اثر خورشید بر تغییرات آب و هوایی زمین

 به رغم تاثیرات تغییرات خورشیدی بر تغییرات آب و هوایی زمین در طول حیات این سیاره، بررسی‌های صورت گرفته نشان داده‌اند خورشید سهمی کمتر از 15 درصد در افزایش دمای جهان طی یک قرن گذشته داشته است.
تغییراتی حتی کوچک در فعالیت‌های خورشیدی می توانند آب و هوای سیاره زمین را به شدت تحت تاثیر قرار دهند. با این وجود، خورشید در مقایسه با بسیاری از ستاره‌های کهکشان، ستاره‌ای پایدار محسوب می شود.
برخی از ستارگان با تغییرات فاحشی در اندازه، میزان نور و حتی انفجار مواجه می شوند، اما خورشید تنها از نظر میزان نور خود در الگوهای نسبتا ثابت 11 ساله که به عنوان "چرخه خورشیدی" شناخته می شود، تغییر 0.1 درصدی را تجربه می کند.
به گفته "گرگ کوپ"، فیزیکدان خورشیدی در دانشگاه کلرادو، انرژی نور خورشید که به بالای اتمسفر سیاره زمین می رسد حدود 2 هزار و 500 برابر بیشتر از مجموع منابع این سیاره است.
بر همین اساس، حتی 0.1 درصد از میزان نور خورشید از تمامی منابع انرژی اتمسفر زمین مانند رادیواکتیویته‌ای که به طور طبیعی از هسته این سیاره ساطع می شود، پیشی می گیرد.
برای بررسی هرچه بیشتر چگونگی تاثیر این تغییرات کوچک در انرژی خورشید بر شرایط آب و هوای زمین، "شورای ملی تحقیقات" (NRC) ده‌ها تن از کارشناسان و دانشمندان در زمینه‌های مختلف مانند فیزیک پلاسما، فعالیت‌های خورشیدی، شیمی اتمسفری، دینامیک سیالات و فیزیک ذرات پر انرژی را گرد هم آورده است.
نقش خورشید در آب و هوای سیاره زمین
اکثر تاثیرات نوسانات فعالیت‌های خورشیدی بر سیاره زمین از ماهیت پیچیده‌ای برخوردار هستند. به عنوان مثال، ذرات پر انرژی خورشیدی و پرتوهای کیهانی می توانند به کاهش سطوح ازن در استراتوسفر منجر شوند.
این مساله نیز رفتار اتمسفر زیرین را تغییر می دهد و حتی ممکن است توفان‌های خورشیدی را به سمت سطح هدایت کند.
شکسته شدن ملکول‌های ازن که در پایین استراتوسفر قرار دارند به وسیله نور فرا بنفش می تواند موجب گرمایش محلی بشود.
همچنین، هنگامی که ازن از بین برود، استراتوسفر خنک‌تر می شود و موجب افزایش اختلاف دما بین مناطق استوایی و مناطق قطبی می شود. اختلاف دماها در استراتوسفر و تروپوسفر فوقانی به ناپایداری در جریان اتمسفری غرب به شرق منجر می شود.
ناپایداری‌ها، جریان‌های مخالف و حرکات نامنظم را ایجاد می کنند. این جریان‌های مخالف موجب تقویت "جت استریم‌"ها شده و در نهایت، جریان‌های تروپوسفر فوقانی، لایه اتمسفر نزدیک به سطح زمین، را تغییر می دهند.
از این رو، خورشید ممکن است نقش مهمی در این نوع فرآیند ایفا کند. افزون بر این، به گفته "جرالد میهل" از مرکز ملی پژوهش اتمسفری، تغییرپذیری خورشیدی اثری قطعی بر آب و هوا به ویژه در اقیانوس آرام بر جای می گذارد.
بررسی داده‌های دمای سطح دریا طی سال‌های اوج لکه‌های خورشیدی، الگویی بسیار شبیه با "لا نینا"، خنک کننده ادواری اقیانوس آرام که به طور منظم بر آب و هوای سراسر جهان اثر می گذارد، بوده و در آن دوران به کاهش یک درجه سانتیگرادی دما در شرق اقیانوس آرام استوایی منجر شده است.
همچنین، دوران اوج چرخه لکه‌ خورشیدی با افزایش بارندگی در مناطقی از جهان و فشار فوق طبیعی سطح دریا در اواسط عرض جغرافیایی شمالی و جنوبی اقیانوس آرام مرتبط بوده است.
به گفته میهل، اقیانوس آرام به تغییرات کوچک جریان‌های باد حساس بوده و فعالیت‌های خورشیدی ممکن است فرآیندهای مرتبط با قدرت باد را تحت تاثیر قرار دهد.
از این رو، دانشمندان معتقدند اگر خورشید واقعا در حال ورود به مرحله‌ای ناآشنا از چرخه خورشیدی است، ما باید تلاش‌های خود را برای درک ارتباط خورشید و آب و هوا دو برابر کنیم.
از سوی دیگر، اگرچه خورشید منبع اصلی گرما و انرژی برای سیاره زمین محسوب می شود، اما باید به این نکته توجه داشت که تغییرپذیری خورشیدی دلیل گرمایش جهانی سال‌های اخیر محسوب نمی شود.
همانگونه که اشاره شد، خورشید ستاره‌ای بسیار پایدار بوده و به رغم نیروی چشمگیری که برای ایجاد تغییرات شگرف دارد، اما خوشبختانه برای ما ستاره تنبلی محسوب می شود.
به رغم تاثیرات تغییرات خورشیدی بر تغییرات آب و هوایی زمین در طول حیات این سیاره، بررسی‌های صورت گرفته نشان داده‌اند خورشید سهمی کمتر از 15 درصد در افزایش دمای جهان طی یک قرن گذشته داشته است.
در حقیقت، فعالیت‌های انسان مانند افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای نقش پررنگی در گرمایش جهانی ایفا کرده و می کنند.

ترمودینامیک

اثر امپمبا

مسلما انتطار داریم آب سرد زودتر از آب داغ دچار انجماد شود ولی تجربه وتحقیق نشان داده عکس این واقعیت صحیح است و آب داغ زودتراز آب سرد منجمد میشود.

قابل توجیه به نظر نمی رسد که آب ۷۰درجه سانتی گراد سریع تر از آب ۲۰درجه دچار انجماد شود به طور مثال اگر آب ۲۰ درجه به ۳۰ دقیقه وقت نیاز داشته باشدتا به دمای انجماد برسد ، آب ۷۰ درجه مدت زمان بیشتری نیاز دارد چون در ابتدا باید زمانی را صرف کند تا از ۷۰ درجه به ۲۰درجه برسد و سپس همان ۳۰ دقیقه را پشت سر بگذارد تا منجمد شود ولی واقعیت این است که وقتی آب از ۷۰ درجه به۲۰ درجه میرسد دچار تغییراتی می شود که پیامد این تغییرات می تواند منجر به این شود که زمان انجماد آن کوتاهتر شود. این پدیده، اثر امپمبا Mpemba effect نام دارد.
چنین پدیده‌ای، متناقض است، طی آزمایشات زیادی چنین چیزی مشاهده و ثبت شده است. در واقع قرن‌هاست که دانشمندان متوجه این پدیده شده‌اند و دانشمندانی مثل ارسطو، بیکن و دکارت، سال‌ها و قرن‌ها پیش آن را توصیف کرده‌اند. (Olooms.ir)

چرا به این پدیده یعنی زودتر منجمد شدن آب داغ پدیده امپمبا می گویند ؟

تا سال ۱۹۶۹، یعنی زمانی که یک دانش‌آموز دبیرستانی تانزانیایی، به صورت تصادفی متوجه آن شد، این پدیده توسط دانش مدرن امروزی‌مان مورد بررسی قرار نگرفته بود.
به پدیده زودتر یخ زدن آب گرم نسبت به آب سرد، البته تحت شرایطی خاص اثر امپمبا Mpemba effect گفته می‌شود.
نخستین بار ارسطو ۳۰۰ سال قبل از میلاد مسیح متوجه این پدیده شد. دانشمندان قرون وسطی، زمانی که می‌خواستند تئوری گرما را تبیین کنند، متوجه این پدیده شدند. در سال ۱۴۶۱، فیزیکدانی به نام جیووانی مارلیانی، ۴ اونس آب حرات‌دیده و آب معمولی را برای یخ زدن در بیرون قرار داد و در کمال تعجب مشاهده کرد که آب گرم‌تر، زودتر یخ بسته است، اما نتوانست توجیهی برای این مشاهده خود پیدا کند.
اما زمانی که تئوری مدرن گرما، توسط دانشمندان مختلف تبیین شد، (Olooms.ir) پیده امپمبا به کلی فراموش شد، اما ۵۰۰ سال بعد از آزمایش مارلیانی و بیشتر از ۲ هزاره بعد از ارسطو، این پدیده بار دیگر به صورت اتفاقی مشاهده شد.
این بار یک دانش‌آموز دبیرستانی تانزانیایی متوجه قضیه شد، داستان مشاهده او در مجله علمی نیوساینتیست به چاپ رسید.در سال ۱۹۶۳، این دانش‌آموز که امپمبا نام داشت، به همراه دانش‌آموزهای دیگر برای مراسمی تدارک دیده بودند و می‌خواستند بستنی درست کنند. برای درست کردن بستنی همانطور که می دانید شیر جوشیده شده‌ای که به آن شکر اضافه شده،باید یخ بزند. امپمبا هم منتظر بود که ظرف شیر و شکرش سرد شود تا بتواند آن را داخل یخچال بگذارد. اما او عجله داشت و از طرفی می‌دید که اگر زود نجنبد، دانش‌آموزهای دیگر زودتر از او ظرف هایشان را در یخچال می‌گذارند و جایی برای ظرف او باقی نمی‌ماند، به همین علت ظرف سرد نشده‌اش را در یخچال گذاشت. اما او در کمال تعجب مشاهده کرد، که زودتر از دانش‌آموزهای دیگر که ظرف شیر و شکر سرد را در یخچال گذاشته بودند، موفق به تهیه بستنی شده است.

دبیر فیزیک او هم در کلاس بود، امپمبا که تعجب کرده بود، در این مورد از دبیرش پرسید، اما دبیر فیزیک او گفت که او ممکن است اشتباهی کرده باشد.
امپمبا اول کنجکاوی بیشتر نکرد و با همین توضیح قانع شد، اما مدتی بعد از یکی از دوستانش که در شهر تانگا بستنی‌فروشی می‌کرد، شنید که او برای اینکه زودتر موفق به تهیه بستنی شود، ظرف سردنشده را مستقیما داخل یخچال می‌گذارد. به علاوه امپمبا متوجه شد که همه بستنی‌فروشهای تانگا، همین کار دوستش را می‌کنند.
مدتی بعد در دبیرستان، امپمبا سؤالش را مطرح کرد، اما معلمش حاضر به قبول آن نشد و به شوخی گفت که این چینن چیزی را فقط فیزیک امپمیا می‌گوید و نمی‌توان نشانی از آن در دانش فیزیک جهانی پیدا کرد. اما امپمبا مجددا در آزمایشگاه زیست‌شناسی، این پدیده را با استفاده از ظرف آب گرم و سرد تکرار کرد و دوباره به همان نتیجه سابق رسید.
مدتی بعد یک استاد فیزیک به نام دکتر آزبورن از دبیرستان امپمبا بازید کرد، امپمبا از فرصت استفاده کرد و از دکتر آزبورن هم در مورد این پدیده پرسید. آزبورن توجهی نداشت ولی به امپمبا قول داد، این مورد را بررسی کند. آزبورن از یک تکنسین آزمایشگاه خواست که این پدیده را امتحان کند، او هم به همان نتیجه امپمبا رسید. سرانجام در سال ۱۹۶۹، مشاهدات امپمیا و دکتر ازبورن به چاپ رسید و پدیده زودتر یخ زدن آب گرم، به اثر امپمبا، موسوم شد.
شرایطی که تحت آن پدیده امپمبا را می‌توان مشاهده کرد، بسیار خاص هستند، شکل یخچال یا منبع سردکننده، شکل ظرف، ناخالصی و میزان گاز موجود در آب، همه در رخ دادن اثر امپمبا مؤثر هستند. (Olooms.ir)
به عبارت بهتر دلیل واحدی برای پدیده امپمبا وجود ندارد و عوامل مختلفی در ایجاد این پدیده موثر هستند این دلایل عبارتند از :

۱- تبخیر: فرض کنید، دو ظرف حای آب ۷۰ درجه و آب ۳۰ درجه داریم و آنها را سرد می‌کنیم. هنگامی که آب گرم‌تر سرد می‌شود، مقداری از حجم آن تبخیر می‌شود، این مقدار حجم تبخیر شده آب از ۲ راه باعث تسهیل یخ زدن آب گرم‌تر می‌شود:
الف – مقدار جرم آب گرم‌تر را کم می‌کند.
ب- برای تبخیر نیاز به مقداری گرما است، آب تبخیر شده این گرما را از آب مایع می‌گیرد.
البته بدیهی است که تبخیر، به تنهایی نمی تواند اثر امپمبا را توجیه کند.

۲- گازهای حل شده در آب: هر چقدر آب گرم‌تر باشد، میزان گاز حل شده کمتری در خود دارد، بنابراین جریان‌های همرفتی در آن تسهیل می‌شود و آب به صورت یکنواخت‌تری خنک می‌شود. به علاوه آبی که گاز کمتری دارد، نیار به از دست مقدار کمتری گرما برای تبدیل شدن به یخ دارد.

۳- اثر سطح داغ: وقتی آب گرم‌تر سرد می‌شود، جریان‌های همرفتی در آن به وجود می‌آید و توزیع گرما در آن به صورت یکنواخت نخواهد بود. چینن چیزی باعث می‌شود که یک لایه آب گرم در بالای لایه آب سرد در آن ایجاد شود. به این پدیده اثر سطح داغ می‌گویند. این دو لایه‌ای شدن آب گرم‌تر، باعث می‌شود که سرعت خنک شدن آن نسبت به آب در ابتدا سردتر، بیشتر شود.

۴- اثر بر محیط اطراف: محیط اطراف ظرف‌های حاوی آب گرم و آب سردتر، هم بر یخ زدن آب‌ها اثر می‌گذارد. مثلا اگر آب گرم و سرد، هر دو روی لایه‌ای از یخ در یخچال قرار داده شوند، آب گرم‌تر ممکن است، در ابتدا باعث ذوب شدن مقداری یخ شود و در یخ فرو رود و در نتیجه شرایط بهتری برای یخ زدن پیدا کند.

www.hupaa.com/List/17/1