعرض للخطوات والمراحل المتتابعة والدقيقة فيها .
وتقدر كمية الكربون الداخلة في هذه العملية سنوياً بحوالي 200 بليون طن . ويأتي هذا الكربون من غاز ثاني أكسيد الكربون الذي لا تزيد نسبته في الجو عن 0.3% من مكونات الهواء الجوي .
ويمكن القول أنهّ لولا وجود عملية البناء الضوئي لما وجدت حياة على سطح الأرض. ويرجع ذلك إلى أن جميع الكائنات الحية تعتمد في الحصول على طاقتها اللازمة على النباتات الخضراء ذاتية التغذية ، إذ أن هذه الكائنات مُنتجة للطاقة الكيميائية.

الطاقة الشمسية الإشعاعية الحرارية ( التشميس )
أهمية الطاقة الشمسية الإشعاعية الحرارية :
لا يخفى على أحد ما للطاقة الشمسية الإشعاعية من أهمية عظيمة مباشرة وغير مباشرة في مختلف العمليات الحيوية والفيزيائية المولدة لكافة أنواع الحياة على سطح الأرض والعمليات التي تحافظ على استمرارها. ولولاها لتجمد سطح الأرض وانعدمت الحياة عليه وأصبح كوكباً بارداًَ ميتاً.
ولا شك في أن من أهم هذه العمليات تلك التي تحول هذه الطاقة إلى منتجات بيولوجية مفيدة متمثلة في المحاصيل الغذائية والوقود. فسلاسل الغذاء، مهما كانت طويلة ومعقدة تعود في جذورها إلى امتصاص خلايا النبات الخضراء الطاقة الشمسية الإشعاعية واستخدامها في بناء أنسجتها خلال عملية التمثيل الضوئي، وما الوقود المستحاث ( الأحفوري ) من فحم وبترول، وحطب إلا طاقة شمسية إشعاعية مخزونة تتحرر خلال عمليات الاحتراق.
أما من وجهة النظر المناخية، فالطاقة الشمسية الإشعاعية هي المولد الرئيسي لعناصر الطقس والمناخ كافة فلولاها ما تسخن سطح الأرض ولا الهواء، ولتوقف تدفق الرياح وتبخر المياه وهطول الأمطار، وتوقف جريان المياه في الأنهار. إنها القوة المحركة لنظام دورة الغلاف الجوي ومياه البحار والمحيطات، وبالتالي فإنها المحرك لعمليات نقل بخار الماء والطاقة الحرارية وتبادلها بين المناطق والأقاليم على سطح الأرض. ولذلك فإنها بما يعتريها من تحولات وتباينات مكانية وزمنية تعمل بشكل مباشر على تكوين حالات الطقس والمناخ المتنوعة على سطح الأرض.
تعد الشمس بحق المصدر الوحيد للطاقة الحرارية الواصلة إلى سطح الأرض. ولا شك في أن النجوم والقمر والكواكب الأخرى تطلق طاقة حرارية إشعاعية, وكذلك تفعل الأرض, إذ تنطلق طاقة حرارية من باطنها تعرف بالحرارة الأرضية ( geothermal )، ولكن أشكال هذه الطاقة جميعها ضئيلة جداً ومهملة تماماً إذا ما وازنّاها بما يصل سطح الأرض من طاقة شمسية إشعاعية. ويعود ذلك أولاً إلى البعد الشاسع الفاصل بين الأرض والنجوم الأخرى التي نراها تسطع في السماء, إذ يقع أقرب نجم إلى الأرض بعد الشمس، ذلك المعروف بمجموعة ( اُلفاسينتاري alpha centori ) المكونة من ثلاثة نجوم تدور حول بعضها البعض, على بعد يناهز 3,4 سنة ضوئية منها (1), أي ما يعادل 40.7×1210 كم, وهذا ما يزيد عن 260.000 ضعف المسافة بين الأرض والشمس, ويقل التدفق الحراري الأرضي عن 10-5 من الطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض، ويقل ما يشعه القمر عندما يكون بدراً كثيراً عن ذلك.

الشمس :
أوردت العديد من الدراسات ( 2، 3، 4، 5، 6، 7، 8 ، 9 ) معلومات مستفيضة حول بنية الشمس وتركيبها، استقتها من قياسات ومشاهدات قامت بها التوابع الاصطناعية مثل " سكاي لاب " ( مخبر السماءsky lab ) و( نمبوس nimbus7 ) و(هابيل ( habelوغيرها من التوابع والدراسات التي قامت بها وكالة الفضاء الوطنية الأمريكية (Nasa ) حول الشمس. وبينت, أن الشمس نجم متوسط الحجم, مكون من كرة هائلة ملتهبة تبلغ درجة حرارة سطحها حوالي 6000 ْ مئوية ( 6300ه كالفانية) ويبلغ طول قرص قطرها المرئي 1391×310 كم , أي ما يعادل 110 ضعف طول قطر الأرض تقريباً، وتزيد كتلتها عن 1998×2410 طن, أي ما يعادل 333×310 كتلة الأرض البالغة 6×2110 طن.
تتمركز الشمس في وسط المجموعة الشمسية، وتبعد عن الأرض بحوالي 149.6×610 كم وسطياَ (1) أو ما يعادل واحدة فلكية "Astronomical Unit "(25ص 3 ). ويظهر قرصها المرئي من سطح الأرض محصوراً في زاوية صغيرة جداً تتراوح بين30 َ – 32 َ. وتدور حول محورها دورة واحدة كل أربع أسابيع تقريباً، لكنها لا تدور كما تدور الأجسام الصلبة إذ تتفاوت دورتها حول محورها بين 27 يوم عند خط استوائها و30 يوم عند قطبيها.
بنية الشمس:
بينت الدراسات، استناداً إلى التباينات في الكثافة والضغط ودرجة الحرارة السائدة خلال الشمس، إن الشمس تتكون من عدة طبقات متميزة عن بعضها البعض، كما هو موضح في الشكل ( 1 ) ، وهي:
1ـ النواة ( core ):
يقدر طول نصف قطر نواة الشمس بحوالي 23%-28.8% (159.95 ×310-200×310 كم ) من نصف قطرها الكلي وتحتوي على ما يزيد عن40% من كتلتها و15% من حجمها، وتزيد كثافتها عن 10ه-1.35×10ه كغ/ م ،ويتولد خلالها ما يزيد عن 90% من الطاقة الشمسية الحرارية الناتجة عن التفاعلات الذرية التي تندمج خلالها ذرات الهدرجين ( H ) متحولة إلى هليوم ( He ) وطاقة. ويعتقد أن معظم الأشعة فيها مكوناً من الأشعة السينية ( X ) ومن أشعة غاما ( γ ) ، وتقدر درجة حرارتها في مركزها بين 15×610-20×610 درجة كالفانية، وبنحو 7×610-8×610 درجة كلفانية عند أطرافها، ويقدر الضغط فيها بين610- 22 ×610 بار.
2 ـ الغلاف الإشعاعي (Radiative Zone):
تحتل سماكة هذا الغلاف حوالي47% ( 326.9 ×310 كم ) من نصف قطر الشمس. وتقل الكثافة خلاله تدريجياً حتى تبلغ عند أطرافه حوالي 70-120كغ/ م3. وتصل درجة حرارته إلى حوالي 610 درجة كالفانية. وخلاله تشع الطاقة الشمسية نحو سطح الأرض.

3 ـ الغلاف الحملاني (Convective Zone):
تشغل سماكة هذا الغلاف حوالي 30% (208.7 ×310 كم ) من نصف قطر الشمس وتتناقص كثافته إلى حوالي 10-4كغ/ م3 ويصل الضغط فيه إلى أقل من 10-2 بار عند حده الخارجي، تسود خلاله تيارات حملا نية حرارية تنقل الطاقة الشمسية إلى سطح الشمس.

4 ـ الغلاف المرئي "فوتوسفير" (Photosphere ):
يشكل غلاف فوتوسفير الحد الخارجي للغلاف الحملاني، وفي الوقت نفسه يشكل سطح الشمس المرئي ذو اللون الفضي اللامع. ويعرف أحياناً بالغلاف الضوئي (lightSphere of)، وتبلغ سماكته عدةكيلو مترات، وهو المصدر الرئيسي للطاقة الشمسية الإشعاعية الواصلة إلى سطح الأرض, وتناهز درجة حرارته 6000 ْ كالفانية وتقل كثافته عند الحد الخارجي عن 10 كغ/ م3.
يظهر الفتوسفير مبرغلاًً ، تغطية خلايا حرارية حبيبية لامعة (Granules) غير منتظمة تمثل قمم التيارات والفورانات الحملانية الجارية خلال الغلاف الحملاني، تتراوح أقطارها بين 1000-3000 كم، ولا تزيد مدة بقاء كل منها عن بضع دقائق. وعلى الرغم من تشكل الفوتوسفير من غازات ضئيلة الكثافة فإن حده الخارجي محدد بوضوح، فالغازات المكونة له شديد التأين تمكنه من التصرف كجسم كتيم للأشعة قادر على امتصاص وإطلاق الأشعة الشمسية باستمرار.
وتعد البقع الشمسية (Sunspots ) من المظاهر الهامة التي تعتري سطح الفوتوسفير، وتعرف أيضاً بالكلف الشمسي وتعرف أحياناً بالمسامات (Pores ). وهي بقع داكنة اللون نسبياً، لانخفاض درجة حرارتها عما حولها بحوالي 1000 ه -1500 ه مئوية، إذ تقدر درجة حرارتها بين4000 ْ- 4500 ْ كالفانية. ولا تتعدى مساحتها مساحة الخلايا الحملانية، لكن تتراوح أطوال أقطار الكبيرة منها بين 410- 510 كم ، ويمكن مشاهدتها عند الغروب بالعين المجردة. ويحيط بالبقع الشمسية خلايا حرارية (Faculae ) لها نفس أبعادها لكنها أشد حرارة منها ولمعاناً ويشتد خلالها الإشعاع الشمسي ويتعاظم ليعوض النقص في الإشعاع الحاصل عند تكاثر البقع الشمسية.
تدوم البقع الشمسية عدة أيام، وتختلف أعدادها وفقاً لدورات زمنية منتظمة تتكرر كل 11 سنة وسطياً وبعضها يصل إلى 22 و89 وحتى 178 سنة. تتميز البقع الشمسية بقوة حقولها المغناطيسية, وبكونها مراكز للأقاليم المضطربة والناشطة على سطح الشمس. وتؤدي حتماً إلى اضطراب في الغلاف المغناطيسي الأرضي.

5 ـ (Reversing Layer ):
تمثل هذه الطبقة الطبقة الأولى من الغلاف الجوي الشمسي, تتكون من غازات شفافة, تبلغ سماكتها حوالي 560 كم فوق الفوتوسفير, وتقل درجة حرارتها إلى حوالي 4200 ْ كالفانية، ولا تلاحظ إلا في أوقات كسوف الشمس الكلي أو باستخدام أدوات تحجب قرص الشمس.
يلاحظ خلال الطبقة الانقلابية خطوط غامقة اللون, تعرف بخطوط فرون هوفر ( Fraunhofer Lines) نسبة للعالم الألماني جوزيف فرون هوفر الذي اكتشفها.وتشكل هذه الطبقة نطاقاً انتقالياً بين الفوتوسفير وغلاف كروموسفير التالي.
6 ـ طبقة كروموسفير( Chromosphere):
تظهر طبقة كروموسفير فوق الطبقة الانقلابية على شكل هالة تحيط بالشمس تعرف أحياناً بالطبقة الملونة (Colorsphere ) تناهز سماكتها 1000 كم, متكونة من غازات ضئيلة الكثافة من شوارد الهدرجين والكالسيوم (Ca ), وتتزايد درجة حرارتها تدريجياً باتجاه الخارج من 5000 ْ كالفانية عند قاعدتها إلى حوالي 20.000 ْ كالفانية عند قمتها. وتمثل كروموسفير الطبقة الثانية من الغلاف الجوي الشمسي. ولا يمكن مشاهدتها إلا في أوقات الخسوف الشمسي فقط.
وبين الوقت والآخر تثور خلال كروموسفير فورانات أو إندلاعات شمسية ( Flares) تصل ارتفاعها آلاف الكيلومترات. و عادة يزيد عددها عن 100 إندلاع يومياً، تتخللها عدة إندلاعات عظيمة (Prominences ) تحدث سنوياً. تعد هذه الإندلاعات مصدراً لتدفقات شديدة من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية ومختلف أطياف الأشعة، يصاحبها فيض عظيم من البلازما الشمسية المشحونة بطاقة كهربائية كبيرة، ويذكر أنه في يوم 12 أيار / مايو من عام 1980 حدث اندلاع عظيم دام حوالي 40 دقيقة غطى مساحة تقدر بنحو 2.5×10 9 كم2 من سطح الشمس (7).
7 ـ طبقة كورونا ( Corona):
تقع الكرونا فوق طبقة الكروموسفير, مشكلة الطبقة الخارجية للغلاف الجوي الشمسي. ولا يمكن مشاهدتها أيضاً إلا في أوقات كسوف الشمس الكامل. وتتكون من البلازما الشمسية أو ما يعرف بالرياح الشمسية (Solar Wind ). وهي أقل كثافة من الكروموسفير, تتألف من 91.3% بروتونات و8.7% ذرات هيليوم متأنية تصاحبها إلكترونات وأنواع مختلفة من الأشعة الشمسية. تتراوح درجة حرارتها بين 10 6-2×10 6 درجة كلفانية (7), تنطلق الرياح الشمسية بسرعة هائلة تزيد عن 500 كم/ثا, وتزيد عن ذلك في أوقات الإندلاعات الشمسية الحاصلة من طبقة كروموسفير. تنتشر الكرونا خلال مساحات شاسعة في الفضاء الكوني متعدية حدود المجموعة الشمسية. ويعرف الحد الذي تصل إليه بالحد الشمسي.
والحقيقة فإن الأرض تقع في الأجزاء الخارجية من الغلاف الجوي الشمسي, ولذلك يدخل الغلاف المغناطيسي الأرضي في صراع دائم مع الرياح الشمسية التي تضغط عليه باستمرار لكنه يتمكن من صدها ومنعها من الوصول إلى سطح الأرض.

تولد الطاقة الشمسية:
تشبه الشمس بفرن ذري عظيم, تتحول في نواتها ذرات الهيدرجين ( H11) بواسطة الاندماج الذري إلى ذرات هيليوم ( 24He) مطلق طاقة حرارية هائلة ( E ) ونترونات (n01) وبزوترونات ( +e )وغيرها من الجسيمات الناتجة عن تفكك ذرات الهيدرجين واندماجها.
يبدء الاندماج الذري باندماج نويات(11H) منتجة نظائر الهيدروجين ديوتيريوم (12H)وتريتوريوم (31H)وتحولها إلى ذرات هليوم.

11H + 11H 21H + e
21H + 21H 31H + 11H
21H + 21H 32He + 10n + E
21H + 31H 42He + 10n + E
وتتولى الاندماجات الذرية متزامنة مع بعضها البعض وتستمر، باستمرارها يستمر تدفق الطاقة الشمسية الحرارية الهائلة . ويتم إنتاج الطاقة وفقاً للنظرية النسبية لاينشتاين (ص10) E=mc2 erg
هنا : ـ E= الطاقة الحرارية المتدفقة ( ايرج أو حريرة)
ـ m= كتلة الذرات المندمجة
ـ c= سرعة الضوء (300× 10 8 سم /ثا)
لذلك فإن ما ينتح اندماج ذرات غرام واحد من الهدرجين يساوي 9×10 :إيداج, أي ما يعادل 21.5×10 12 حريرة /ثا.
واستناداً إلى تقديرات العالم جاموGamo (20) فإن حوالي 800×10 6 طن من الهيدرجين تتحول في نواة الشمس من طاقة حرارية بحوالي 17.2×10 24 إيداج/ثا أي حوالي 17.2×10 27 حريرة/ثا. ويمكن أن نتصور مقدار هذه الطاقة الحرارية الهائلة المنبعثة من إن إندماج ذرات هذه الكتلة الهدروجينية إذا علمنا أن الإندماج الذري لكيلو غرام واحد منها ينتج طاقة تعادل ما ينتجه احتراق 20×10 6 كغ من الفحم الحجري.

(1)ايرج (erg): واحدة لقياس الطاقة الحرارية والعمل في واحدة (cgs), وكل
1 حريرة =4.187×10 7 ايرج وكل 1 جول أو1 واط = 10 7 ايرج
ٍطيف الأشعة الشمسية وطبيعتها:
تشع الشمس طاقتها الإشعاعية على شكل طيف واسع من أمواج مشحونة كهربائياً ومغناطيسياً, تعرف بالأمواج الإشعاعية الكهرومغناطيسية (Electromognatic radiation waves )، ذات أطول مختلفة
وترددات متعددة, تنطلق بسرعة كبيرة واحدة قاطعة مسافة واحدة خلال واحدة زمن(1 ثانية) تعادل 300×10 3 كم/ثا, وهذا ما يعادل سرعة الضوء في الثانية الواحدة. ولا تتأثر سرعة انتشارها بوجود الغلاف الجوي للأرض لأنه بالنسبة لها رقيق جداً إلى حد يمكن اعتبارها وكأنها تنتشر في فضاء مفرغ من الهواء. وعادة ما تصنف الموجات الإشعاعية الكهرومغناطيسية بطول أمواجها وترددها خلال مسافة زمنية محددة ( 300×10 3 كم/ثا ) .
يقصد بطول الموجة المسافة الفاصلة بين قمتي أو قعري موجتين إشعاعيتين متتاليين (الشكل ). وتستخدم الوحدات المترية وأجوائها في قياسها، فتقاس الطويلة منها بواحدة المتر (م) بينما تقاس القصيرة منها بواحدة (المايكرومترUM)مكم ويساوي 10-6 م أو النانومتر(nm)ويساوي 10-9 م أو الانجستروم انج ويساوي 10-10م
ويعني تردد الأمواج الإشعاعية الكهرومغناطيسية عدد هذه الأمواج التي تعبر حداً معيناً خلال ثانية من الزمن أو بكلمة أخرى يعبر عن عدد الأمواج الإشعاعية الحاصلة خلال المسافة التي تقتطعها هذه الأمواج خلال واحدة الزمن ( ثانية واحدة ). ويمكن التعبير عن هذه المسافة "بالمسافة الزمنية" ولأن هذه الأمواج تنطلق بسرعة واحدة, هي سرعة الضوء قاطع مسافة 300×10 3 كم بالثانية الواحدة, فيعنر عن هذه المسافة الزمنية "بالثانية الضوئية",وهي أصغر وحدة في ما يعرف بوحدات المسافة الضوئية, إذاً فالثانية الضوئية ومضاعفاتها ( دقيقة, ساعة, يوم, سنة ضوئية ) ليست واحدات لقياس الزمن, بل هي واحدات لقياس المسافات, تستخدم في قياس المسافات الشاسعة في الفضاء بين الاجرام السماوية, كما هو الحال في استخدام الوحدة الفلكية المذكورة سابقاً .
تظهر الأمواج الطويلة خلال المسافة الزمنية (ثانية ضوئية) التي تقطعها أقل تردداً من الأمواج القصيرة, وهكذا فكلما كبرت أطوال الأمواج قل ترددها وكلما قصرت ازداد ترددها. إذن توجد علاقة عكسية بين أطوال الأمواج وترددها، ويمكن حساب تردد الأمواج الإشعاعية الكهرومغناطيسية بالعلاقة التالية:

(1)حيث انه لا يوجد لكل من الميكرومتر (um) والآنجستروم (A) متفق عليه بين المؤسسات العلمية العربية، نقترح هنا استخدام رمز(مكم) و(آنج) لكل منهما على التوالي.ويساوي10-10م.
C

λ

( هيرتز Hz )موجة/ثا F=
هنــا:
F= تـردد الأمواج الشـعاعية (موجة /ثا)
C = المسافة التي تقطعها الأمواج الإشعاعية للكهرومغناطيسية (1ثانية ضوئية )=300×10 3 كم/ثا
λ = حرف إغريقي (لامبداLambda ) يمثل طول الموجة الإشعاعية الكهرومغناطيسية
وتقاس كل من C و λ بنفس الواحدات المترية وأجزائها
1 كيلو متر (كم) =10 3 متر) م) =10 5سنتيمتر(سم) =10 6 ميليمتر (مم) =10 9 مايكرومتر (مكم) =10 12 نانومتر (نم) =10 13انغستروم (آنج) =10 15
الجدول رقم /1/ : أمواج الأشعة الشمسية الكهرومغناطيسية وأقاليمها الرئيسية
وأطوالها ( ) مقاسـة بالنانومتر (nm.نم)
وترددهـا (F) مقاسـة بالهرتـز (Hz.هـز )
أقاليم أمواج الأشعة الشمسية الكهرومغناطيسية
طول الأمواج (λ)
(nm.نم)
تـردد الأمـواج (F)
(Hz.هـز)
أشـعة جاما الكونية
10-4 – 10-2
3×1210 – 3×1910
الأشـعة السـينية X
أشـعة سينية قاسية HX
10-2 – 0.1
3 ×1910 – 3×1810
أشـعة سنية ليند SX
0.1 – 1
3 × 1810 – 3×1710
الأشـعة فوق البنفسجية UV
أشـعة فوق بنفسجية EUV
1 – 200
3×1710 – 3×1.5 × 1510
أشـعة فوق بنفسجية بعيدة FUV
200 – 300
1.5 × 1510 – 1510
أشـعة فوق بنفسجية قريبة NUV
300 – 320
1510 × 9.4 × 1410
الأشـعة الضوئية البيضاء المرئية VL
أشـعة سـوداء
320 – 380
9.4 × 1410 – 7.89 × 1410
أشـعة بنفسجية
380 – 420
7.89 × 1410 – 7.14 × 1410
أشـعة زرقـاء
420 – 490
7.14 × 1410 – 6.12 × 1410
أشـعة خضـراء
490 – 540
6.12 × 1410 – 5.56 × 1410
أشـعة برتقاليـة
540 – 590
5.56 × 1410 – 5.08 × 1410
أشـعة حمـراء
590 – 650
5.08 × 1410 – 4.62 × 1410
الأشـعة تحت الحمـراءIR
650 – 760
4.62 × 1410 – 3.95 × 1410
أشـعة تحت الحمـراء قريبة NIR
أشـعة تحت حمـراء بعيدة FIR
607 – 310
3.95 × 1410 – 3×1410
الأشـعة الصغيـرة MW
310 – 610
3 × 1410 – 3 × 1110
أمـواج الـرادار
510 – 710
3 × 1210 – 3 × 1010
أمـواج التلفزيـون
610 – 910
3 × 1110 – 3 × 810
أمـواج الراديـو
810 – 1010
3 × 910 – 3 × 710
1010 – 1210
3 × 710 – 510

C

λ

عن Chanllet (1986) Dickinson and Cheremisinoff (1980)
وحسب تردد الأمـواج باستخدام المعادلة F= حيث C= نانومتر (نمnm )
أما بالنسبة لتردد الأمواج ( F ), فقد اتفق دولياً على استبدال وحدة "موجة/ثانية"بواحدة (هيرتزHz, Hertz ) ومضاعفاتها:
كيلو هيرتز ( KHz ) ويعادل 10 3 Hz,ميجا هيرتز (MHz ) ويعادل 10 6 Hz, وجيجا هيرتز(GHz ) وتعادل 10 9 Hz.
ويبين الجدول (1) أطوال أمواج طيف الأشعة الكهرومغناطيسية وترددها وأقاليمها المختلفة.
تتباين قدرة الطاقة التي تحملها أمواج الأشعة الكهرومغناطيسية, فالأمواج القصيرة تحمل طاقة أكبر من الأمواج الطويلة, لقد تبين أن انتقال الطاقة عبر أمواج الأشعة الكهرومغناطيسية يجري على شكل سيل من كميات صغيرة أو حزم صغيرة من الطاقة متراصة وراء بعضها البعض تعرف بالفوتونات (Photons ), لها صفات الذرات وفي الوقت نفسه ليس لها كتلة, ولها صفات الأمواج ذات عزم حركي لكنها لا تحمل شحنات كهربائية. (7 ص56 ) إذن، ففوتوناتالإشعاعية الكهرومغناطيسيةالقصيرة – التي تقل أطوالها عن320 نم – تحمل طاقة كبيرة أكبر مما تحمله فوتونات الأمواج الطويلة, تمكنا من الفتك بالخلايا الحية الحيوانية والنباتية, ولحسن حظها فإن ما تشعه الشمس من هذه الأشعة يقل عن 7% من مجموع الطاقة التي تشعها, ولا يصل سطح الأرض سوى النذر اليسير جداً منها على شكل أشعة فوق البنفسجية .
أقسام طيف الأشعة الشمسية الكهرومغناطيسية:
تقسم الدراسات طيف الأشعة الشمسية الكهرومغناطيسية إلى عدة أقسام تعرف بالأقاليم (Regions ) كما هو مبين في الجدول /1/ والشكل/ 2/ وهي:
1- إقليم الأشعة الكونية: ويتمثل بأشعة (جاما Gama ) وغيرها من الأشعة التي تقل أطوال أمواجها عن 0.01 نم.
2- إقليم الأشعة السينية (x-rays ) : وتتراوح أطوال أمواجه بين 0.01-1 نم. ويضم الأشعة السينية القاسية ( HX", Hard x ray") والأشعة السينية الينة (SX", soft x ray" ).
3- إقليم الأشعة فوق البنفسجية ( Ultra Violet"UV") : وتتراوح أطوال أمواجه بين 1-320 نم. ويقسم إلى ثلاثة أجزاء تسمى وفقاً لموقعها من طيف الأشعة المرئية البيضاء الذي يليها,وهي: الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة ( "EUV" Extrem Ultra Violet) الأشعة فوق البنفسجية البعيدة ( "FUV"Far Ultra Violet) الأشعة فوق البنفسجية القريبة (Ultra Violet"NUV" Near ). ويكون هذا الإقليم مع إقليم الأشعة السينية وإقليم أشعة جاما حوالي 7 % من مجموع الطاقة الشمسية الإشعاعية, وهي أشعة ضارة وفتاكة.
4- إقليم الأشعة المرئية البيضاء( White Visable Ray) ( 3ص 67-77 )وتتراوح أطوال أمواجه بين 320-760 نم. ويتكون من مزيج من الأشعة البنفسجية والزرقاء والخضراء والصفراء والبرتقالية والحمراء (الجدول 1), ويضاف إليها ما يعرف بالأشعة السوداء لعدم استطاعة العين رؤيتها ( 11ص49 ). وتشكل الأشعة المرئية البيضاء حوالي 44% الطاقة الشمسية الإشعاعية وهي أشعة ذات طاقة حرارية وضوئية كبيرة تلعب دوراً رئيسياً في تسخن سطح الأرض وفي مجريات الطقس والمناخ السائد عليه.
5- إقليم الأشعة تحت الحمراء ( Infra Red Ray): وتتراوح أطوال أمواجه بين 760-10 6نم, وينقسم إلى جزئين وفقاً لموقعها من طيف الأشعة المرئية البيضاء السابقة له,هما: الأشعة تحت الحمراء القريبة (Infra Red"NIR" Near)وتشكل 37%من مجموع الطاقة الشمسية, والأشعة تحت الحمراء البعيدة (Far Infra Red FIR"") وتشكل حوالي 11% من مجموع الطاقة الشمسية, لا تتمكن العين من رؤية الأشعة تحت الحمراء, ولكن يمكننا أن نشعر بحرارتها.
6- إقليم الأشعة الصغيرة ( "MWR" Micro Waves Ray) وتتراوح أطوالها بين 10 5-10 7 وتشكل أقل من 1% من مجموع الطاقة الشمسية.
7- إقليم أمواج الرادار (Radar Waves): وتتراوح أطواله بين 10 6- 10 9 نم
8- إقليم أمواج التلفزيون (TV Waves): وتتراوح أطواله بين 10 8- 10 10 نم
9- إقليم أمواج الراديو (Radio Waves): وتتراوح أطواله بين 10 10- 10 12 نم
إقليم الأشعة الشمسية المرئية البيضاء والألوان:
يتبين لنا أن الأشعة الشمسية المرئية البيضاء, متكونة من مزيج من الأشعة الملونة حين تعبر خلال موشور زجاجي,فتخرج منه متفرقة ومنكسرة, ويزداد انكسارها عكساً مع طول أمواج كل منها, فتظهر معكوسة الترتيب, الأشعة البنفسجية في الأسفل لأنها أشد انكساراً تليها الزرقاء ثم الخضراء والصفراء والبرتقالية وتظهر الأشعة الحمراء في الأعلى لأنها أقل انكساراً(الشكل 3). ويحدث ذلك أيضاً في ظاهرة قوس قزح(Rainbow). وعادة يتشكل قوس قزح عندما تهطل الأمطار في جزء من السماء وتكون ساطعة في الجزء الآخر منها, وأحياناً يحدث خلال قطيرات الما المتناثرة فوق مساقط المياه وفوق نوافير المياه أيضاً, فتقوم قطيرات الأمطار والقطيرات المتناثرة بدور الموشور الزجاجي.فعندما تدخل الأشعة الشمسية البيضاء قطيرات الماء تقل سرعتها وتنكسر وتتفلاق إلى أطياف أشعة ألوانها الأساسية. وعندما تصطدم هذه الأشعة بمؤخرة القطيرات ترد خارجة منها منكسرة ومتفرقة أيضاً مشكلة قوساً بديعاً من الألوان البنفسجية والزرقاء و الخضراء والصفراء والبرتقالية والحمراء(7).
تتمكن العين من رؤية الأشعة الشمسية البيضاء. وأطياف أشعتها الملونة لأن هذه الأمواج الكهرومغناطيسية تثير نهايات الأعصاب البصرية المنتشرة على شبكية العين على شكل عصيات أو أقماع بصرية,فتقوم بإرسال إشارات للدماغ تمكننا من إدراك الألوان ورؤيتها. تمكن العصيات العين من التفريق بين الضوء والظلام, ومشاهدة اللوتين الأبيض والأسود فقط, لأنها لا تستطيع التميز بين أشعة الألوان المختلفة, بينما تستطيع الأقمار استشعار الأشعة الملونة التي تنحصر أطوال أمواجها بين 380-670 نم والتميز بينها, فتمكن العين من رؤية الألوان جميعها, ولا تستطيع الأشعة التي تقل أطوال أمواجها عن 380 نم أو تزيد عن 670 نم إثارة نهايات الأعصاب البصرية لذلك لا تراها العين.
فالحقيقة فألوان الأشياء التي تراها العين ليست إلا أشعة كهرومغناطيسية مختلفة أطوال الأمواج منعكسة على سطح هذه الأشياء. فمثلا عندما تسقط أشعة الشمس الضوئية على سطح أخضر اللون, يمتص هذا السطح أشعة الألوان كلها عدا أشعة اللون الأخضر التي يعكسها فتراها العين. وهكذا بالنسبة لكل الأشياء الملونة, فسطوحها تمتص طيف الأشعة المرئية الواصل إليها كله وتعكس الأشعة الموافقة للونها فقط.
الشمس المتلونة والسماء الزرقاء:
أما بالنسبة للشمس, فيعود لونها الأبيض اللامع في وسط النهار إلى شدة إشعاعها في هذا الوقت وسقوط أشعة ضوئها المرئية جميعها على الأقماع البصرية للعين بشدة متساوية تقريباً فلا تستطيع التمييز بينها ونستشعرها كأنها أشعة واحدة بيضاء. بينما عند شروق الشمس أو غروبها تخترق الأشعة الشمسية الغلاف الجوي بزاوية ضعيفة, حوالي 4 5درجات قاطعة حيزاً كبيراً منه أكثر سماكة من الحيز الذي تقطعه وقت الظهر بحوالي 12 ضعف, فخلال هذا السماكة الكبيرة تتبعثر الأشعة القصيرة (البنفسجية والزرقاء و الخضراء) بواسطة جزيئات الهواء الدقيقة الأصغر منها حجماً بشكل انتقائي في كل الاتجاهات خلال الغلاف الجوي. بينما تتمكن الأشعة الصفراء والبرتقالية والحمراء من الدخول إلى عين الناظر مظهرة الشمس بلون أصفراء- برتقالي زاهي, وفي حال وجود جسيمات وذرات غبار معلقة في الهواء, تزيد أقطارها قليلاً عن طول أقطار جزيئات الهواء, تتبعثر الأشعة الصفراء وتظل الأشعة البرتقالية والحمراء مظهرة الشمس بلون برتقالي-أحمر, وإذا تواجدت الجسيمات بكميات كبيرة تتبعثر أشعة ضوء الشمس كلها عدا الأشعة الحمراء فتظهر الشمس بلون أحمر وذلك ما يحدث عند انفجار البراكين التي تملوء السماء بجسيمات دقيقة, أو فوق المحيطات حيث يكون الهواء مترعاً بذرات بلورات الملح الدقيقة وذرات بخار الماء, وأحيانا إذا كانت أحجام الجسيمات متجانسة تعمل على بعثرة الأشعة الشمسية الضوئية بشكل انتقائي مظهرة الشمس بعدة ألوان, حتى في منتصف النهار تبدو الشمس برتقالية أو خضراء أو حتى زرقاء ( 3ص 67-73 ).
ومن الملاحظ أنه خلال عمليات التبعثر المذكور في مختلف أشكاله, حتى في منتصف النهار, تعمل جزيئات الهواء دائماً إلى بعثرة الأشعة الشمسية الضوئية القصيرة جداً, البنفسجية والزرقاء و الخضراء, انتقائياً في كافة الاتجاهات في الغلاف الجوي, بالإضافة إلى ذلك فإن المخاريط البصرية في العين شديدة الحساسية لهذه الأشعة ما يجعل الشماء تبدو لنا زرقاء في الاتجاهات كلها وفي الأحوال جميعها من حساب شدة الطاقة الإشعاعية ومقدارها كمياً.

الوحدات المستخدمة في قياس الطاقة الإشعاعية الحرارية:
عادة تستخدم واحدات القوة ( Power)في قياس الطاقة الإشعاعية, وتعرف القوة بأنها "كمية الطاقة المنقولة خلال واحدة الزمن ", لذلك توجد عدة واحدات مستخدمة في قياس الطاقة الإشعاعية, أهمها وأكثرها استخداماً في دراسات الطقس والمناخ هي وحدة السعر الحراري أو حريرة ("Cal" Colorie ) ويعرف السعر الحراري "بأنه كمية الطاقة الحرارية المتطلبة لرفع درجة حرارة غرام واحد من الماء درجة مئوية واحدة, من14.5 إلى 15.5 درجة مئوية وتساوي 4.4855×10 إيرج أو 4.1855 جول." وعند استخدامها في قياس الطاقة الإشعاعية فإنها تعبر عن مقدار الطاقة التي تشعها أو تمتصها واحدة المساحة ( 1سم2 ) من سطح ما خلال واحدة زمن ( ثانية, دقيقة, ساعة, يوم,……الخ ). وتكتب كما يلي : " غرام –سعر حراري/سم2 ز أو حريرة/سم2 ز وفيما بعد اقتراحات واحدة (لانجلي Ly, Langley ) عوضا ًعن غرام –سعر حراري /سم2 ز فأصبحت واحدة القياس لانجلي /ز, وذلك تخليدا للعالم صومائيل لانجلي ( ,Samual P. Langley1906-1834) الذي قدم الكثير من الإسهامات الرائدة في أبحاث الأشعة الشمسية. وكلا الواحدتين تستخدم الآن بشكل متبادل, وعادة, عند حساب الطاقة الإشعاعية تعتمد الدقيقة واحة للزمن, فتصبح واحدة قياس غرام-سعر حراري /سم2 أو لانجلي/د ويمكن استخدام( الكيلو غرام –سعر حراري /م2د )أو كيلو لانجلي/د المعادلة إلى 100سعر حراري /سم2د أو 1000 لانجلي /د على التوالي.
وتفضل بعض الدراسات استخدام واحدة الإرج (1023892×10حريرة) أو الجول (0.2389 حريرة) أو الواط (1جول/ثا=0.23892 حريرة ). وحديثاً تمثيل الدراسات وخاصة في المجالات الهندسية إلى استخدام واحدة "واط/م2" (1.43352 -3 لانجلي/د)وبذلك فإن واحدة لانجلي/د يعادل ( 697.6 واط/م2).
تشكل الطاقة الحرارية وطرق انتقالها:
تتولد الطاقة الحرارية في بادئ الأمر, عندما تمتص الأشياء, مهما كان نوعها. الطاقة الشمسية الإشعاعية الواصلة إليها على شكل أمواج كهرومغناطيسية وتحولها إلى طاقة حرارية تخزنها في داخلها فتزيد درجة حرارتها ثم تعود وتطلقها مرة أخرى والأمر نفسه يحدث عندما نعرض أنفسنا إلى نار المدفاة, فعندما تمتص أجسامنا الأمواج الكهرومغناطيسية.

عمليات الإشعاع ونقل الطاقة الحرارية وتبادلها عند سطح الأرض:
عندما تصل الطاقة الشمسية الإشعاعية تحملها فوتونات أمواج الأشعة الكهرومغناطيسية من سطح الشمس عبر الفضاء إلى الأرض تدخل في عمليات عديدة من التحولات والتبدلات, تبدأ بامتصاص سطح الأرض والغلاف الجوي والأشياء والأجسام فيهما لهذه الطاقة, ومن ثم إشعاعها مرة أخرى لبعضها البعض وتتبادلها فيما بينها.
إذن عند دراسة عمليات الإشعاع الجاري على سطح الأرض وفي الغلاف الجوي, علينا إدراك وجود نوعين من الطاقة الإشعاعية وهما:
1- الطاقة الشمسية الإشعاعية والتي تشكل المصدر الأساسي لكل الطاقة الواصلة إلينا بمختلف أشكالها.
2- الطاقة الأرضية الإشعاعية بما فيها طاقة الغلاف الجوي الإشعاعية والتي هي أصلاً طاقة مستمدة من الطاقة الشمسية الإشعاعية بالإضافة إلى الطاقة التي تشعها الأجسام والأشياء إلى بعضها البعض, وعلينا أن ندرك أيضاً أن العمليات المتحكمة بالعلاقة بين أنواع الطاقة الإشعاعية كثيرة ومعقدة ومتشابكة, لذلك علينا أن نوجه اهتمامنا إلى تلك العمليات المؤدية إلى تشكل ظواهر الطقس والمناخ على سطح الأرض وطرق تصرفها, والقوانين الضابطة لها والتي تمكن من قياسها كمياً, وقبل كل شيء علينا توضيح بعضا لمفاهيم المتعلقة بهذا الموضوع.
الإشعاع:
يعرف الإشعاع بزنه "عملية نقل الطاقة بواسطة فوتونات الأمواج الكهرومغناطيسية دون الحاجة إلى وسيط أو تماس مع المصدر المشع", وهذه العملية التي تصلنا بواسطتها الطاقة الإشعاعية الشمسية, مع ذلك علينا أن نعلم أن سطع الأرض والغلاف الجوي وأجسامنا وكل الأشياء التي حولنا مهما كانت صغيرة أو كبيرة ومهما كان تركيبها الفيزيائي والكيميائي, ومهما كانت باردة تشع طاقة إشعاعية (Radiant Energy ) تتناسب طرداً مع درجة حرارتها شريطة أن لا تهبط درجة حرارتها إلى دون
-273.15 مئوية أما ما يعرف بالصفر المطلق, فكلما زادت درجة حرارتها عن هذه الدرجة كلما زادت طاقتها الإشعاعية.
هذه الحقيقة توصلنا إليها كل من العالمين جوزيف ستيفان(Josif Stefan, 1835-1893 م) ولودوبج بولتزمان (Ludwig Boltzman 1844-1906 م )في أواخر القرن التاسع عشر, وعرفت بقانون ستيفان بولتزمان نسبة لهما.

الاستشعار وامتصاص الطاقة الإشعاعية:
عندما تسقط أمواج الطاقة الإشعاعية الكهرومغناطيسية المنبعثة من الشمس على سطح الأرض وعلى غلافها الجوي وعلى كل الأشياء, تقوم هذه الأشياء يقوم هذه الأشياء بامتصاصها وتحميلها إلى طاقة داخليةInternal Energy)) (3ص 48-55), وخاصة طاقة حرارية تزيد من درجة حرارتها, فتعود وتشعها مرة أخرى على شكل أمواج كهرومغناطيسية إلى ما حولها.
إذن فإن الأشياء عندما تتعرض إلى الطاقة الشمسية الإشعاعية أو الطاقة الإشعاعية التي تشعها الأشياء من حولها وتمتصها فإنها تقوم بعملية (استشعاع) وعندما تقوم بإطلاقها فإنها تقوم بعملية (إشعاع), ويبدو واضحاً أنه كلما ازدادت قدرتها على الإستشعاع وكمية الطاقة الإشعاعية الممتصة كلما تسخنت الأشياء وازدادت قدرتها على الإشعاع, كما ويبدو واضحاً أيضاً أن الأشياء التي تمتص أو تستشع طاقة إشعاعية أكبر مما تشعه فإنها ستسخن, واذا شعت طاقة إشعاعية أكثر مما تستشع فإنها تبرد, وإذا كان مقدار ما تشعهمن طاقة إشعاعية مساوية لما تستشعه فإن درجة حرارتها تظل ثابتة وتكون هذه الأشياء في حالة توازن إشعاعي( Radiation Equilbrium), وهذا ما يفسر لنا الحالة الطبيعية الإشعاعية لكل الأشياء حولنا بما فيها الشمس, فقد لاحظنا فيما تقدم أنه عندما يشع سطح الشمس (الفوتوسفير) طاقة إشعاعية فإنه في الوقت نفسه يمتص طاقة حرارية تتولد في نواتها معادلة لم يشعه, ومن خلال خبراتنا اليومية نلاحظ أيضاً أن جميع الأجسام والأشياء حولنا تحافظ على توازنها الإشعاعي مع محيطها المتواجد فيه, وفي حالة اكتساب بعضها طاقة إشعاعية إضافية فإنها تسعى إلى إشعاعها والعودة إلى حالة توازنها الإشعاعي, والأمثلة على ذلك كثيرة لا حصر لها.
الطاقة وتحولاتها:
لابد لنا من الإشارة إلى أن الطاقة الإشعاعية الشمسية الساقطة على سطح الأرض تتعرض لتحولات عديدة من الطاقة مثل الطاقة الحرارية ( Heat Energy ), الطاقة الكامنة (Potential Energy ), الطاقة الحركية ( Energy Kinetie), الطاقة الكيميائية ( EnergyChemical ) لكن تظل الطاقة الحرارية أهمها وأكثرها حضوراً بالنسبة للعمليات المؤدية إلى تكوين طقس الأرض ومناخها, بالإضافة إلى أن أشكال الطاقة الأخرى تبقى ضئيلة نسبياً وستتحول بعملية أو أخرى إلى طاقة حرارية, وفي نهاية المطاف إلى طاقة إشعاعية تشعها الأشياء والأجسام التي تمتصها (8 ص 9-10 ) كما هو مبين في
ما يلي:
طاقة شمسية إشعاعية طاقة حرارية (محسوسة +كامنة) أشعة تحت الحمراء
حرارة كافيـة حرارة محسوسة أشعة تحت الحمراء
طاقة كامنة طاقة حركية طاقة حرارية أشعة تحت الحمراء
طاقة كيميائية طاقة حرارية أشعة تحت الحمراء
قوانين الإشعاع( Radiation Laws):
ولتفهم عمليات إشعاع الطاقة وامتصاصها (استسعاعها) وإبرازها بشكل كمي لا بد لنا من معرفة القوانين الضابطة والتي يمكن حسابها وتعرف هذه القوانين بـ( قوانين الإشعاع) ولتوضيح هذه القوانين وتسهيل استخدامها يجب الانطلاق من معيار مثالي تنطبق عليه هذه القوانين ومن تصميمها لذلك افترض العلماء وجود أجسام حرارية مثالية تمتص الطاقة الإشعاعية الساقطة عليها وتشعها في أقصى طاقة ممكنة وعرفت هذه الأجسام بالأجسام السوداء (Black bodies)وهي أجسام افتراضية تمتص أمواج الطاقة الإشعاعية الساقطة عليها كلها دون أن تعكسها أو تنفذها خلالها وتشعها في أقصى كمية عند أي درجة
حرارة لها وفي جميع الأطوال الموجبة ولا تدك تسميتها بالسوداء للدلالة على لونها وإنما للدلالة على أن أجسامها كتيمة للإشعاع (Opaque)وبتطبيق قوانين الإشعاع يمكن تحديد ميزات الأجسام السوداء وغيرها وكيفية تصرفها قوانين الإشعاع كثيرة لكنا سنحصر اهتمامنا بالقوانين الرئيسة والمهمة في دراسة الطقس والمناخ .
(1) وفقاً لقانون ستيفان بولتزمان تتناسب كمية الطاقة الإشعاعية(E) التي تشعها واحدة المساحة (1سم2) من سطح الجسم الأأسود طرداً مع القوة الرابعة لدرجة حرارتها الكلفاتنية (Tk4) خلال واحدة الزمن (1 دقيقة ) :
حريرة / سم2 د ك 4 E=σ Tk . e
هنا: σ = ثابت ستيفان بولتزمان 8.123 × 10 – 11 حريرة/سم2 د ك (5.667 × 10 -12 واط/سم2, د, ك4), Tk = درجة الحرارة الكلفانية وتساوي: درجة الحرارة المئوية +272.15, e= معامل الإشعاعية (Emissivity) ويساوي الواحد عند الأجسام السوداء, وتقل عن الواحد عند بقية الأجسام غير السوداء والمعروفة بالأجسام الرمادية (grebodies ) التي تشع طاقتها بشدة أقل من الأجسام السوداء وعند كل أطوال الأمواج وعند أي درجة.
ويبين الجدول التالي قيمة(e) لبعض المواد, وهي نسبة مئوية مما تشعه الأجسام السوداء
المادة
e
جلد الإنسان
98%
الماء الصافي
95%
الجليد
96%
الرمل الجاف
92%
الثلج
85%
الأسمنت
92%

عن: Hudson (1969)
2898

Tk

(2) وفقا لقانون وين للإزاحة (Wien Displacement Law) الذي اقترحه العالم ولهالم وين (1964-1928) , فان "للجسم الأسود طول موجة إشعاعية معينة يشع عندها طاقته الإشعاعية القصوى ويتناسب طول هذه الموجة عكسيا مع درجة حرارة الجسم " . فكلما ازدادت درجة حرارة الجسم كلما انزاح طول الموجة التي يطلق عندها طاقته القصوى نحو أطوال الأمواج القصيرة كما هو مبين في الشكل ، ويكتب قانون وين الشكل التالي :
مايكرو متر /ك Max = λ
حيث أن: Max λ = طول الموجة التي يطلق عندها الجسم الأسود أقصى طاقة إشعاعية له.
Tk = درجة الحرارة الكلفانية
(3) وفقاً لقانون وين الثاني (Weins Scond Law) ، " تتناسب شدة الطاقة الإشعاعية القصوى () التي تشعها واحدة المساحة (1سم2) من الجسم الأسود خلال واحدة الزمن (1 دقيقة ) طرداً مع القوة الخاصة لدرجة حرارتها الكلفانية (1ص37) أي :
حريرة /مايمرومتر دك CTk5= Emax
هنا فان C= ثابت وين ويعادل 1.8435×10-14 حريرة /سم2 د.ميكرو متر، ك(1.286×10-11 ) واط /م2 ، مايكرو متر ، ك .
E

a

(4) وفقا لقانون كيركهوف (Kirchhoffs Law)، فان ما تشعه الأجسام من طاقة إشعاعية (E) إلى ما تمصه منها (a) تتوقف على طول الاشعاع (λ) ودرجة حرارة الجسم (T) فقط :
,T)λ(F=

ويقتح قانون كيركهوف أيضاً " ان الأجسام جيدة الامتصاص لأمواج طاقة إشعاعية معينة فانها في الوقت نفسه جيدة في اشعاعها وبالمقابل فالأجسام رديئة الامتصاص لأمواج طاقة إشعاعية فانها ايضاً في إشعاعها وبالتالي يجب أن تكون إشعاعية الأجسام لأطوال أمواج (λE) معينة مساوياً لامتصاصيتها (λa) :
λ E = λa
لذلك فالأجسام التي تتصرف كأجسام سوداء تشع طاقة إشعاعية اكثر من غيرها من الأجسام لأنها تقوم بامتصاص الأمواج الإشعاعية الساقطة عليها كلها ، وتعود وتشعها في أقصى كمياتها تبعاً لدرجة حرارتها وطول الأمواج الإشعاعية .

الأجسام انتقائية الامتصاص (Selective Obsorbing Bodies):
مع أنه لا يوجد في الطبيعة أجسام سوداء كاملة فيمكننا ال حد كبير زن نعد الشمس وألارض وكثير من الاشياء حولنا خاصة تلك الكتيمة للأشعة كأنها أجسام سوداء تنتطبق عليها قوانين الاشعاع المذكورة .
لكن بالمقابل يوجد الكثير من الأجسام حولنا بما فيها الغلاف الجوي لا تتصرف كأجسام سوداء لأنها لا تمتص أمواج الطاقة الإشعاعية الساقطة عليها كلها وإنما تمتص بعضها وتنفذ عبرها بعضاً منها وتعكس بعضها الآخر لذلك تعرف هذه الأجسام بأنها انتقائيى الامتصاص ويعد الزجاج مثالاً نموذجياً لها إذ أنه يعكس جزءاً من الأمواج الإشعاعية الساقطة عليه ويمتص بعضاً من الأشعة تحت الحمراء والاشعة فوق البنفسجية وينفذ طيف الأشعة المرئية كله ، وكذلك تفعل صفائح البلاستيك الشفافة وكل الأجسام الصلبة الملساء الشافافة والماء والسوائل جميعها والأبخرة والغازات ويعد الثلج مثالاً مثيراً لهذه الأجسام فلونه الأبيض الناصع يدل على قدرته على عكس أمواج إقليم الاشعة المرئية البيضاء كلها وقد لوحظ أن تعرض المفرط للأشعة المرئية المنعكسة من سطح الثلج تؤدي ال ما يعرف بالعمى الثلجي (Snow Bindess) المؤقت لذلك تنحصر قدرة الثلج في امتصاص أمواج الأشعة تحت الحمراء فقط وبالتالي فإنه مشع جيد لها.
ومن وجهة النظر المناخية يعد الغلاف الجوي أهم هذه الأجسام حيث تقوم بعض غازاته مثل الاوكسجين (O2) والأوزون (O3) وثاني أوكسيد الكربون (Co2)وبخار الماء (H2o) وثاني اكسيد النتروز (N2o)وغيرها بدرو الماصات الانتقائية بكفاءة عالية لبعض الامواج الإشعاعية الشمسية والأرضية الشكل دون غيرها بينما في الوقت نفسه يسمح الغلاف الجوي بعبور أمواج طيف الأشعة المرئية وتهمل بعض عناصره الأخرى على عكس جزء كبير منها بعبور وذلك مما يؤثر عللا الطاقة الإشعاعية الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض والأرضية وبالتالي على مجريات الطقس والمناخ وسنقوم فيما بعد بدراسة تأثير الغلاف الجوي في هذه الأمور بالتفصيل .
اذن يتضج لنا وفقاً لقانون كيركهوف إن هذه الأجسام قادرة على إشعاع أمواج الطاقة الإشعاعية التي امتصها ولا قدرة لها في اشعاع أمواج الطاقة الإشعاعية التي لم تمتصها بالإضافة إلى ذلك لا تشع أمواج الطاقة التي امتصها بكفاءة الأجسام السوداء (الجدول ) لذلك لا تعد هذه الأجسام أجساماً سوداء ولكن مع ذلك وخلال الاستخدامات العامة التي لاتقتضي دقة كبيرة يمكننا التعامل معها م حيث إشعاعها لأمواج الطاقة التي امتصتها عند درجة حرارتها كأنها أجسام سوداء إلى حد مقبول كما هو مبين في الجدول e:

الجدول : كعامل الإشعاعية لبعض الأجسام غير السوداء للأشعة
تحت الحمراء نسبة إلى ما تشعه الأجسام السوداء
الجسم
e
الجسم
e
جلد الإنسان
98%
الصحراء
90%-91%
الماء
95%
الأعشاب الطويلة
0.90
الثلج الجديد
82%-99.5%
الحقول والشجيرات
0.90
الجليد
0.96
الغابات المخروطية
0.90
الأسمنت
0.92
أوراق النباتات
0.90
الرمل الجاف
0.92
0.97-0.98

عن: Lockwood (1979) و Batton (1984)
ميزات الطاقة الإشعاعية الشمسية والأرضية:
باستخدام قوانين الإشعاع, يمكننا أن نحدد بعض الميزات الهامة لكل من الطاقة الإشعاعية الشمسية والأرضية, علماً بأن درجة حرارة سطح الشمس تعادل 5800 ك, ودرجة حرارة سطح الأرض تعادل 288 ك, فاستناداً لقانون وين للإزاحة:
2898

Tk

Max = λ

نلاحظ أن طول الأمواج الكهرومغناطيسية التي يشع عندها سطح الشمس معظم طاقته الإشعاعية تعادل 0.5 مايكرومتر (الشكل), لذلك فإنها تعرف بالطاقة الشمسية الإشعاعية قصيرة الأمواج (Solar Short Radiation), بينما تبلغ طول الأمواج الكهرومغناطيسية لبتي تشع عند سطح الأرض معظم طاقته الإشعاعية 10 مايكرومتر (الشكل), لذلك فإنها تعرف بالطاقة الأرضية الإشعاعية طويلة الأمواج (Terrestrial Longwave Radiation ).والحقيقة أن 99% من طيف أمواج الطاقة الإشعاعية الشمسية المحصورة بين 0.15-4 مايكرومتر, بينما يقع 99% من أمواج الطاقة الإشعاعية الأرضية بين 3-100 مايكرومتر, ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء الطويلة الأمواج (8ب ص8, 5ص40,8ص24 ).
واستناداً إلى قانون وين الثاني:
Tk5×10-14×1.8435= Emax
تبلغ الطاقة القصوى التي يشعها 1سم2من سطح الشمس حوالي 121×10 3 لانجلي/د, بينما لا تزيد كمية الطاقة القصوى التي يشعها 1سم2 من سطح الأرض عن 0.03653 لانجلي/د. بذلك فإن ما تشعه واحدة المساحة من سطح الأرض عن طاقة إشعاعية قصوى أشد مما تشعه واحدة المساحة من سطح الأرض من طاقة إشعاعية قصوى أشد مما تشعه واحدة المساحة من سطح الأرض من طاقة إشعاعية قصوى بحوالي 3.313×10 3 مرة.
ووفقاً لقانون ستيفان بولتزمان:
Tk4× 10×E= 80123
فإن مجموع ما يشعه 1سم2 من سطح الأرض, الذي يشع 0.56 لانجلي/د.
وأخيراً,لا بد من ملاحظة أن الطاقة الإشعاعية الشمسية تصدر من سطح الشمس منطلقة عبر الفضاء داخلة إلى سطح الأرض عبر الغلاف الجوي ، لذلك عادة ما تعرف بـ ( الاشعة الشمسية الداحلة Income Solar Radiation) وبما أن سطح الأرض والاجسام التي عليه تتعرض لهذه الأشعة وتمتصها أي تستشعها أو بكلمة أخرى تتشمش بها لذلك تعرض هذه الأشعة الشمسية الداخلة بالتشمس (Insolation) أيضا وهذه التسمية مشتقة من عبارة (Income Solar Radiation) واختصارا لها وفيما يلي من هذه الطاقة الإشعاعية الأرضية تنطلق من سطحها عابرة غلافها الجوي إلى الفضاء الخارجي لذلك تعرف بالأشعة الأرضية الخارجة (Outgoing Trrestrial Radiation) أو العائدة (Terrestrial Back Radiation ) .
تأثيرات الغلاف الجوي كجسم انتقائي الامتصاص للطاقة الإشعاعية :
من وجهة النظر المناخية يعد الغلاف الجوي أهم الأجسام انتقائية الامتصاص للطاقة الإشعاعية الشمسية و الأرضية إذ تقوم بعض غازاته كما هو مبين في الشكل / / بدور الماصات الانتقائية بكفاءة عالية ففي طبقات الجو العالية ( حوالي 90كم) تقوم جويئات الاكسجين (O2) بامتصاص الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة و البعيدة التي تتراوح أطوال أمواجها بين 10 – 100 نم وتقوم جزيئات الأوكسجين (O3) عند ارتفاع يتراوح بين 10 – 55 كم بامتصاص زمواج الأشعة فوق البنفسجية البعيدة والقريبة المحصورة بين 200 – 320نم وبعض أمواج الأشعة تحت الحمراء يناهز طولها 960نم .
وعند الاتفاعات التي تقل عن 10كم تقوم جزيئات بخار الماء (H2O) بامتصاص معظم أمواج إقليم الأشعة تحت الحمراء الأرضية بين 000 1 – 000 8 والتي تزيد عن 000 12 نم أيضاً كما تقوم جزيئات ثاني أوكسيد الكربون (Co2) بامتصاص أمواج هذه الأشعة عند 000 4 نم وبين 000 13 – 000 17 نم وتقوم جزيئات الميثان (CH4) بامتصاص عند 2500نم و 7000نم جزيئات النتروز (NO2) عند 400 نم و 7000 نم لذلك يمكننا أن ندع هذه الغازات بـ " الغازات الحرارية " ولا تستطيع هذه الغازات امتصاص أمواج الأشعة الأرضية تحت الحمراء المحصورة بين 8000-14000 نم والى حد ما بين 4000-6000نم وبين 17000-21000 نم ( الشكل ) فتنطلق هذه الأمواج عابرة الغلاف الجوي إلى الفضاء الخارجي لذلك فإنها تدعى نوافذ الغلاف الجوي (Atmospheric Windows) .
عندما تمتص الغازات الحرارية وعلى رأسها Co2 وبخار الماء (H2O) الأشعة الأرضية تحت الحمراء وتمتصها من الانطلاق إلى الفضاء الخارجي تزداد حرارتها وتزداد طاقتها الحركية وتصادماتها العشوائية مع بعضها البعض ومع ما يحيط بها من جزيئات غازية, مولدة طاقة حرارية إضافية (طاقة حرارية ذاتية), ونتيجة لذلك تتسخن الأجزاء السفلى نم الغلاف الجوي, وتشع طاقة إشعاعية تحت حمراء إلى سطح الأرض متسخنة, وتتالى هذه العملية الإشعاعية,وبذلك تشكل الغازات الحرارية طبقة عازلة حول الأرض تمنع جزءاً من أمواج الأشعة الأرضية تحت الحمراء من الانطلاق إلى الفضاء, وبذلك فإنها تشكل ما يعرف بظاهرة "الإنحباس الحراري". ولقد بينت الدراسات أنه لولا وجود Co2 وبخار الماء (H2O ) لكان متوسط درجة حرارة سطح الكرة الأرضية حوالي -20 مئوية أو أقل بحوالي 35 مئوية عما هي عليه حالياً(3ص 59 ,35ص121).
تدعى عملية امتصاص الغازات الحرارية لأمواج الأشعة الأرضية تحت الحمراء عملية "تأثير الغلاف الجوي Atmospherc Effect". لكنها في الماضي كانت تدعى " تأثير البيوت الخضراء Greenhouses Effect ", حيث كان يعتقد أن تسخين الهواء في البيوت الخضراء الزجاجية أو البلاستيكية المستخدمة في الزراعة يعود إلى سماح ألواح زجاجية أو البلاستيكية لأمواج الأشعة الشهية المرئية البيضاء بعبورها, لكنها في الوقت نفسه تمنع
أمواج الأشعة الأرضية تحت الحمراء من مغادرة البيوت الخضراء. لكن تبين فيما بعد أن ذلك غير صحيح وأن تسخن هواء البيوت الخضراء يعود إلى ركوده وعدم امتزاجه مع الهواء البارد خارجها (3ص59,35ص121).
كما تقوم الغيوم المنخفضة بامتصاص معظم أمواج الأشعة الأرضية تحت الحمراء بما فيها المحصورة بين 8000-14000 نم, وتعود وتشعها مرة أخرى باتجاه سطح الأرض فيمتصها ويتسخن بها ثم يعود ويشعها مرة أخرى إلى الغيوم وهكذا, لكن في الوقت نفسه فإن الغيوم سيئة الامتصاص لأمواج الأشعة الشمسية المرئية البيضاء لذلك فإننا نلاحظ ارتفاع درجة الحرارة في أيام الشتاء ولياليها المقيمة وانخفاضها في الأيام الصحوة ولياليها, ويقدر مجموع ما تمتصه الغيوم وجزيئات الهواء من التشمس الواصل إلى قمة الغلاف الجوي بحوالي 19%, بالإضافة إلى ذلك, تقوم الغيوم بعكس حوالي 20% من التشمس الواصل إلى قمة الغلاف الجوي, كما تعكس جزيئات الهواء حوالي6%منه, بينما لا يعكس سطح الأرض سوى 4% منه وسطياً مهملاً, وتظل متوازية, ويكون انحناء جبهتها عند سطح الكرة الإشعاعية التي تقع عندها الأرض مهملاً أيضاً وتشكل سطحاً مستوياً تتعامد معه الأشعة الشمسية المكونة لهذه الحزمة.

الأشعة الشمسية المتوازية:
تنطلق الأشعة الشمسية من سطح الشمسية متجانسة ومتماثلة في جميع الاتجاهات مشكلة كرة إشعاعية مركزها الشمس تزداد اتساعاً مع الابتعاد عنها في الفضاء الكوني, لكن مع ذلك ينظر للأشعة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض على أنها أشعة متوازنة, لأنه بسبب صغر المسافة بين الأرض والشمس من جهة,وبسبب ضآلة طول قطر الأرض من جهة أخرى, يظل إنفراج الأشعة الشمسية المشكلة للخدمة الإشعاعية الساقطة على سطح الأرض.
التشميس الواصل إلى الأرض :
تطلق الشمس كميات هائلة من الطاقة الإشعاعية الكهرومغناطيسية وكما لاحظنا فان ما يشعه1سم2 من سطح الشمس على شكل كرة إشعاعية متزايدة الاتساع تتناقص شدتها ولا يصل إلى الأرض سوى النذر اليسير وذلك لأن شدة الطاقة الإشعاعية الشمسية تتناسب عكساً مع مربع المسافة التي تقطعها الأمواج الشعاعية في الفضاء :
1

d2

I

1

d2

I=k

هنا : 1= مقدار أو شدة الطاقة الإشعاعية الواصلة
D= المسافة بين الجسم المشع ( الشمس ) والجسم المستشع (الأرض)
K= ثابت
واستنادا لذلك فعند وصول الطاقة الإشعاعية الشمسية إلى المدى الذي تقع عنده الأرض (سطح الكرة الإشعاعية التي تقع عندها الأرض ) تصبح شدتها أقل من 2لانجلي /د (2حريرة/سم2د) وقد رأينا فيما تقدم أنه بامكاننا تسمية الطاقة الشمسية الإشعاعية الداخلة إلى سطح الأرض (Income Solar Radiation) بالتشمس (Insolation) ومع وجود الغلاف الجوي للأرض تميل دراسات عديدة إلى تسمية التشمس الواصل إلى قمة الغلاف الجوي " الطاقة الإشعاعية فوق الأرضية (Extra Terrestrial Radiation) لتمييزه عن التشمس الواصل إلى سطح الأرض .
ويمكن حساب مقدار الطاقة الشمسية الإشعاعية أو التشمس الواصل إلى واحدة المساحة من سطح يقع عند قمة الغلاف الجوي يتعامد مع الاشعى الشمسية خلال دقيقة واحدة من الزمن بمعرفة الطاقة الإشعاعية التي يشعها سطح الشمس وقسمتها على مساحة الكرة الأرضية الاشعاية التي شكلها الأشعة الشمسية والتي تقع عند سطحها الأرض :
10-11(4πr2)× T4 σ

4π d2

Io =

هنا : Io= مقدار التشمس الواصل
σ = ثابت ستيفان (10-11 × 8.132 حريرة /دك4)
T = درجة حرارة الشمس ك (5800) درجة
rs = نصف قطر الشمس (710 × 6955 سم )
107)2×6955)×3.14×(5800)4× 10-11×8.132

10-11)×(149.6 × 3.14 × 4

d = البعد بين الارض والشمس أو نصف قطر الكرة الإشعاعية التي تقع الأرض عند سطحها (1110 × 149.6 سم ) = 3.14 وبالتعويض بالمعادلة :
حريرة/سم2د(لانجلي/د)1.989=

ومن هذه المعادلة يمكن حساب قيمة الثابت (k) في المعادلة إذ يساوي 4.4504×2610 لانجلي/د.
ويهتم المناخيون والرصاد الجويون والعاملون في مجال الطاقة الشمسية بقياس هذا المقدار من الطاقة الشمسية الإشعاعية (التشميس) الواصل إلى سطح الأرض وحسابه بدقة لأنه يشكل الأساس لحسابات الطاقة الشمسية والقوانين الناظمة لها ويعد معياراً لها وقد اتفق عامليا على تسميته بـ "الثابت الشمسي Solar Constant" .
قامت دراسات عديدة بقياس الثابت الشمسي وحسابه وكان ابوت ورفقاه (Abbteto) في مؤسسة سميتسونيان (Smithsonuoi Intitution) أول من أجرى قياس له من فوق (Johnsos) إلى 1.9997 لانجلي /د (1395 واط /م2)(30) .
وفي قياسات مباشرة وأكثر دقة استخدمت فيها الطائرات والبالونات والأقمار الاصطناعية المحملة بأجهزة قياس متطورة أجريت فوق الغلاف الجوي للأرض تبين أن قمة الثابت الشمسي تعادل 1.94 ± 1.5%لانجلي/د (1353 ± 1.5% واط/م2)وقد تبنت عام 1971 كل من وكالة ±ناسا (NASA ) واللجنة الأمريكية لفحص المواد(American Society for Testing Materials )هذه القيمة (25 ,32 , 33) ومازلت متبناة من معظم الباحثين في العالم, مع ذلك, أعاد العالم فروهليش (Frohlich )عام 1977 فحص لقياسات التي استخدمت في تحديد هذه القيمة للثابت الشمسي وتحليلها, وأدخل في تحليله قياسات أجبرت بواسطة القمرين الاصطناعيين نيمبوس ( Nimbus) ومارينر (Marinar)ونتيجة لذلك اقترح أن تكون قيمة الثابت الشمسي 1.968± 1.5 (1373 ±1.5 واط/م2) (34,25).واستناداً إلى ما تقدم يمكن أن نعرف الثابت الشمسي بأنه "مقدار الطاقة الشمسية الإشعاعية (التشمس) الواصل إلى واحدة المساحة (1سم2) من سطح يتعامد مع الأشعة الشمسية, يقع عند قمة الغلاف الجوي, أو عند سطح الأرض بافتراض عدم وجود الغلاف الجوي, خلال واحدة الزمن (1 دقيقة) عند البعد الوسطي بين الأرض والشمس (149.6 ×10 6 كم) ويعادل 1.94 لانجلي/د (حريرة/سم2د)أو 1353 واط/م2.
1.49× r2 π

4π r2

وباستخدام الثابت الشمسي, يمكننا حساب كمية التشمس (الطاقة الشمسية الإشعاعية) الكلية, الواصلة إلى قمة الغلاف الجوي باعتبار أن مقطع سطح الأرض المعرض للأشعة الشمسية بشكل دائرة, ويتقسم مقدار التشمس الواصل إلى هذه الدائرة على مساحة سطح الكرة الأرضية نحصل على متوسط ما تتلقاه أو ما تستشعه واحدة المساحة (1سم2) من سطح الأرض خلال واحدة الزمن (1د), وذلك كما يلي:
I = = 0.485

هنا : r = نصف قطر الأرض
r2 π= مساحة مقطع الأرض المعرض للتشمس
4π r2 = مساحة الكرة الأرضية
اعتقدت بعض الدراسات فيما مضى أن قيمة الثابت الشمسي تتعرض لتغيرات دورية تتراوح بين ± 0.5 – 2% تتبع نشاط البقع الشمسية ودورتها كل 11 سنة ، فمن هذه الدراسات ما اقترح وجود علاقة عكسية بين مقدار الثابت الشمسي وعدد البقع الشمسية ، إذ انه يزداد مع قلتها ويتناقص مع ازدياد عددها ، وبعضها الأخر اقترح عكس ذلك وقال بوجود علاقة طردية بينهما ، إذ انه يزداد مع ازدياد عددها . ولكن بينت الدراسات اللاحقة فيما بعد عدم وجود أي علاقة بين المقدار الثابت الشمسي ودورة البقع الشمسية (8ص25) .
وبسبب قوة حقولها المغناطيسية ، وما يصاحبها من كميات كبيرة من الأشعة فوق البنفسجية ( ) ينحصر تأثير البقع الشمسية في الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة (EUV) التي تقع أطوالها عن 0.2مايكرو متر ، وهذه لا تحمل طاقة حرارية ، وبذلك فان أكثر 99% من أمواج الطاقة الشمسية الإشعاعية يقع بين 0.2-1000 مايكرو متر ولا تتأثر بالبقع الشمسية (9ص38).وبذلك يمكن اعتبار الطاقة الشمسية الإشعاعية ثابتة المقدار (25ص7) .
وختمت منظمة الأرصاد الجوية العالمية (MWO) هذا الموضوع بإعلانها " بأن للبقع الشمسية دورات منتظمة تقريباً تحصل كل 11-22 سنة ، ولكن لا يوجد دليل حاسم على أن لهذه البقع الشمسية ودورانها تأثير في مقدار الطاقة الشمسية الإشعاعية الواصلة إلى الأرض (أرصاد) . بالإضافة إلى ذلك تجدر ملاحظة أن التغيرات المقترحة في مقدار الثابت الشمسي ( ± 1 – 2%) لا تتجاوز مقدار الأخطاء المحتملة في عمليات القياس لذلك وفي ضوء ما تركته الدراسات الأخيرة يمكننا اعتبار قيمة الثابت الشمسي ثابتاً إلى أن تظهر قياسات موثوقة في المستقبل تقترح خلاف ذلك : 80:

شكرا جزيلا لك فانا احتاج هذا البحث كثيرا :d

شكرا لك جزيلا لك

عفواااااااااااااااا
وان شاء الله اكون اكون قد افدتكم

مقدمة:
تشكل الطاقة في العالم شريان الحياة و نمو‎ ‎اقتصادها لهذا يزداد الطلب العالمي عليها كل يوم. و ‏من أجل تلبية الطلب العالمي‎ ‎المتزايد على الطاقة سوف يتطلب من جميع البلدان تبني ‏تكنولوجيات الجيل الجديد في‎ ‎الوقت الذي تواصل فيه الاستثمار في فعالية الطاقة و في البدائل ‏القابلة للتجديد‎ ‎للوقود الأحفوري ( البترول و مشتقاتها) ان تلبية الحاجات الطويلة الأجل للطاقة النظيفة في‎ ‎العالم سوف يتطلب تبني تكنولوجيات جديدة ‏في نفس الوقت الذي يستمر فيه الاستثمار في‎ ‎زيادة فعالية الطاقة, و اعتماد البدائل القابلة للتجديد ‏غير الوقود الأحفوري و كذلك‎‎الخيارات الأنظف للطاقة‎.‎ ‎ إن‎ ‎الطاقات المستعملة من طرف العالم متعددة و أهمها و أكثرها استغلالا هي الطاقة‎ ‎البترولية ‏التي كانت و لا زالت هي سبب النزاعات الكبرى بين الدول و التسابق و الجري‎ ‎للسيطرة على ‏منابعها‎
الطاقات المتجددة و مكانتها:
هي الطاقة المستمدة من الموارد الطبيعية التي تتجدد أو التي لا يمكن أن تنفذ (الطاقة المستدامة). هي وسيلة لنشر المزيد من العدالة في العالم بين دول العالم الغني ودول العالم الفقير. وهي ليست حصراً على الذين يعيشون اليوم، فالحد الأقصى من استعمال الشمس والرياح اليوم لن يقلل من فرص الأجيال القادمة. بل على العكس، وتنتج الطاقة المتجددة منالرياحوالمياهوالشمس, كما يمكن إنتاجها من حركة الأمواج والمد والجزر أو من حرارة الأرض الباطنية وكذلك من المحاصيل الزراعية والأشجار المنتجة للزيوت
الطاقة الشمسية
تعد الشمس من أكبر مصادرالضوء والحرارة الموجودة على وجه الأرض، وتتوزع هذه الطاقة- المتولدة من تفاعلاتالاندماج النووي داخل الشمس- على أجزاء الأرض حسب قربها من خط الاستواء، وهذا الخطهو المنطقة التي تحظى بأكبر نصيب من تلك الطاقة، والطاقة الحرارية المتولدة عن أشعةالشمس يُستفاد منها عبر يتم تحويلها إلى (طاقة كهربائية) بواسطة (الخلايا الشمسية)
إن معظم الطاقة التي يستخدمها العالم تأتي أصلا من الشمس. لكن مجمعات الطاقة الشمسية تستخدم تلك الطاقة المستمدة مباشرة من الشمس بدلا من تبديدها دون جدوى.
تجميع الطاقة :هناك طريقتان في الطريقة الأولى، يتم تركيز أشعة الشمس على مجمع بواسطة مرايا مكافئيه المقطع (طاسيه الشكل). ويتكون المجمع عادة من عدد من الأنابيب بها ماء أو هواء. تسخن حرارة الشمس الهواء أو تحول الماء إلى بخار. في الطريقة الثانية، يمتص المجمع ذو اللوح المستوى حرارة الشمس تقريبا بنفس الطريقة التي يمتصها بها مستنبت زجاجي في بستان. وتستخدم الحرارة لتنتج هواء ساخن أو بخار.
استخدامات الطاقة الشمسية: يمكن استخدام الطاقة الشمسية في أغراض كثيرة احد أهم هذه الاستخدامات هو تدفئة المنازل. يمرر الهواء الساخن أو الماء الساخن في مواسير ومشعات حول المنزل. يمكن استخدام البخار لإدارة توربين يشغل آلة أو يساعد على توليد كهرباء. كذلك يمكن تركيز أشعة الشمس بحيث تسخن الأفران وتطهى الطعام.
.
.

تعريف الخلايا الشمسية :
إن الخلايا الشمسية هي عبارة عن محولات فولتضوئية تقوم بتحويل ضوء الشمس المباشر إلي كهرباء، وهي نبائظ شبه موصلة وحساسة ضوئياً ومحاطة بغلاف أمامي وخلفي موصل للكهرباء.
لــقد تم إنــماء تقنيات كثيرة لإنـتــاج الخلايـا الشمسيـــة عبر عــــمــليات متسلسلة من المعالجات الكيميائية والفيزيائية والكهربــائيـــة عـــلى شكــل متكاثف ذاتي الآليــــة أو عالي الآلية، كمـــا تـم إنماء مــــواد مختلفـــة من أشبــاه الموصلات لتصنيع الخلايـــا الشمسية على هيئة عناصر كعنصر السيلكون أو على هيئة مركبات كمركب الجاليوم زرنيخ وكربيد الكادميوم وفوسفيد الأنديوم وكبريتيد النحاس وغيرها من المواد الواعدة لصناعة الفولتضوئيات.
ميكانيكية تيار الخلايا الشمسية :
الخلية الشمسية للتطبيقات الأرضية هي رقاقة رفيعة من السيلكون مشابة بمقادير صغيرة من الشوائب لإعطاء جانب واحد شحنة موجبة والجانب الآخر شحنة سالبة مكونة ثنائياً ذا مساحة كبيرة
.
وأخيراً فهناك اتجاه في شتى دول العالم المتقدمة والنامية يهدف لتطوير سياساتالاستفادة من صور الطاقة المتجددة واستثمارها، وذلك كسبيل للحفاظ على البيئة منناحية، ومن ناحية أخرى إيجاد مصادر وأشكال أخرى من الطاقة تكون لها إمكانيةالاستمرار والتجدد، والتوفر بتكاليف أقل، في مواجهة النمو الاقتصادي السريعوالمتزايد، وهو الأمر الذي من شأنه أن يحسّن نوعية حياة الفقراء بينما يحسّن أيضاالبيئة العالمية والمحلية.
الطاقة المائية
تعتبر الطاقة المائية مصدرا أساسيا لإنتاج الطاقةالكهربائية، ففي الأحواض الاصطناعية أو بحيراتالسدوديتوفر الماء على طاقة كامنة تتحول إلى طاقةحركية عندما ينصب نحو الأسفل ، وتتضاعف الطاقة المائية مع :
• ارتفاع سرعة السقوط طبقا لمبدأالجاذبية.
• ارتفاعصبيبالماء.

و هي من أول أنواع الطاقة التي تعلم الإنسان استخدامها منذ حوالي 2000سنة، حيث اخترع إنسان ما الساقية (الناعورة) وهي عبارة عن عجلة ذات أرياش حول إطارها وعندما يرتطم الماء المتحرك بالا رياش فانه يدير العجلة ويستخدم العجلة الدوارة في تسيير آلة. بهذه الطريقة تتحول طاقة المياه إلى طاقة ميكانيكية. لقد ظلت السواقي لمئات السنين تستخدم في طواحين المياه لطحن الغلال. كانت العجلات تدار بواسطة مياه الأنهار سريعة التدفق. في الوقت الحاضر، يعتبر توليد الكهرباء من أهم استخدامات القدرة المائية، فعندما يتدفق الماء من مستوى عالٍ إلى مستوى منخفض فانه يدير التوربينات التي تشغل المولدات الكهربائية. والتوربين يعمل بنفس الطريقة التي تعمل بها الساقية ويطلق على الكهرباء التي تولد بهذه الطريقة اسم الكهرباء المائية. في العادة تشيد بجانب النهر محطة لتوليد القدرة الكهربية بالقوة المائية. يقم سد ليحجز خلفه مياه النهر، ثم يغذيها للتوربينات بقوة هائلة
طاقة المد والجزر والأمواج
توجد كميات هائلة من الطاقة في حركات المد والجزر بالمحيطات. ويمكن استخدام هذه الطاقة في أغراض مختلفة. فعلى سبيل المثال، محطات توليد القدرة الكهربية من حركات المد والجزر تعمل كمحطات هيدروكهربائية لتوليد القدرة وذلك بتحويل طاقة مياه المد والجزر المتحركة إلى الكهرباء. أيضاً، تعتبر حركة أمواج البحر إلى أعلى والى أسفل مصدراً للطاقة، ويمكن استخدامه لتوليد الكهرباء.
طاقة الرياح
تنتج الرياح من انتقال الهواء الحار و البارد و هذا الانتقالالسريع يحدث تيارات هوائية بفضل تعرض هذه الكتل لأشعة الشمس التي تغطي نصف الكرةالأرضية و تستغل الطاقة الريحية في إنتاج الطاقة الحركية و الطاقةالكهربائية

ما العمل عند غياب الرياح
لا يمكن الاعتماد على الرياح بصفة مستديمة،فأي بقعة على الأرضقد تتعرض لرياح عاتية في بعض الأوقات، وقد تتوقف عندها الريح تماماً في أوقات أخرىوللتغلب على مشكلة تذبذب الطاقة، نتيجة لتغير سرعة الريح، يجب تجهيز محطة الطاقةالريحية بنظام لحفظ الطاقة إما:
• باستعمالبطاريةتمكن من تخزين الطاقة الكهربائية المحصل عليها.
• رفع المياه إلىأعلى فوق جبل مثلاً، ثم إعادة استخدام هذه المياه في توليد الكهرباء عندما تضعفالرياح.

تتكون محطة الطاقة الريحية البسيطة من :
• مروحة : نحصل بواسطتها عنحركة الدوران انطلاقا من هبوب الرياح .
• منوب: آلة تمكن من تحويل الطاقةالميكانيكية إلى طاقة كهربائية بتيار متناوب نجعله مستمرا باستعمال مقوم.
• بطارية: لتخزين الطاقة الكهربائية.
تستخدم طاقة الرياح في تسيير السفن الشراعية واليخوت حتى السفن الكبيرة كانت تعتمد على طاقة الرياح قبل أن تكتشف المحركات. وكانت طواحين الهواء تستخدم لمئات السنين في طحن القمح والغلال الأخرى ولا يزال الفلاحون حتى يومنا هذا يستخدمون هذه الطواحين بكثرة في ضخ المياه.بعض هذه الطواحين تستخدم لإدارة مولدات القدرة الكهربية. ولكنها عادة لا تنتج إلا كميات ضئيلة من الكهربية قد لا تكفي إلا لمزرعة واحدة.
طاقة الكتلة الحيوية
تنتج من المخلفات العضوية الحيوانية والنباتية والآدمية سواءكانت هذه المخلفات صلبة أم سائلة فائضا صناعيا أم مخلفات زراعية، ويمكن تحويلها إلىمصدر للطاقة بأحد الأساليب.
فوائد طاقة الكتلة الحيوية
–الحرق المباشر: يستعمل للطهي والتدفئة وإنتاج البخار غير أن هذهالعملية لها مردود حراري ضئيل.
–الحرق غير المباشر لإنتاج الفحم (بدون أوكسجين).
–طرق التخمير لإنتاج غاز الميثان الذي يستخدم في الأعمال المنزلية كالتدفئةوالطهي والإنارة وباستعمال الهاضمات التي تختلف حسب نوعية الفضلات” زراعية – صناعية – بشرية) ومن الجدير بالذكر ان تكنولوجيا الهاضمات بسيطة للغاية وفي متناول الدولالنامية.
*إنتاج الكحول بدون تخمير كالميثان ول.
*التخمير لإنتاج الكحولالاثيلي .
من خلال ماتقدم نرى ان استعمال الفضلات يمكن ان يسهم بطريقة فعالة فيتوفير مصدر طاقة مناسب للقرى التي لها مردود من الفضلات او تكون قريبة من مدينةصناعية او زراعيةويعطي كل أسلوب من الأساليب السابقة منتوجاتهالخاصة به مثل غاز الميثان والكحول والبخار والأسمدة الكيماوية، ويعد غاز الإيثانولواحداً من أفضل أنواع الوقود المستخلصة من الكتلة الحيوية وهو يستخرج بشكل رئيسي منمحاصيل الذرة وقصب السكر.
أهمية الطاقات المتجددة
• مصدر محلي يتلاءم مع واقع تنمية المناطق النائية والريفيةواحتياجاتها.
• نظيفة ولا تلوث البيئة، وتحافظ على الصحة العامة.
• اقتصادية في كثير من الاستخدامات، وذات عائد اقتصادي كبير.
• ضمان استمرار توافرها وبسعر مناسب وانتظامه.
• لا تحدث أي ضوضاء، أو تترك أي مخلفات ضارة تسبب تلوث البيئة.
• تحقق تطورا بيئيا واجتماعيا، وصناعيا، وزراعيا .
• تستخدم تقنيات غير معقدة ويمكن تصنيعها محلياً في الدولالنامية.

الاحتبــاسالحــراري

مخطط يبين تأثير الاحتباس الحراري

: هي الارتفاع التدريجي في درجة حرارة الطبقة السفلى القريبة من سطح الأرض من الغلاف الجوي المحيط بالأرض. وسبب هذا الارتفاع هو زيادة انبعاث الغازات الدفيئة أو غازات الصوبة الخضراء ” green house gases” .
مايميزالكرةالأرضيةعنالكواكبالأخرىفيالمجموعةالشمسيةهوالغلافالجويالذييحيطبها,ووجودالغلافالجويوثباتمكوناتهيتوقفعليهاستمرارالحياةبالشكلالمتعارفعليه.وانمكوناتالغلافالجويالرئيسيةثابتةمنذفترةطويلة “عشراتالآلافمنالسنين هي ظاهرة ارتفاع درجة الحرارة في بيئة ما نتيجة تغيير في سيلان الطاقة الحرارية من البيئة وإليها. وعادة ما يطلق هذا الاسم على ظاهرة ارتفاع درجات حرارة الأرض عن معدلها الطبيعي. وقد ازداد المعدل العالمي لدرجة حرارة الهواء عند سطح الأرض ب0.74 ± 0.18 °C خلال المائة عام المنتهية سنة 2005. وحسب اللجنة الدولية لتغير المناخ(IPCC) فان “أغلب الزيادة الملحوظة في معدل درجة الحرارة العالمية منذ منتصف القرن العشرين تبدو بشكل كبير نتيجة لزيادة غازات الإحتباس الحراري(غازات البيت الزجاجي) التي تبعثها النشاطات التي يقوم بها البشر.“
الغازات الدفيئة هي:
1- بخار الماء 2- ثاني أكسيد الكربون(CO2)
3- أكسيد النيروز (N2O)
4-الميثان (CH4) 5- الأوزون (O3) 6- الكلوروفلوركاربون (CFCs)
دور الغازات الدفيئة:
ان الطاقة الحرارية التي تصل الأرض من الشمس تؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة وكذلك تعمل على تبخير المياه وحركة الهواء أفقيا وعموديا؛ وفي الوقت نفسه تفقد الأرض طاقتها الحرارية نتيجة الإشعاع الأرضي الذي ينبعث على شكل إشعاعات طويلة ” تحت الحمراء “, بحيث يكون معدل ما تكتسب الأرض من طاقة شمسية مساويا لما تفقده بالإشعاع الأرضي إلى الفضاء. وهذا الاتزان الحراري يؤدي إلى ثبوت معدل درجة حرارة سطح الأرض عند مقدار معين وهو 15°س .
والغازات الدفيئة ” تلعب دورا حيويا ومهما في اعتدال درجة حرارة سطح الأرض ” حيث:
يحتوي الجو حاليا على 380 جزءا بالمليون من غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يعتبر الغاز الأساسي المسبب لظاهرة الاحتباس الحراري مقارنة بنسبة الـ 275 جزءًا بالمليون التي كانت موجودة في الجو قبل الثورة الصناعية. ومن هنا نلاحظ ان مقدار تركيز ثاني أكسيد الكربون فيالغلاف الجوي أصبح أعلى بحوالي أكثر من 30% بقليل عما كان عليه تسخيمه قبل الثورة الصناعية. نسبة امتصاصه للأشعة تحت الحمراء 55%.
إن مقدار تركيز الميثان ازداد إلى ضعف مقدار تركيزه قبل الثورة الصناعية. ينتج في مناجمالفحم وعند إنتاج الغاز الطبيعي وعند التخلص من القمامة، ونسبة امتصاصه للأشعة تحت الحمراء 15%.
الكلوروفلوركاربون يزداد بمقدار 4% سنويا عن النسب الحالية. نسبة امتصاصه للأشعة تحت الحمراء 24%.
أكسيد النيروز أصبح أعلى بحوالي 18% من مقدار تركيزه قبل الثورة الصناعية (حسب آخر البيانات الصحفية لمنظمة الأرصاد العالمية). يتكون بفعل المخصبات الزراعية، ومنتجاتالنايلون، نسبة امتصاصه للأشعة تحت الحمراء 6%.
ظواهر مرتبطة بالإحتباس الحراري
ارتفاع مستوى المياه في البحار من 0.3-0.7 قدم خلال القرن الماضي.
ارتفعت درجة الحرارة ما بين 0.4 – 0.8 درجة مئوية خلال القرن الماضي حسب تقرير اللجنة الدولية لتغير المناخ التابعة للأمم المتحدة.
أخذ الجليد في القطبين وفوق قمم الجبال الأسترالية في الذوبان بشكل ملحوظ.
مواسم الشتاء ازدادت خلال الثلاثة عقود الأخيرة دفئا ً عما كانت عليه من قبل وقصرت فتراته، فالربيع يأتي مبكرا ً عن مواعيده.
التيارات المائية داخل المحيطات غيرت مجراها مما أثر علي التوازن الحراري الذي كان موجودا ً ويستدل العلماء على ذلك بظهور أعاصير في أماكن لم تكن تظهر بها من قبل.
يربط بعض العلماء التلوث الحاصل بتغير في عدد حيوانات البلانكتون في البحار نتيجة زيادة حموضة البحار نتيجة لإمتصاصها ثاني أكسيد الكربون ويفسرون أن التلوث الذي يحدثه الإنسان هو شبيه بمفعول الفراشة أي أنها مجرد الشعلة التي تعطي الدفعة الأولى لهذه العملية والبلانكتون يقوم بالباقي.
الظواهر المتوقعة نتيجة الإحتباس الحراري
· ذوبان الجليد سيؤدي إلى ارتفاع مستوى سطح البحر
· غرق الجزر المنخفضة والمدن الساحلية
· ازدياد الفيضانات
· حدوث موجات جفاف وتصحر مساحات كبيرة من الأرض
· زيادة عدد وشدة العواصف والأعاصير
· انتشار الأمراض المعدية في العالم
· انقراض العديد من الكائنات الحية
· حدوث كوارث زراعية وفقدان بعض المحاصيل
· احتمالات متزايدة بوقوع أحداث متطرفة في الطقس
· زيادة حرائق الغابات
. كيف نتفادى كارثة ظاهرة الاحتباس الحراري؟

إن تحليل الإحصائيات المتعلقة بطرح الغازات المتخلفة تبين المسؤوليةالتاريخية الكبرى للدول الغنية في زيادة الاحتباس الحراري .ومع ذلك فان تكاثر هذهالغازات موجود اليوم في الدول النامية .

إن النضال ضد الاحتباس الحراري لايمكن أن ينظم إلا على مستوى عالمي ,بل لقد أصبح ذلك أثناء مؤتمر ريو مسألة سياسيةدولية في حين أن التبني السياسي لهذه المسألة يظهر في شكل مساومة عالمية,حيث يحاولكل طرف أن يتخلص بلباقة من مسؤولياته ,معقدا بذلك أكثر فأكثر تطبيقات الإستراتيجياتووسائل التنظيم الفعالة .

تاريخ الوعي بالخطر :

1827:وصف ظاهرةارتفاع درجة الحرارة عن طريق الاحتباس الحراري
1873: إنشاء المنظمة الدوليةللأرصاد الجوية التي صارت في ما بعد منظمة الأرصاد الجويةالعالمية.
1898أول تقرير للمناختمخص عن معاهدة تحدد إطار المفاوضات بين 137 دولة و المجموعةالأوروبية.
1992:توقيع الاتفاقية -إطار المعاهدة حول التغيرات المناخية (المؤتمر الأول للأطراف الموقعة في برلين حول تنفيذ الالتزامات المأخوذة في مؤتمرريو.تؤكد وثيقة برلين مسؤولية الدول المصنعة.
1996:المؤتمر الثاني بجنيفللأطراف الموقعة شارك في صياغته 2000 عالم.

اتفاقية كيوتو:
من بينالاتفاقيات المختلفة للمفاوضات ندوة كيوتو التي تمثل منعطفا هاما في ما يخص حمايةدولية للبيئة..
و تضمن الاتفاقية لأولمرة أهدافا كمية صارمة للحد من نشر الغازات المتباينة حسب الدول. و ظهرت مبادراتأصيلة من جانب القطاع الخاص و المنظمات غير الحكومية التي تحاول إقامة تحالفات منأجل إيجاد مصالح متبادلة. و من جهة أخرى فإن ندوة الأمم المتحدة للتجارة و التنميةو المنظمات الحكومية المنظم لندوة ريو قد أنشأت في نوفمبر 1898 جمعية ترقية تجارةإصدارات دولية
نتيجة الاستعمال الوجيه للطاقة
يعتبر مشكل التلوث البيئي من أهم المواضيع التي تشغلالعالم في السنوات الأخيرة، بالنظر إلى حجمالكوارثالطبيعيةالمسجلة سنويا حيث أن ارتفاع درجة حرارة الكرة الأرضيةنتيجة انبعاث الغازات الدفيئة يعتبر الدول الصناعية النامية منها مسئولة على هذهالظاهرة، حيث أن العالم بأسره يولى أهمية كبرى للمسائل البيئية مما أدى إلى إدماجهذه الانشغالات في السياسة القطاعية، و البرنامج الحكومي لكل دولة وذلك لمكافحةالظواهر المترتبة عن التلوث البيئي ومخلفات القطاع الصناعي المستخدم لمسبباتالاحتباس الحراري وغيره من التلوث البيئي للحفاظ على البيئة في إطار ما يسمىبالتنمية المستدامة.
ويتمحور الاستعمالالوجيه للموارد الطاقوية أساسا حول:
ترقية و تطوير استعمال الطاقات الأقل تلوثا) الغاز الطبيعي،غاز البترول المسال، البنزين الخالي من الرصاص)؛
ترقية الاقتصاد في الطاقة.
تطهير و إعادة تأهيل المناطقالملوثة.
تطويرالطاقات المتجددة.
تطوير التسيير البيئي على مستوى الطاقة والمناجم.
كما يظهر جليا الأهمية المولاةلترقية استعمال الغاز الطبيعي من خلال السياسة الطاقوية المتبعة المبنية أساسا علىالخيارات التالية:
الاستعمال الأقصى للغاز الطبيعي، في الاستعمالات الأولية والاستهلاك النهائي الذي يغطي احتياجات الصناعة، الأشخاص، النقل والخدمات.
تطويراستعمال غاز البترول المسال.
إنتاج الطاقة الكهربائية بنسبة 95 بالمائة من الغاز الطبيعيو توجيهه للاستعمالات المتخصصة.
التخفيض التدريجي لحصة المواد البترولية في ميزان الطاقةوالتي يتم توجيهها للتصدير.
الاستعمال المحدود للحطب الذي يحفز الحفاظ على الثروةالغابية.
ترقيةالطاقات الجديدة و المتجددة.

مشكوووووووووووووووووووووور

شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية .

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية .

شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية .

طرق توليد الطاقة الكهربائية

Generation of Electrical Energy

إن عملية توليد أو إنتاج الطاقة الكهربائية هي في الحقيقة عملية تحويل الطاقة من شكل الى آخر حسب مصادر الطاقة المتوفرة في مراكز الطلب على الطاقة الكهربائية وحسب الكميات المطلوبة لهذه الطاقة ، الأمر الذي يحدد أنواع محطات التوليد وكذلك أنواع الاستهلاك وأنواع الوقود ومصادره كلها تؤثر في تحديد نوع المحطة ومكانها وطاقتها .

أنواع محطات التوليد :

نذكر هنا أنواع محطات التوليد المستعملة على صعيد عالمي ونركز على الأنواع المستعملة في بلادنا :

محطات التوليد البخارية .
محطات التوليد النووية .
محطات التوليد المائية .
محطات التوليد من المد والجزر
محطات التوليد ذات الاحتراق الداخلي (ديزل – غازية)
محطات التوليد بواسطة الرياح.
محطات التوليد بالطاقة الشمسية.

1-محطات التوليد البخارية

تعتبر محطات التوليد البخارية محولا للطاقة (Energy Converter)

وتستعمل هذه المحطات أنواع مختلفة من الوقود حسب الأنواع المتوفرة مثل الفحم الحجري أو البترول السائل أو الغاز الطبيعي أو الصناعي .

تمتاز المحطات البخارية بكبر حجمها ورخص تكاليفها بالنسبة لإمكاناتها الضخمة كما تمتاز بإمكانية استعمالها لتحلية المياه المالحة ، الأمر الذي يجعلها ثنائية الإنتاج خاصة في البلاد التي تقل فيها مصادر المياه العذبة .

اختيار مواقع المحطات البخارية Site Selection of Steam Power Station

تتحكم في اختيار المواقع المناسبة لمحطات التوليد الحرارية عدة عوامل مؤثرة نذكر منها

ما يلي :

القرب من مصادر الوقود وسهولة نقله إلى هذه المواقع وتوفر وسائل النقل الاقتصادية.
القرب من مصادر مياه التبريد لأن المكثف يحتاج إلى كميات كبير من مياه التبريد . لذلك تبنى هذه المحطات عادة على شواطئ البحار أو بالقرب من مجاري الأنهار.
القرب من مراكز استهلاك الطاقة الكهربائية لتوفير تكاليف إنشاء خطوط النقل . مراكز الاستهلاك هي عادة المدن والمناطق السكنية والمجمعات التجارية والصناعية
وتعتمد محطات التوليد البخارية على استعمال نوع الوقود المتوفر وحرقه في أفران خاصة لتحويل الطاقة الكيميائية في الوقود الى طاقة حرارية في اللهب الناتج من عملية الاحتراق ثم استعمال الطاقة الحرارية في تسخين المياه في مراجل خاصة (BOILERS) وتحويلها الى بخار في درجة حرارة وضغط معين ثم تسليط هذا البخار على عنفات أو توربينات بخارية صممت لهذه الغاية فيقوم البخار السريع بتدوير محور التوربينات وبذلك تتحول الطاقة الحرارية الى طاقة ميكانيكية على محور هذه التوربينات . يربط محور المولد الكهربائي ربطا مباشرا مع محور التوربينات البخارية فيدور محور المولد الكهربائي (AL TERNATOR) بنفس السرعة وباستغلال خاصة المغناطيسية الدوارة (ROTOR) من المولد والجزء الثابت (STATOR) منه تتولد على طرفي الجزء الثابت من المولد الطاقة الكهربائية اللازمة .

لا يوجد فوارق أساسية بين محطات التوليد البخارية التي تستعمل أنواع الوقود المختلفة إلا من حيث طرق نقل وتخزين وتداول وحرق الوقود . وقد كان استعمال الفحم الحجري شائعا في أواخر القرن الماضي وأوائل هذا القرن ، إلا أن اكتشاف واستخراج البترول ومنتوجاته احدث تغييرا جذريا في محطات التوليد الحرارية حيث اصبح يستعمل بنسبة تسعين بالمئة لسهولة نقله وتخزينه وحرقة إن كان بصورة وقود سائل أو غازي .

مكونات محطات التوليد البخارية :

تتألف محطات التوليد البخارية بصورة عامة من الأجزاء الرئيسية التالية :

أ ) الفرن : Furnace

وهو عبارة عن وعاء كبير لحرق الوقود . ويختلف شكل ونوع هذا الوعاء وفقا لنوع الوقود المستعمل ويلحق به وسائل تخزين ونقل وتداول الوقود ورمي المخلفات الصلبة

ب ) المرجل : Boiler

وهو وعاء كبير يحتوي على مياه نقية تسخن بواسطة حرق الوقود لتتحول هذه المياه

الى بخار . وفي كثير من الأحيان يكون الفرن والمرجل في حيز واحد تحقيقا للاتصال

المباشر بين الوقود المحترق والماء المراد تسخينه .

وتختلف أنواع المراجل حسب حجم المحطة وكمية البخار المنتج في وحدة الزمن .

ج ) العنفة الحرارية أو التوربين Turbine

وهي عبارة عن عنفة من الصلب لها محور ويوصل به جسم على شكل أسطواني مثبت به لوحات مقعرة يصطدم فيها البخار فيعمل على دورانها ويدور المحور بسرعة عالية جدا حوالي 3000 دورة بالدقيقة وتختلف العنفات في الحجم والتصميم والشكل باختلاف حجم البخار وسرعته وضغطه ودرجة حرارته ، أي باختلاف حجم محطة التوليد .

د ) المولد الكهربائي : Generator

هو عبارة عن مولد كهربائي مؤلف من عض دوار مربوط مباشرة مع محور التوربين وعضو ثابت .ويلف العضوين بالأسلاك النحاسية المعزولة لتنقل الحقل المغناطيسي الدوار وتحوله إلى تيار كهربائي على أطراف العضو الثابت . ويختلف شكل هذا المولد باختلاف حجم المحطة .

هـ ) المكثف: Condenser

وهو عبارة عن وعاء كبير من الصلب يدخل اليه من الأعلى البخار الآتي من التوربين بعد أن يكون قد قام بتدويرها وفقد الكثير من ضغطه ودرجة حرارته ، كما يدخل في هذا المكثف من أسفل تيار من مياه التبريد داخل أنابيب حلزونية تعمل على تحويل البخار الضعيف إلى مياه حيث تعود هذه المياه إلى المراجل مرة أخرى بواسطة مضخات خاصة .

و) المدخنة : Chimney

وهي عبارة عن مدخنة من الآجر الحراري ( Brick) أسطوانية الشكل مرتفعة جدا تعمل على طرد مخلفات الاحتراق الغازية إلى الجو على ارتفاع شاهق للإسراع في طرد غازات الاحتراق والتقليل من تلوث البيئة المحيطة بالمحطة .

ز) الآلات والمعدات المساعدة : Auxiliaries

وهي عبارة عن عدد كبير من المضخات والمحركات الميكانيكية والكهربائية ومنظمات السرعة ومعدات تحميص البخار التي تساعد على إتمام العمل في محطات التوليد .

2-محطات التوليد النووية : Nuclear Power Station

محطات التوليد النووية نوعا من محطات التوليد الحرارية لأنها تعمل بنفس المبدأ وهو توليد البخار بالحرارة وبالتالي يعمل البخار على تدوير التوربينات التي بدورها تدور الجزء الدوار من المولد الكهربائي وتتولد الطاقة الكهربائية على أطراف الجزء الثابت من هذا المولد .

والفرق في محطات التوليد النووية أنه بدل الفرن الذي يحترق فيه الوقود يوجد هنا مفاعل ذري تتولد في الحرارة نتيجة انشطار ذرات اليورانيوم بضربات الإلكترونات المتحركة في الطبقة الخارجية للذرة وتستغل هذه الطاقة الحرارية الهائلة في غليان المياه في المراجل وتحويلها إلى بخار ذي ضغط عال ودرجة مرتفعة جدا.

تحتوي محطة التوليد النووية على الفرن الذري الذي يحتاج إلى جدار عازل وواق من الإشعاع الذري وهو يتكون من طبقة من الآجر الناري وطبقة من المياه وطبقة من الحديد الصلب ثم طبقة من الأسمنت تصل إلى سمك مترين وذلك لحماية العاملين في المحطة والبيئة المحيطة من التلوث بالإشعاعات الذرية .

أن أول محطة توليد حرارية نووية في العالم نفذت في عام 1954 وكانت في الاتحاد السوفيتي بطاقة 5 ميغاواط . .

ومحطات التوليد النووية غير مستعملة في البلاد العربية حتى الآن . ولكن محطات التوليد الحرارية البخارية مستعملة بصورة كثيفة على البحر الأحمر والبحر الأبيض المتوسط والخليج العربي في توليد الكهرباء ولتحلية المياه المالحة .

3-محطات التوليد المائية : Hydraulic Power Stations حيث توجد المياه في أماكن مرتفعة كالبحيرات ومجاري الأنهار يمكن التفكير بتوليد الطاقة ، خاصة إذا كانت طبيعة الأرض التي تهطل فيها الأمطار أو تجري فيها الأنهار جبلية ومرتفعة. ففي هذه الحالات يمكن توليد الكهرباء من مساقط المياه . أما إذا كانت مجاري الأنهار ذات انحدار خفيف فيقتضي عمل سدود في الأماكن المناسبة من مجرى النهر لتخزين المياه . تنشاء محطات التوليد عادة بالقرب من هذه السدود كما هو الحال في مجرى نهر النيل. وقد بني السد العالي وبنيت معه محطة توليد كهرباء بلغت قدرتها المركبة 1800 ميغاواط . وعلى نهر الفرات في شمال سوريا بني سد ومحطة توليد كهرباء بلغت قدرتها المركبة 800 ميغاواط .

إذا كان مجرى النهر منحدرا انحدار كبيرا فيمكن عمل تحويرة في مجرى النهر باتجاه أحد الوديان المجاورة وعمل شلال اصطناعي . هذا بالإضافة إلى الشلالات الطبيعية التي تستخدم مباشرة لتوليد الكهرباء كما هو حاصل في شلالات نياغرا بين كندا والولايات المتحدة . وبصورة عامة أن أية كمية من المياه موجودة على ارتفاع معين تحتوي على طاقة كامنة في موقعها . فإذا هبطت كمية المياه إلى ارتفاع ادنى تحولت الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية . وإذا سلطت كمية المياه على توربينة مائية دارت بسرعة كبيرة وتكونت على محور التوربينة طاقة ميكانيكية . وإذا ربطت التوربينة مع محور المولد الكهربائي تولد على أطراف العضو الثابت من المولد طاقة كهربائية .

مكونات محطة التوليد المائية : Components of Hydro-Electric Station

تتألف محطة توليد الكهرباء المائية بصورة عامة من الأجزاء الرئيسية التالية.

مساقط المياه (المجرى المائل) Penstock
وهو عبارة عن أنبوب كبير أو أكثر يكون في اسفل السد أو من أعلى الشلال إلى مدخل التوربينة وتسيل في المياه بسرعة كبيرة . يوجد سكر في أوله (بوابة) (VALVE) وسكر آخر في آخره للتحكم في كمية المياه التي تدور التوربينة .

تجدر الإشارة الى أن السدود وبوابات التحكم وأقنية المياه الموصلة للأنابيب المائلة تختلف حسب كمية المياه وأماكن تواجدها .

ب. التوربين: Turbine

تكون التوربينة والمولد عادة في مكان واحد مركبين على محور رأسي واحد . يركب المولد فوق التوربينة . وعندما تفتح البوابة في اسفل الأنابيب المائلة تتدفق المياه بسرعة كبيرة في تجاويف مقعرة فتدور بسرعة وتدير معها العضو الدوار في المولد حيث تتولد الطاقة الكهربائية على أطراف هذا المولد .

ج ) أنبوبة السحب : Draught Tubes

بعد أن تعمل المياه المتدفقة في تدوير التوربين فلا بد من سحبها للخارج بسرعة ويسر حتى لا تعوق الدوران . لذا توضع أنابيب بأشكال خاصة لسحبها للخارج السرعة اللازمة.

د) المعدات والآلات المساعدة : Auxiliaries

تحتاج محطات التوليد المائية آلي العديد من الآلات المساعدة مثل المضخات والبوابات والمفاتيح ومعدات تنظيم سرعة الدوران وغيرها .

4-محطات التوليد من المد والجزر Tidal Power Stations

المد والجزر من الظواهر الطبيعية المعروفة عند سكان سواحل البحار . فهم يرون مياه البحر ترتفع في بعض ساعات اليوم وتنخفض في البعض الآخر . وقد لا يعلمون أن هذا الارتفاع ناتج عن جاذبية القمر عندما يكون قريبا من هذه السواحل وان ذلك الانخفاض يحدث عندما يكون القمر بعيدا عن هذه السواحل ، أي عندما يغيب القمر ، علما أن القمر يدور حول الأرض في مدار أهليجي أي بيضاوي الشكل دورة كل شهر هجري ، وأن الأرض تدور حول نفسها كل أربع وعشرين ساعة . فإذا ركزنا الانتباه على مكان معين ، وكان القمر ينيره في الليل ، فهذا معناه أنه قريب من ذلك المكان وان جاذبيته قوية . لذا ترتفع مياه البحر . وبعد مضي أثنى عشرة ساعة من ذلك الوقت ، يكون القمر بالجزء المقابل قطريا ، أي بعيدا عن المكان ذاته بعدا زائدا بطول قطر الكرة الأرضية فيصبح اتجاه جاذبية القمر معاكسة وبالتالي ينخفض مستوى مياه البحر .

واكثر بلاد العالم شعورا بالمد والجزر هو الطرف الشمالي الغربي من فرنسا حيث يعمل مد وجزر المحيط الأطلسي على سواحل شبه جزيرة برنتانيا إلى ثلاثين مترا وقد أنشئت هناك محطة لتوليد الطاقة الكهربائية بقدرة 400 ميغاواط . حيث توضع توربينات خاصة في مجرى المد فتديرها المياه الصاعدة ثم تعود المياه الهابطة وتديرها مرة أخرى .

ومن الأماكن التي يكثر فيها المد والجزر السواحل الشمالية للخليج العربي في منطقة الكويت حيث يصل أعلى مد إلى ارتفاع 11 مترا ولكن هذه الظاهرة لا تستغل في هذه المناطق لتوليد الطاقة الكهربائية .

5-محطات التوليد ذات الاحتراق الداخلي : Internal Combustion Engines

محطات التوليد ذات الاحتراق الداخلي هي عبارة عن الآت تستخدم الوقود السائل (Fuel Oil) حيث يحترق داخل غرف احتراق بعد مزجها بالهواء بنسب معينة ، فتتولد نواتج الاحتراق وهي عبارة عن غازات على ضغط مرتفع تستطيع تحريك المكبس كما في حالة ماكينات الديزل أو تستطيع تدوير التوربينات حركة دورا نية كما في حالة التوربينات الغازية .

توليد الكهرباء بواسطة الديزل Diesel Power Station
تستعمل ماكينات الديزل في توليد الكهرباء في أماكن كثيرة في دول الخليج وخاصة في المدن الصغيرة والقرى . وهي تمتاز بسرعة التشغيل وسرعة الإيقاف ولكنها تحتاج الى كمية مرتفعة من الوقود نسبيا وبالتالي فان كلفة الطاقة المنتجة منها تتوقف على أسعار الوقود . ومن ناحية أخرى لا يوجد منها وحدات ذات قدرات كبيرة . (3 ميغاواط فقط). وهذا المولدات سهلة التركيب وتستعمل كثيرة في حالات الطوارئ أو أثناء فترة ذروة الحمل . وفي هذه الحالة يعمل عادة عدد كبير من هذه المولدات بالتوازي لسد احتياجات مراكز الاستهلاك.

توليد الكهرباء بالتوربينات الغازية Gas Turbine
تعتبر محطات توليد الكهرباء العاملة بالتوربينات الغازية حديثة العهد نسبيا ويعتبر الشرق الأوسط من اكثر البلدان استعمالا لها . وهي ذات سعات وأحجام مختلفة من 1 ميغاواط الى 250ميغاواط ، تستعمل عادة أثناء ذروة الحمل في البلدان التي يوجد فيها محطات توليد بخارية أو مائية ، علما أن فترة إقلاعها وإيقافها تتراوح بين دقيقتين وعشرة دقائق.

وفي معظم الشرق الأوسط ، وخاصة في المملكة العربية السعودية ، فتستعمل التوربينات الغازية لتوليد الطاقة طوال اليوم بما فيه فترة الذروة . ونجد اليوم في الأسواق وحدات متنقلة من هذه المولدات لحالات الطوارئ مختلفة الأحجام والقدرات .

تمتاز هذه المولدات ببساطتها ورخص ثمنها نسبيا وسرعة تركيبها وسهولة صيانتها وهي لا تحتاج إلى مياه كثيرة للتبريد . كما تمتاز بإمكانية استعمال العديد من أنواع الوقود ( البترول الخام النقي – الغاز الطبيعي – الغاز الثقيل وغيرها … ) وتمتاز كذلك بسرعة التشغيل وسرعة الإيقاف .

وأما سيئاتها فهي ضعف المردود الذي يتراوح بين 15 و 25 % كما أن عمرها الزمني قصير نسبيا وتستهلك كمية اكبر من الوقود بالمقارنة مع محطات التوليد الحرارية البخارية .

مكونات محطات التوربينات الغازية Components of Gas Turbines

إن الأجزاء الرئيسية التي تتكون منها محطة التوليد بالتوربينات الغازية هي ما يلي :

أ ) ضاغط الهواء The Air Compressor

وهو يأخذ الهواء من الجو المحيط ويرفع ضغطه الى عشرات الضغوط الجوية .

ب) غرفة الاحتراق The Combustion Chamber

وفيها يختلط الهواء المضغوط الآتي من مكبس الهواء مع الوقود ويحترقان معا

بواسطة وسائل خاصة بالاشتعال . وتكون نواتج الاحتراق من الغازات المختلفة على درجات حرارة عالية وضغط مرتفع .

ج ) التوربين The Turbine

وهي عبارة عن توربين محورها أفقي مربوط من ناحية مع محور مكبس الهواء مباشرة و من ناحية أخرى مع المولد ولكن بواسطة صندوق تروس لتخفيف السرعة لأن سرعة دوران التوربين عالية جدا لا تتناسب مع سرعة دوران المولد الكهربائي . تدخل الغازات الناتجة عن الاحتراق في التوربين فتصطدم بريشها الكثيرة العدد من ناحية الضغط المنخفض ( يتسع قطر التوربين من هذه الناحية) الى الهواء عن طريق مدخنة .

د ) المولد الكهربائي The Generator

يتصل المولد الكهربائي مع التوربين بواسطة صندوق تروس لتخفيف السرعة كما ذكرنا وفي بعض التوربينات الحديثة تقسم التوربين الى توربينتين واحدة للضغط والسرعة العالية متصلة مباشرة مع مكبس الهواء والثانية تسمى توربينة القدرة متصلة مباشرة مع محور المولد الكهربائي .

هـ ) الآلات والمعدات المساعدة Auxiliaries

تحتاج محطات التوربينات الغازية الى بعض المعدات والآلات المساعدة على النحو التالي :

مصافي الهواء قبل دخوله الى مكبس الهواء .
مساعد التشغيل الأولي وهو اما محرك ديزل أو محرك كهربائي .
وسائل المساعدة على الاشتعال .
آلات تبريد مياه تبريد المحطة .
معدات قياس الحرارة والضغط في كل مرحلة من مراحل العمل .
معدات القياس الكهربائية المعروفة المختلفة .

6-محطات توليد الكهرباء بواسطة الرياح : Win Power Station

يمكن استغلال الرياح في الأماكن التي تعتبر مجاري دائمة لهذه الرياح في تدوير مراوح كبيرة وعالية لتوليد الطاقة الكهربائية . وعلى سبيل المثال هناك مدن صغيرة في الولايات المتحدة واوروبا تستمد الطاقة الكهربائية اللازمة للاستهلاك اليومي من محطة توليد كهرباء تعمل بالرياح يبلغ طول شفرة مروحتها 25 مترا .

7-محطات التوليد بالطاقة الشمسية.

ما يمكن أن ينتج عنه أعمال تطبيقية أصبحت في التداول التجاري هي استغلال الطاقة الشمسية لانتاج الطاقة الكهربائية وفي تسخين مياه الاستعمال المنزلي وخاصة في التجمعات الطلابية والعمالية . للتفصيل انتقل الى الطاقة الشمسية

حول تدريس مفهوم الطاقة في السنة الثانية ثانوي

حول تدريس مفهوم الطاقة في السنة الثانية ثانوي
( مثال لتحضير الدروس على أساس طرح التساؤلات و الإشكاليات )

بعض الملاحظات المتعلقة بمفهوم الطاقة: ( تحليل المحتوى العلمي)
 رغم الاستعمال الواسع لكلمة ” الطاقة ” في الحياة اليومية، إلا أن الإحاطة بالمفهوم العلمي لهذا المقدار يبقى صعب المنال. فالطاقة و عكس بعض المقادير الفيزيائية مثل الشحنة الكهربائية، متعددة الأشكال، لا يمكن قياسها مباشرة و التحقق من انحفاظها ليس دوما جليا و واضحا.
 على المستوى المجهري ” مستوى الجسيمات” يمكننا تعريف شكلين للطاقة يختلفان اختلافا أساسيا:
o الطاقة المرتبطة بالكتل المتحركة ( تسمى الحركية)
o الطاقة المرتبطة بالأفعال المتبادلة بين مكونات المادة و التي تتعلق بأوضاعها النسبية (تسمى الكامنة).
 على المستوى العياني (الماكروسكوبي) و هو المستوى الذي يدرج فيه مفهوم الطاقة في التعليم الثانوي، فإنه بالإمكان دوما تمييز الطاقة الحركية للانسحاب ½ ك.سرمر2 عن البقية، بينما الأشكال الأخرى ” أشكال التخزين” ليس من السهل دوما فصلها عن بعضها البعض إلا إذا اكتفينا بتحليل وضعيات بسيطة و التي يمكن نمذجتها من خلال ضبط بعض التقريبات.
مثال : اعتبار الطاقة الكامنة المرونية لنابض مقلص و تجاهل الأثر الحراري المرافق. هذه الطاقة الكامنة تمثل جزء من الطاقة الداخلية للنابض ( بدقة أكثر تمثل جزء من طاقته الحرة) ، و اعتبارها منفصلة بمفردها في الميكانيك يمثل تقريبا جد مبررا، بينما هذا الفصل لا يمكن العمل به بالنسبة للغازات مثلا.
 عندما ندرس جملة فيزيائية أو كيميائية بطريقة طاقوية يقتدي أن تكون لدينا وجهة نظر واضحة، إذ تختلف النظرة الميكانيكية للجملة عن النظرة الترموديناميكية (Thermodynamique):
o في الميكانيك لا يكون التحليل الطاقوي للجملة بسيطا إلا إذا فصلنا المقادير المستعملة في التحليل عن الآثار الحرارية و التحولات الفيزيائية و الكيميائية التي تحدث في الجملة. لذلك نجد مثلا أن اعتبار الآثار الحرارية الناجمة عن قوى الاحتكاك يكون صعبا.
o في الديناميكا الحرارية ، يسمى مجموع الطاقات المختلفة لجملة مركز عطالتها مقيدا، بالطاقة الداخلية.
 مبدأ انحفاظ الطاقة :
o النص: كل جملة في حالة معينة يوافقها مقدارا فيزيائيا نسميه الطاقة.
طاقة الجملة المعزولة تبقى ثابتة. ( معزولة يعني غير خاضعة لتحويلات طاقوية ).
o المبدأ : مبدأ انحفاظ الطاقة هو قانون عام و شامل، له حدود صلاحيته و يمثل أحد الأعمدة الرئيسية لمعرفتنا العلمية للكون.
o يمكننا التعبير عن مبدأ انحفاظ الطاقة لجملة غير معزولة ( أي خاضعة لتحويلات ) بالشكل الآتي :
تغير طاقة الجملة = مجموع الطاقات المكتسبة و المفقودة عن طريق العمل ،
التحويل الحراري ، الإشعاع.
هذه هي المقاربة المرجوة في التعليم الثانوي.

مفهوم الطاقة عند تلاميذ الثانوي و الطلبة بكليات العلوم : حوصلة سلبية :
( التعرف على التلميذ)
إن الأبحاث المتعلقة بمفهوم الطاقة في مجال تعليمية العلوم الفيزيائية تكشف لنا و بدقة، عن التصورات التي نجدها لدى التلاميذ و طلبة العلوم لمفهوم الطاقة و تكشف لنا كذلك الصعوبات التي يواجهها التلاميذ أمام وضعيات يمكن للفيزيائي أن يحللها تحليلا طاقويا.
كل هذا يبين لنا مدى صعوبة الإحاطة بهذا المفهوم و عدم استيعابه بشكل صحيح.
 التصورات الخاصة بالطاقة (بصفة عامة):
– يحدث التعرف على الطاقة بسهولة عندما يكون لدينا أثرا ملموسا و واضحا ( تفاعل كيميائي ، ضوء ، تسخين ، كهرباء ، حركة ). بالمقابل لا يحدث التعرف على الطاقات الكامنة كما هو الشأن بالنسبة لطاقة الارتباط الكيميائية أو الطاقة الكامنة الثقالية. ( مثلا كون قارورة غاز البوتان تملك طاقة، لا يراها التلاميذ شيئا عاديا إلا إذا حدث احتراق الغاز، نفس الشيء بالنسبة للطاقة الكامنة الثقالية فهي غير موجودة إلا إذا كانت مرتبطة بالسقوط).
– تعتبر الطاقة شيء فعال خلال فترة زمنية ثم تختفي بعدها، الشيء الذي يقف عائقا أمام الفهم الصحيح لمبدأ الانحفاظ.
 الصعوبات المواجهة أمام مبدأ الانحفاظ :
إن التلاميذ و الطلبة في أغلب الأحيان يربطون مبدأ الانحفاظ للطاقة بتحديد جملة معزولة طاقتها تبقى ثابتة بمرور الزمن، و يواجهون حينئذ صعوبات كبيرة في اختيار الجملة و التعبير عن الحوصلة الطاقوية.

يبدو أن فكرة الانحفاظ كثيرا ما يتم ربطها تلقائيا بالجمل المعزولة و تستثنى الجمل غير المعزولة التي تفقد أو تكتسب طاقة.

 خلط بين الحرارة ، درجة الحرارة و الطاقة الداخلية :
خلط بين ” الحرارة ” و ” مصدر الحرارة “.
o الاعتقاد بالتواجد الذاتي لـ ” السخونة ” و ” البرودة “.
o الخلط بين الحرارة و الطاقة الداخلية عند الطلبة الكبار و أحيانا اعتبار الحرارة دالة حال.
o غالبا ما تعتبر ” درجة الحرارة ” كخاصية للمادة ( المعادن باردة ، الصوف ساخنة ، … )
o اعتبار الحرارة المتسبب الوحيد في تغير درجة الحرارة. فالعمل مثلا لا يعتبر في جميع الحالات كمقدار طاقوي بامكانه رفع درجة الحرارة لجملة.
مخطط الطريقة المقترحة: ( خاصية التطور الفكري المرتقب – إعداد الجهاز التعليمي)
من خلال التحليل السابق لمفهوم الطاقة، تبين بأنه مفهوم صعب، لا يمكن الإحاطة به بشكل علمي دقيق
و شامل إلا إذا تم التحكم في الكثير من المفاهيم. لذلك يستحسن التطرق لهذا الموضوع من خلال وضعيات بسيطة لبناء المفاهيم الطاقوية الأساسية.
يتم التركيز دوما على مبدأ الانحفاظ و التحولات الطاقوية في كل الوضعيات التي يتم دراستها، من خلال إجراء الحوصلة الطاقوية لكل وضعية.
1. تقدم الطاقة و انحفاظها بالشكل الآتي :
” يمكننا إرفاق كل جملة في حالة معينة بمقدار فيزيائي يُسمى ” الطاقة “. إذا تزايدت أو تناقصت طاقة الجملة فهذا يعني أن الجملة اكتسبت أو افتقدت طاقة، سواء عن طريق العمل أو من جراء تحويل حراري أو بالإشعاع “.
2. تقدم الطاقة الكامنة الثقالية على أساس أنها ” طاقة وضع ” لجسم يتبادل أفعالا مع الأرض.
3. تقدم الاستطاعة على أنها تمثل السرعة التي يتم بها التحول الطاقوي. لذلك من الأحسن تفادي استعمال ” الاستطاعة المقدمة أو المستقبلة ” لأن التحول يخص الطاقة و ليس الاستطاعة، و نستعمل ” الاستطاعة التي يتم بها التحول ” أو ” استطاعة التحول “.
4. تفادي استعمال مصطلح ” الحرارة ” و تعويضه بمصطلح ” التحول الحراري “.
الأهداف العامة :
i. بناء مفهوم انحفاظ الطاقة من خلال تعلم إجراء التحليل الطاقوي لجملة على أساس إرفاقها بطاقتها المخزنة و مختلف أشكال تحولاتها التي تحدث مع الوسط الخارجي.
ii. التعرف في حالة الجمل البسيطة على مختلف أشكال الطاقة المخزنة و تغيراتها و كذلك سبل تحولاتها.
iii. تعلم كيفية إجراء الحوصلة الطاقوية الكمية لجملة تتغير طاقتها بين حالتين.

شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية .

شكرا جزيلا

شكراااااااااااااااااا على الموضوع