ما هي تيارات الحمل الحراري

تعريف تيارات الحمل الحراري

الحمل الحراري هو وسيلة لنقل الحرارة تختلف عن نقلها بالتوصيل، والإشعاع، وتعرف تيارات الحمل بأنها تدفق المائع الذي يتحرك نتيجة الفرق بين درجات الحرارة، أو الكثافة داخل المادة، والذي يؤدي إلى نقل الطاقة من منطقة ذات طاقة أعلى إلى منطقة ذات طاقة أقل للوصول إلى حالة التوازن في كلا المنطقتين.

كما يصف مصطلح "الحمل الحراري" العمليات التي تؤثر على كل من الغلاف الجوي، والماء، والأرض الصلبة، ففي الجو يرتفع الهواء الساخن على تيارات الحمل الحراري، وينتشر بحركات دائرية لإنشاء السحب، والرياح، أما في الماء فتتحرك التيارات بنفس الطريقة، مما يؤدي إلى الحفاظ على استقرار درجات حرارة المحيطات.

ويذكر بأنّ تيارات الحمل الحراري تنشأ عادةً من حركة السوائل والغازات، ولكن يمكن أن يُستخدم الحمل الحراري في علوم الأرض لوصف العمليات التي تحدث في الطبقات الصلبة من الأرض، حيث يدفع الحمل الجيولوجي حركة الصفائح التي تكون أحد الجوانب الرئيسية للصفائح التكتونية.

أنواع الحمل الحراري

أنواع الحمل الحراريّ: الحمل الحراري الطبيعي، الحمل الحراري الجبري.

الحمل الحراري الطبيعي

يحدث الحمل الحراري الطبيعي نتيجةً لميل معظم الموائع إلى التمدد عند تسخينها، فتقلّ كثافتها، مما يؤدي إلى صعودها إلى الأعلى نتيجةً لزيادة الطفو، ويفسر الانتشار الناتج عن هذا التأثير سبب التسخين الموحد للماء في الغلاية، أو الهواء في غرفة ساخنة، إذ توسّع الجزيئات الساخنة المساحة التي تتحرك فيها من خلال زيادة سرعة بعضها البعض، وتصعد لأعلى، ثم تبرد وتجتمع معًا مرةً أخرى، وتزيد كثافتها لتنخفض أخيراً للأسفل.

الحمل الحراري الجبري

تنتقل الموائع في الحمل الحراري الجبري بطرق مختلفة عن الطرق الناتجة عن تغيّر الكثافة مع درجة الحرارة، ومن الأمثلة عليها حركة الهواء الناتج عن المروحة، أو حركة الماء بفعل المضّخة.

أمثلة على تيارات الحمل الحراري

يمكن مشاهدة ظاهرة تيارات الحمل الحراري في العديد من الظواهر، منها:

الماء المغلي

تيارات الحمل الحراري في الماء المغلي، حيث يقوم مصدر الحرارة في الجزء السفلي من المقلاة بتسخين الماء، مما يزيد من طاقتها، وسرعة جزيئاتها، ويؤثر هذا التغيّر في درجة الحرارة على كثافة الماء، فيرتفع نحو السطح، وقد تحصل بعض الجزيئات على ما يكفي من الطاقة لتتحوّل على شكل بخار، ويقوم البخار بتبريد السطح بما يكفي لجعل بعض الجزيئات تغوص مرةً أخرى نحو الجزء السفلي من المقلاة.

الرياح

تعدّ الرياح مثالاً على تيارات الحمل الحراري، حيث يقوم ضوء الشمس، أو الضوء المنعكس بإطلاق الحرارة مُحدثاً الفرق في درجة الحرارة، والتي تدفع الهواء للتحرك، كما تكون المناطق الظليلة أو الرطبة أكثر برودة، أو أكثر قدرة على امتصاص الحرارة، مما يزيد من هذا التأثير.

الصهارة في باطن الأرض

تتحرك الصهارة في باطن الأرض على شكل تيارات حرارية، إذ يقوم المركز الساخن بتسخين المواد فوقه، مما يؤدي إلى ارتفاعها نحو القشرة، حيث تبرد، وتنتج الحرارة من الضغط الشديد على الصخور، إلى جانب الطاقة الصادرة عن الانحلال الإشعاعي الطبيعي للعناصر، ولا يمكن أن تستمر الصهارة في الارتفاع، لذلك فهي تتحرك أفقياً متراجعةً إلى الوراء، كما تقوم التيارات الحرارية بتحريك الصفائح الأرضية بسبب تواجد تيارات الحمل الحراري على طول الصفائح التكتونية على السطح.

تيارات الشمس

تتكون التيارات في الشمس بشكل واضح، فالحبيبات التي تكون ظاهرةً في الغلاف الضوئي للشمس هي عبارة عن تيارات الحمل الحراري، ويكون السائل الذي ينتقل في حالة الشمس والنجوم الأخرى هو البلازما بدلاً من السائل أو الغاز.

تجربة تيارات الحمل الحراري

فيما يأتي تجربة بسيطة يمكن تطبيقها بسهولة في المدرسة أو البيت تساعد على توضيح مبدأ عمل تيارات الحمل الحراري:

الأدوات

نحتاج لإجراء هذه التجربة الأدوات الآتية:

• وعاء بلاستيكي شفاف ومتوسط الحجم.
• ملون الطعام بلون الأحمر.
• مكعبات ثلج على أن تكون مصنوعة من ماء مصبوغ بملون الطعام الأزرق.
• أقلام ملونة.
• بطاقة ورقية.

خطوات التجربة

يتم إجراء هذه التجربة باتباع الخطوات الآتية:

1. ملء ثلثا (2/3) الوعاء البلاستيكي بالماء، على أن يكون الماء في درجة حرارة الغرفة.
2. ترك الماء حتى يستقر جيدًا لمدة 30 ثانية تقريبًا، أو إلى أن يهدأ تمامًا.
3. وضع أحد مكعبات الثلج المصبوغة باللون الأزرق في أحد أطراف الوعاء البلاستيكي.
4. إضافة قطرتين من ملون الطعام الأحمر إلى الماء الموجود في الطرف الآخر من الوعاء البلاستيكي، مع الحرص والانتباه إلى عدم التسبب بتعكير صفو الماء.
5. ملاحظة كيفية حركة ألوان الطعام الحمراء والزرقاء في الماء.
6. رسم النتيجة النهائية على البطاقة الورقية باستخدام أقلام التلوين الحمراء والزرقاء.

نتائج التجربة

من التجربة السابقة يمكننا ملاحظة أنّ الماء بدأ بالتدفق من مكانٍ إلى آخر، حيث إنّ الماء ذو اللون الأزرق غرق ونزل إلى الأسفل؛ وذلك بسبب برودته، بينما الماء ذو اللون الأحمر ارتفع إلى الأعلى وطفا على السطح؛ لأنه أكثر دفئًا، وبالتالي سيبقى الماء الأحمر فوق الماء الأزرق وذلك نتيجةً لنقل الحرارة داخل الوعاء عن طريق تيارات الحمل الحراري، والتي حدثت بسبب الاختلاف بين درجات حرارة الماء الأزرق والأحمر.

تأثير تيارات الحمل على حركة الصفائح

ربط علماء الجيولوجيا ما بين حركة الصفائح التكتونية وبين تيارات الحمل الحراري المتكونة في الصهارة (Magma) والموجودة في وشاح الأرض (Earth’s Mantle)، والصهارة هي عبارة عن الصخور المنصهرة الموجودة أسفل قشرة الأرض (Crust)، ويمكن تلخيص تأثير تيارات الحمل الحراري على حركة الصفائح بالنقاط الآتية:

• تُشكل طبقة قشرة الأرض الصلبة عازل حراري للجزء الداخلي من الأرض، والذي يُعد شديد السخونة؛ نتيجةً لاحتوائه على صخور الصهارة.
• ينتج عن الحرارة العالية والضغط الشديد داخل الأرض تدفق صخور الصهارة الساخنة إلى الأعلى عن طريق تيارات الحمل الحراري.
• ينتج عن تيارات الحمل الحراري المتكونة تحرك الصفائح التكتونية من مكانها، مما يؤدي إلى تشكل قشرة الأرض.

ملخص المقال

تُعرف تيارات الحمل الحراري بأنها انتقال الحرارة نتيجة لتدفق مادة (سائلة أو غازية) من مكانٍ إلى آخر، إذ عندما يتم تسخين هذه المادة فإنها تصبح أقل كثافة، مما يجعلها تطفو إلى الأعلى، بينما المادة الأقل برودة ستنزل إلى الأسفل، و هناك العديد من الظواهر الطبيعية التي يمكن من خلالها الاستدلال على مبدأ عمل تيارات الحمل الحراري مثل حركة الرياح، وتيارات الشمس، وحركة الصفائح التكتونية، وغيرها الكثير.