هل سبق لك أن كنت على شاطئ البحر في يوم مشمس؟ في الأيام المشمسة، تهب الرياح دائمًا من البحر إلى اليابسة على الشاطئ. لماذا تهب الرياح دائمًا على الشاطئ؟ ولماذا تهب نسائم البحر (الرياح من البحر إلى اليابسة) نهارًا، ونسائم البر (الرياح من اليابسة إلى البحر) ليلًا؟ ولماذا تهبط الغيوم على سفوح الجبال خلال موسم الأمطار؟ ولماذا نشعر ببرودة الرياح؟ ترتبط إجابات هذه الأسئلة بالحرارة النوعية لليابسة والبحر، والتمدد، والكثافة ، وانتقال الحرارة بالحمل الحراري . بفهمك الجيد والصحيح لهذا الموضوع، يمكنك الإجابة على الأسئلة السابقة وغيرها من الأسئلة التي قد تخطر ببالك لاحقًا.
يحدث انتقال الحرارة بالتوصيل عادةً في المواد الصلبة أو من المواد الصلبة إلى السوائل (من السوائل إلى المواد الصلبة) أو من المواد الصلبة إلى الغازات (من الغازات إلى المواد الصلبة). في حين أن انتقال الحرارة بالحمل الحراري يحدث عادةً في السوائل (مثل الماء) والغازات (مثل الهواء).
انتقال الحرارة بالحمل الحراري هو انتقال الحرارة المصحوب بحركة المادة. لفهم انتقال الحرارة بالحمل الحراري بشكل أفضل، لنأخذ مثالًا على تسخين الماء باستخدام النار. عند تسخين الماء في وعاء بالنار، تنتقل الحرارة من النار (ذات درجة الحرارة العالية) إلى الوعاء (ذات درجة الحرارة المنخفضة) عن طريق التوصيل والإشعاع. ثم تنتقل الحرارة من الوعاء (ذات درجة الحرارة العالية) إلى الماء القريب منه (ذات درجة الحرارة المنخفضة) عن طريق التوصيل. تؤدي الحرارة الإضافية إلى ارتفاع درجة حرارة الماء القريب من الوعاء. يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تمدد الماء، مما يزيد من حجمه. ومع زيادة الحجم، تقل كثافته . يكون الماء القريب من قاع الوعاء ذو درجة حرارة أعلى من الماء فوقه. بعبارة أخرى، يكون حجم الماء القريب من قاع الوعاء أكبر وكثافته أقل، بينما يكون حجم الماء فوقه أصغر وكثافته أعلى. يؤدي اختلاف الكثافة إلى تحرك الماء على سطح الوعاء، ذي الكثافة الأعلى، إلى الأسفل، بينما يتحرك الماء القريب من قاع الوعاء، ذي الكثافة الأقل، إلى الأعلى. تحدث هذه العملية باستمرار حتى تصبح جميع المياه الموجودة بالداخل بنفس درجة الحرارة (إذا كان ضغط الهواء 1 ضغط جوي، فإن الماء الموجود في الحاوية سيتبخر، أي يغلي عند درجة حرارة 100 درجة مئوية).
تتضمن ظاهرة نسيم البر ونسيم البحر انتقال الحرارة بالتوصيل والحمل الحراري. الحرارة النوعية لليابسة (الحرارة النوعية لمادة صلبة) أقل من الحرارة النوعية لمياه البحر، لذا تسخن اليابسة بسرعة أكبر عند تعرضها لأشعة الشمس، وتبرد بسرعة أكبر ليلاً. تسخن اليابسة بسرعة أكبر، مما يؤدي إلى تسخين الهواء فوقها (تنتقل الحرارة من اليابسة إلى الهواء بالتوصيل). ترتفع درجة حرارة الهواء الذي يستقبل الحرارة الإضافية، فيتمدد. ونتيجة لذلك، تقل كثافته. في المقابل، تكون درجة حرارة مياه البحر أبرد، لذا يكون الهواء فوق سطح البحر أبرد أيضًا مقارنةً بالهواء فوق سطح اليابسة. يكون الهواء عند مستوى سطح البحر أبرد، لذا تكون كثافته أكبر. يتسبب هذا الاختلاف في كثافة الهواء في تحرك الهواء عند مستوى سطح البحر نحو اليابسة، دافعًا الهواء فوقه إلى الأعلى. كلما ابتعدنا عن سطح الأرض، قلّ إنتاج الهواء بسبب انخفاض قوة جاذبية الأرض. وبسبب انخفاض كمية الهواء، ينخفض ضغط الهواء أيضًا. يبرد الهواء الساخن الصاعد فوق اليابسة، فكلما ابتعدنا عن سطح الأرض، قلّ ضغط الهواء. ثم يهبط الهواء البارد، ليس باتجاه اليابسة، بل باتجاه سطح المحيط ذي درجة الحرارة المنخفضة. وتستمر هذه العملية باستمرار، مُحدثةً تدفقًا للهواء من البحر إلى اليابسة. باختصار، يتحرك الهواء القريب من سطح البحر باتجاه اليابسة، ويصعد الهواء القريب من سطح اليابسة، ويتحرك الهواء فوقه باتجاه سطح البحر.
لماذا يتحرك الدخان دائمًا إلى الأعلى؟
يرتفع الدخان لأن درجة حرارته أعلى من درجة حرارة الهواء المحيط. وبسبب ارتفاع درجة حرارة الدخان، يزداد حجمه وتقل كثافته. ويؤدي انخفاض كثافة الدخان إلى انخفاض ضغطه مقارنةً بضغط الهواء المحيط، مما يدفع الدخان إلى الأعلى.
لماذا تتحرك السحب إلى الأسفل خلال موسم الأمطار؟ خلال موسم الأمطار، تحتوي السحب على كمية كبيرة من بخار الماء، مما يزيد من كثافتها. تتحرك السحب التي تحتوي على كمية كبيرة من بخار الماء وذات كثافة عالية إلى الأسفل نحو منطقة يكون فيها الهواء المحيط بها بنفس كثافة السحب.
