جزوه آب و هواشناسی رشته جغرافیا

توضیحات محصول

جزوه آب و هواشناسی رشته جغرافیا بافرمت ورد ودر ۱۱۲ صفحه

قسمتی از متن جزوه

فصل اول:مبانی آب و هواشناسی

كلیات

1ـ سیر تاریخی علم آب و هواشناسی:

علوم اتمسفری كه به مطالعه اتمسفر سیاره زمین می‌پردازند، شامل علوم هواشناسی و آب و هواشناسی است كه  عمده‌ترین عامل تفكیك این دو علم مقیاس زمانی است. هواشناسی شرایط جوی موجود در زمان معین و محدود را مورد مطالعه قرار می‌دهد، ولی آب و هواشناسی (اقلیم‌شناسی) هوای غالب در یك محل در دراز مدت را مورد بررسی قرار می‌دهد.

بطلمیوس براساس اختلاف حرارت، سرزمینهای شناخته شده آن روزگار را به هفت اقلیم تقسیم كرد كه این تقسیم‌بندی براساس دایره‌های مداری است و به همین جهت اقلیمهای هفتگانه وی را، اقلیمهای هندسی می‌نامند.

مطالعه آب و هوا در قرون هفدهم و هجدهم جنبه توصیفی داشته است و در قرن نوزدهم استفاده از نقشه برای مطالعه تفاوتهای مكانی آب و هوا به دست فن ‌همبلت رایج شد. او با استفاده از خطوط همدما ، نقشه پراكندگی دما را در نیمكره شمالی ترسیم كرد. فن‌ همبلت عامل مهم تغییرات آب و هوا را خورشید می‌دانست و آب و هواشناسی خورشیدی را مطرح كرد كه در نتیجه توسعه آن آب و هواشناسی فیزیكی امروزی بوجود آمد.

بنابراین قرن نوزدهم، گشتنگاه آب و هواشناسی توصیفی به آب و هواشناسی تبیینی یا علمی  است و قرن بیستم دوران شكوفایی آب و هواشناسی علمی است. مقدمات مطالعه سه‌بعدی جو در مكتب فرانكفورت به سرپرستی شرهاگ آغاز شد. این دانشمند برای اولین‌بار اظهار داشت كه حركت سیستم‌های هوای روی زمین را طبقات میانی و بالایی جو كنترل می‌كنند. اما مهمترین كشف آب و هواشناسی در مكتب شیكاگو به سرپرستی رزبای انجام گرفت. در این مكتب با طرح اصل ثابت بودن چرخندگی مطلق توده هوا در طول مسیر حركت خود، مدل موجها ارائه شد، همچنین وجود رودباد هم در این مكتب ثابت شد. از همكاری محققان مكتب شیكاگو و مكتب برگن، مدل گردش عمومی اتمسفر بصورت تكامل‌یافته امروزی ارائه شد.

یاكوبس، در طول جنگ جهانی دوم، آب و هواشناسی سینوپتیك (مطالعه همزمان عناصر آب و هوایی) را به معنی واقعی و عملی آن مطرح كرد.

2ـ تقسیمات آب و هواشناسی:

ـ آب و هواشناسی فیزیكی سیر تغییرات و تبدیلات انرژی را مطالعه می‌كند. آب و هواشناسی فیزیكی، مبنای آب و هواشناسی دینامیك است. چون اختلاف انرژی یا دما بین دو نقطه، سبب تبادل انرژی یا وزش هوا می‌گردد، یعنی در اتمسفر حركت ایجاد می‌شود و حركت قوانین حاكم بر آن، موضوع اصلی آب و هواشناسی دینامیك است.

ـ آب و هواشناسی دینامیك ویژگیهای حركت و فرایندهای ترمودینامیكی بوجود آورنده این حركتها را براساس روشهای ریاضی، فیزیكی و همراه با كاربرد آنها مورد بررسی قرار می‌دهد.

تفاوت آب و هواشناسی دینامیك با آب و هواشناسی فیریكی در این است كه در آب و  هواشناسی فیزیكی ، تأكید اصلی روی اصول و فرایندهای حاكم بر پراكندگی انرژی تابشی خورشید است، در صورتی كه در آب و هواشناسی دینامیك نتایج حاصل از پراكندگی انرژی تابشی خورشید بررسی می‌شود. آب و هواشناسی دینامیك مبنای نظری آب و هواشناسی سینوپتیك است.

ـ در آب و هواشناسی سینوپتیك، آب و هوای یك منطقه از زمین با تمام جنبه‌های آن بصورت یكپارچه مطالعه می‌شود و همه عناصر آن در ارتباط با هم بررسی می‌شوند. پراكندگی فشار، مهمترین عنصر آب و هوایی به شمار می‌آید كه تمام عناصر دیگر را كنترل می‌كند.

ـ آب و هواشناسی كابردی، دانسته‌های اقلیمی را در اجرای اهداف عملی اقتصادی و صنعتی بكار می‌گیرد.

دامنه گسترش اقلیم:

برخی از صاحب‌نظران ، محدوده تأثیر پدیده‌های جوی و اقلیمی را به واحدهای مستقل و مشخص (بزرگ‌اقلیم، متوسط‌اقلیم، ریزاقلیم و اقلیم محلی) تقسیم می‌كنند. بزرگ‌اقلیم را سیستم‌های بزرگ جوی كه در ارتباط با گردش سیاره‌ای هستند، بصورت طوقه‌های اقلیمی بر سطح كره زمین، بوجود می‌آورند. اغتشاش‌های اتمسفری، نظیر سیكلونها و آنتی‌سیكلونها، موجهای بلند ، رودبادها و هاریکن ها از نمونه‌های اصلی بزرگ اقلیم به شمار می‌آیند. این اغتشاش‌ها در مقیاس زمانی روز، هفته و ماه عمل می‌كنند. متوسط‌اقلیم، بیش از هر اقلیم دیگر، تحت تأثیر نمودهای ناهمواری سطح زمین و شكل آنها قرار دارد. از جمله فرایندهای جوی كه از عوارض زمین تأثیر می‌پذیرند، رگبارهای همرفتی، تشكیل ابرهای محلی كوهستانی، نسیم دریا و خشكی و گرمباد را می‌توان نام برد. عملكرد این پدیده‌ها می تواند« ساعتها» تداوم داشته باشد. مثل اقلیم دشت، جلگه و....

هر واحد اقلیم متوسط مثل دشت به علت ناهمگنی طبیعت و پوشش متنوع سطح زمین به اقلیمهای كوچكتری تقسیم می‌شوند به نام اقلیم محلی. مثل اقلیم مزرعه ، اقلیم جنگلهای خزان‌دار و....

اما ریزاقلیم كه كوچكترین واحد اقلیمی محسوب می‌شود، به شدت از شرایط فیزیكی سطح زمین تأثیر می‌پذیرد و تمام ویژگیهای خود را از این شرایط كسب می‌كند. حوزه تأثیر ریزاقلیم در جهت قائم را تا 2 متری سطح زمین می‌دانند. به همین دلیل دانسته‌های اقلیمی حاصل از ایستگاهای معمولی در تحلیلهای ریزاقلیمی كارآیی مطلوب را ندارند. (چون تجهیزات در بالاتر از 2 متری سطح زمین نصب شده‌اند).

دامنه زمانی در مطالعات اقلیمی :

دامنه سالهای لازم برای محاسبه میانگین عناصر اقلیمی در مناطق حاره‌ای، به استثنای مورد بارش، بطور مشخصی كم است و در مورد رطوبت حتی یكی‌ دو سال دیده‌بانی در محدوده ایستگاه‌های اقیانوسی كافی است. اما سنجش میانگین تمام عناصر اقلیمی در مناطق كوهستانی، نسبت به دیگر مناطق، به سالهای بیشتری نیاز دارد.

در بررسی و مطالعه دانسته‌های اقلیمی ، باید بین عنصر و عامل اقلیمی تفاوت قائل شویم. دما، رطوبت، فشار و تابش خورشیدی هر كدام یك عنصر اقلیمی تلقی می‌شود. تلفیق و آمیزه‌ای از این عناصر را كه معرف یك حالت فیزیكی است مانند گرما، بارش و ابرناكی نیز یك عنصر اقلیمی در نظر می‌گیرند. اما عامل اقلیمی عاملی است كه مانند ارتفاع، جهت و پوشش ، به نحوی در فضای مورد مطالعه تأثیر داشته باشد.

3ـ تركیب و ساختار اتمسفر زمین:

اتمسفر به غشای نازك زمین اطلاق می‌شود كه كره زمین را دربر گرفته است كه گذار از فضای كیهانی، به تدریج صورت می‌گیرد، بطوری كه می‌توان ادعا كرد كه اتمسفر مرز مشخصی ندارد. از این‌ رو مرز قراردادی آنرا می‌توان در ارتفاع حدود 3 هزار كیلومتری فرض كرد.

گازهای اصلی تشكیل‌دهنده اتمسفر كه 99/99 درصد حجم آن را تشكیل داده‌اند عبارتند از: نیتروژن، اكسیژن، آرگون و دی‌اكسید كربن و به این ترتیب، تنها 01/0 درصد حجم اتمسفر را عناصری از قبیل نئون، هیدروژن، هلیوم و... تشكیل داده است. درصد حجمی گازهای اصلی به تفكیك از قرار زیر است: نیتروژن 08/78 درصد، اكسیژن95/20 درصد، آرگون 93/0 درصد و گازكربنیك 03/0 درصد.

نسبت تركیبات یاد شده بویژه ازت و اكسیژن، در لایه‌های اتمسفری نزدیك به سطح زمین (تا حدود 90 كیلومتر) به علت تداخل و تلاطم شدید اتمسفر، پیوسته ثابت باقی می‌ماند، از این رو لایه مزبور را هوموسفر كه معرف هوای همگن است می‌نامند و معمولاً از 90 كیلومتر به بالا هتروسفر نامیده می‌شود كه معرف تركیب  ناهمگن اتمسفر در این ارتفاعات است.

در بین تركیبات اتمسفر، اكسیژن ثبات بیشتری دارد و كمتر دستخوش نوسان می‌شود اما میزان اكسید كربن، با توجه به افزایش فرایندهای سوختی، بر خلاف اكسیژن، تغییرات مكانی و زمانی محسوس و حتی شدیدی دارد. علت اساسی توجه به اكسید كربن علاوه بر سمی بودن آن ، در این است كه با داشتن باند جذبی مؤثر برای تابش مادون قرمز خورشید و زمین ، می‌تواند در بیلان گرمایی جو و در نتیجه در تغییرات اقلیمی نقش داشته باشد. اكسید كربن روند تغییری شبانه‌روزی نیز دارد، به این معنی كه معمولاً حداكثر آن در شب و حداقل آن در بعد از ظهرها همزمان با حداكثر شدت تلاطم مشاهده می‌شود. ازن (₃o ) یكی دیگر از عناصر جو است كه مقدار آن در حوالی سطح زمین كم و در ارتفاعات فوقانی جو (23 كیلومتری سطح زمین ) به غلظت قابل توجهی می‌رسد. اهمیت ازن ، جذب تابش موج كوتاه خورشیدی و ایجاد لایه حفاظتی‌ در لایه استراتوسفر است.

از دیگر گازهای موجود در جو زمین ، گاز ₂ so است كه بر اثر مصرف سوختهای فسیلی و فوران آتشفشانها مقدار آن در جو افزایش یافته و از طریق ابر و باران به سطح زمین منتقل شده و میزان آن در جو تعدیل می‌شود. از دیگر تركیبات مهم جو به ویژه در حوالی سطح زمین تركیبات غیر گازی و جامدی است كه هواویز ( آئورسلها ) نامیده می‌شوند.

مقدار هواویزها به شدت متغیر است و در ارتفاعات و نیز بعد از هر بارش رو به كاهش می‌گذارد. اهمیت اساسی هواویزها در این است كه آنها هستكهای تراكمی لازم برای گذار بخار آب به قطرات آب یا ذرات برف و یخ را تشكیل می‌دهند. افزایش مقدار باران و فراوانی اوقات مه و گرفتگی آسمان در شهرهای بزرگ بیشتر به مقدار آئروسلها بستگی دارد.

اتمسفر زمین را بر حسب چگونگی روند دما، اختلاف چگالی، تغییرات فشار، تداخل گازها و سرانجام ویژگیهای الكتریكی، به لایه‌های متفاوتی تقسیم كرده‌اند: 1- تروپوسفر 2- استراتوسفر 3- مزوسفر 4- یونوسفر 5- اگزوسفر. مرز بین لایه‌های فوق را با پسوند پاوز مشخص می‌كنند مانند تروپوپاوز ( مرز بین تروپوسفر و استراتوسفر )

1ـ  تروپوسفر: پایین‌ترین لایه اتمسفر است و وجه تمایز آن با دیگر طبقات اتمسفر، تجمع تمام بخار آب در این لایه است. منبع حرارتی لایه تروپوسفر انرژی تابشی سطح زمین است. از این رو دمای آن با افزایش ارتفاع به سرعت كاهش می‌یابد. ضخامت ترپوسفر، از شرایط حرارتی عرضهای مختلف تبعیت می‌كند و در نتیجه ضخامت آن از استوا به طرف قطبین كاهش می‌یابد. حركات قائم و افقی هوا در تروپوسفر نسبت با لایه‌های بالاتر  از آن شدیدتر است و این شدت، تداخل بیشتر گازها را در این لایه میسر می‌سازد كه باعث ثبات نسبی تركیبات جو می‌شود.

در تروپوسفر، جهت بادها به تبعیت از حركت وضعی زمین، از غرب به شرق است و سرعت آنها با افزایش ارتفاع از سطح زمین، معمولاً زیاد می‌شود. در زیر تروپوپاوز  هسته‌های باریك پرسرعتی به نام رودباد تشكیل می‌شود.

تروپوسفر براساس ویژگیهای حرارتی و رطوبتی به لایه‌های نظیر بیوسفر و پپلوسفر تقسیم می‌شود كه پپلوسفر لایه‌ای است با حداكثر ارتفاع 2 كیلومتر از سطح زمین كه با پوششی غبارآلود مشخص می‌شود. (لایه اصطكاك) .

پيلوسفر:

اين لايه در يك كيلومتري سطح زمين وجود دارد و با پوشش غبار آلود مشخص مي‌شود. به اين لايه، لايه اصطكاك نيز گفته مي‌شود. مرزي كه پيلوسفر را از از ديگر قسمتهاي تروپوسفر جدا مي‌كند پيلو پاوز گويند كه ارتفاع آن از 200متري تا 3 كيلومتري سطح زمين تغيير مي‌كند.

انواع عمده پيلوسفر بر اساس ساختار آن:

• لايه وارونگي: كه با حداكثر سرعت باد توأم است. بسيار پايين قرار دارد و ارتفاع آن به 200 تا 500 متري سطح زمين مي‌رسد. دما از سطح زمين تا ارتفاع مزبور بر خلاف معمول افزايش مي‌يابد و لايه وارونگي را تشكيل مي‌دهد.


• مه مرتفع: با ضعيف شدن روند كاهش دما و پايداري بيشتر آن از ارتفاع 600 تا 900 متر، زمينه‌اي براي تشكيل پوشش مه به وجود مي‌آيد و ابرهاي سطحي از نوع استراتوس را شكل مي‌دهد


• معمولي: لايه اصطكاك و لايه همرفتي به ترتيب روي هم قرار مي‌گيرند و شرايط متفاوتي در مورد هر يك وجود دارد در حاليكه لايه اصطكاك (پاييني) فاقد گرد و غبار است.


• همرفت: در اين نوع پيلوسفر فرايندهاي اصطكاكي و هم رفتي، عملكردي مجزا از يكديگر دارند و هر كدام لايه ويژه تشكيل مي‌دهند. در قسمت فوقاني لايه اصطكاكي كه با حداكثر سرعت باد توأم است كم و بيش ابرهاي جوششي تشكيل مي‌شوند.