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 السماء sky 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 (light Sphere of)، وتبلغ سماكته عدة كيلو 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 (n 01) 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.

( 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 (لامبدا Lambda ) 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