pipistrel-and-boat-1030x579_md

نلقي الضوء على تقنيتين واعدتين لإزالة الكربون من طيراننا: خلايا الوقود الهيدروجينية أو الكهرباء. سخر البشر الطيران منذ أكثر من قرن، إذ سمح لنا بالاتصال ببعضنا عبر مسافات أكبر بطريقة أسرع من أي وقت مضى. غير أن هذه الزيادة بالاتصال مكلفة، فالطيران الحديث يعتمد اعتمادًا تامًا على الوقود الأحفوري الذي يعود على كوكبنا بالضرر. بصرف النظر عن الحلول الصارمة مثل حظر السفر الجوي كليًا، لدينا خيارات لسفر جوي أنظف، على سبيل المثال بإمكاننا أن نقود طائرتنا بالهيدروجين أو الكهرباء.

منذ البداية استُخدم الطيران بالوقود الأحفوري لتحقيق الهدف المنشود. حتى محرك رايت 1903-Wright engine كان محرك غاز بسبب سهولة الحصول على الوقود الأحفوري نسبيًا والطاقة الكبيرة القابلة للاستخدام.

هذه الطاقة سُميت "طاقة محددة" التي هي قياس مقدار الطاقة في كل وحدة كتلة من الوقود وهي واحدة من الأسباب الرئيسية التي أدت إلى استخدام الوقود الأحفوري في تشغيل آلاتنا الطائرة.

ما الذي تحتاج إليه الطائرات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات أو خلايا الوقود الهيدروجينية لتحل محل الوقود الأحفوري؟
<h3>كم هي كثافة الوقود؟</h3>
هنا الكثير من الرياضيات والهندسة التي تتداخل من أجل الحصول على مركبة ترتفع في السماء.

الطائرة تحتاج إلى أن تكون خفيفة بما يكفي للطيران، ولكن بقدرة كبيرة بما يكفي لأداء المهمة المطلوبة بأمان، مثل نقل الأشخاص أو البضائع.

قبل أن نتمكن من تصميم نظام وقود نحتاج إلى أن تعرف كم سيكون ثقل المركبة، ومدى السفر، والسرعة للوصول إلى هناك.

بعد معرفة هذه القيم، تبدأ بإضافة الوقود: وقود طائرة، أم بطاريات أم هيدروجين.

يتطلب كل نظام من تلك الأنظمة مكونات ميكانيكية مختلفة لها أوزان مختلفة، ناهيك عن كتلة الوقود نفسها، فكلما أضفت المزيد من الوقود كانت أثقل، وهذا يعني أنك تحتاج إلى المزيد من الوقود بغرض إيجاد نقطة التوازن.

من الناحية المثالية، طائرة بحجم 737 من أجل السفر حتى 600 ميل بحري أي 1111.2 كم (الميل البحري: وحدة طول شائعة الاستخدام بين الملاحين في كل من النقل المائي والطيران ويساوي دقيقة زاوية واحدة من دائرة عرض أي خط طول) تحتاج إلى وقود بطاقة محددة تبلغ نحو 800 واط ساعة لكل كيلو غرام (Wh/kg) ويمكن لهذا التوازن في وزن الطاقة أن يستوعب نحو نصف مجموع الرحلات الجوية العالمية.

وللمقارنة، تبلغ طاقة وقود الطائرات نحو 12000 Wh/Kg، ويملك الهيدروجين طاقة محددة بنحو 39500 Wh/Kg وهي أكثر كفاءة ثلاث مرات من وقود الطائرات.

في الواقع، يملك الهيدروجين أعلى طاقة محددة من أي وقود عملي.. الوقود الوحيد الذي يزيد فيه معدل الطاقة إلى الكتلة هو الوقود المشع. أفضل بطاريات أيونات الليثيوم يمكننا صنعها اليوم لديها طاقة محددة تبلغ 250 Wh/Kg وإن كانت قد زادت كفاءتها في السنوات الأخيرة.

<a href="https://www.ibelieveinsci.com/wp-content/uploads/Picture1-100.png"><img class="aligncenter size-full wp-image-103630" src="https://www.ibelieveinsci.com/wp-content/uploads/Picture1-100.png" alt="ما الذي تحتاج إليه الطائرات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات أو خلايا الوقود الهيدروجينية لتحل محل الوقود الأحفوري؟ مستقبل الطيران" width="558" height="347" /></a>

تواجه خلايا الوقود الهيدروجينية وبطاريات أيونات الليثيوم مشكلة مماثلة. نظام الوقود يصبح كبيرًا وضخمًا إلى حد غير معقول عند توسيع نطاق الأنظمة لتشغيل طائرات لأكثر من 200 مسافر وتسافر أكثر من 1600 كيلومتر، وفي ظل كلا النظامين، فإن التقدم التكنولوجي سيجعلها أكثر كفاءة بينما نواصل تطوير التكنولوجيا.

ربما نحتاج إلى إعادة التفكير في الطريقة التي نستخدم بها السفر الجوي في حياتنا اليومية بينما نعيد تصميم الوقود الذي نستخدمه للطيران.
<h3>الطيران الكهربائي</h3>
الإنجازات التي تحققت في مجال الطائرات الكهربائية تستحوذ على المزيد من العناوين الرئيسية في الآونة الأخيرة. على سبيل المثال: نجحت Solar Impulse II بالتحليق حول الأرض، لتصبح أول طائرة كهربائية تفعل ذلك لأن الطيران الكهربائي أصبح أكثر قابلية للتحقيق، عشرات الشركات تُطور طائرات كهربائية صغيرة ومتوسطة الحجم مع خطط لاختبارها من الآن وحتى عشرة سنوات.

طور مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا محركًا كهربائيًا هجينًا قد يساعد على الحد من أكسيد النيتروجين المنبعث من السفر الجوي بنسبة 95%، وهي تكنولوجيا قد تكون هامة جدًا بينما نزيل الكربون من طيراننا.

حاليًا، معظم الطائرات الكهربائية في السوق صغيرة، الطائرة ذات عدد المقاعد من واحد إلى أربعة يمكنها أن تطير من 15 دقيقة حتى نحو ساعتين ويبلغ مداها نحو 843 كيلومتر.

إن الطائرات التي تعمل بأيونات الليثيوم مناسبة تمامًا نظريًا للرحلات الجوية الإقليمية التي تحمل ما بين 30 إلى 200 مسافر وتسافر في حدود 310 كيلومتر.

بفرض أننا قادرون على تطوير أنظمة بطارية خفيفة بما فيه الكفاية، يعتقد بعض الخبراء أن هذا هو الحد الأعلى لما يمكن أن تفعله بطاريات أيونات الليثيوم.

على الرغم من أن بطاريات أيونات الليثيوم هي تقنية مستقرة عمرها 30 سنة، فهناك بعض المخاوف عند رفع هذه التقنية في عصر الإلكترونيات.

وهي عرضة للحرارة المفرطة، التي يمكن أن تؤدي إلى حرائق خطيرة، إضافةً إلى أن تعدين المعادن النادرة المطلوبة له تأثير مالي وبيئي كبير. وقد يكون النوع الجديد من البطاريات أفضل خطوة إلى الأمام، ويتطلع بعض الخبراء إلى بطاريات الليثيوم والكبريت.

البطاريات التي تمد الأداء إلى ما هو أبعد من الحدود الأساسية لتكنولوجيا أيونات الليثيوم تشكل ضرورةً أساسيةً للانتقال بعيدًا عن الوقود الأحفوري، وقد وصف ستيفن غريفورد والدكتور جيمس روبنسون من مؤسسة فاراداي في ورقة بحثية تكنولوجيا الليثيوم-كبريت بأن لديها القدرة على توفير بطاريات أرخص وأخف وزنًا وتوفر أيضًا مزايا السلامة.

من بين هذه المزايا كثافة الطاقة النظرية التي تبلغ 2700 Wh/kg من بطارية الليثيوم-كبريت، بينما المستخدمة حاليًا توفر طاقة محددة تتراوح بين 100-265 Wh/kg.

تدَّعي Oxis Energy أنها طورت بطارية ليثيوم-كبريت تحقق طاقة محددة قدرها 450Wh/Kg مع خطط للوصول إلى 600Wh/Kg بحلول عام 2025.

يفتح التيار الكهربائي الباب لنهضة من (مركبات الإقلاع والهبوط الرأسية الكهربائية) eVTOL. ومن الأسهل توزيع نظام دفع كهربائي بالتساوي أكثر من توزيعه على محركات الاحتراق التقليدية، التي كانت تاريخيًا عاملًا رئيسيًا في تعطيل تكنولوجيا eVTOL.

يمكن أن تبشر تلك التقنية بمستقبل يشبه Jetson من سيارات الأجرة الطائرة والسيارات التي تساعد المدن المزدحمة على البقاء أكثر ترابطًا.

على الرغم من وجود العديد من النماذج الأولية لهذه الحرف الإلكترونية الصغيرة، ومع تطوير الشركات للتكنولوجيا والسعي للحصول على موافقة تنظيمية، فإنه ربما يمر عقد من الزمن أو أكثر قبل أن تصبح هذه التكنولوجيا أكثر انتشارًا.

تتمتع الطائرات الكهربائية بميزة كبيرة مقارنةً بالطرق الأخرى للطيران؛ فالمركبات الكهربائية في المجمل تحتاج إلى قدر أقل من الصيانة لأنها تمتلك عددًا أقل من الأجزاء المتحركة والكهرباء رخيصة الثمن ومن السهل توليدها.

وتكلف الرحلات الكهربائية ما بين أربعة إلى ستة دولارات في ساعة التشغيل، في حين أن الطائرات التي تحرق الوقود تكلف ما بين 2000-10000 دولار في ساعة التشغيل. إضافةً إلى كون الطائرات الكهربائية أكثر اقتصادًا في الطيران، فإنها أكثر هدوءًا من نظيراتها التي تحرق الكربون، ما يجعلها أكثر راحةً للركاب والموظفين.
<h3>قوة الهيدروجين</h3>
الهيدروجين هو وقود عظيم بالنسبة لنا لاستخدامه في محركات الاحتراق الداخلي. إنه عديم اللون، وعديم الرائحة، وغير سام، ومليء بالطاقة النظيفة المحترقة، وهو وفير على كوكبنا، على الرغم من ارتباطه بالمواد الكيميائية مثل الماء والميثان.

يرى بعض الخبراء أن العديد من خصائص الهيدروجين تجعل استخدامه أكثر أمانًا من استخدام البنزين. إذن لماذا لا نُطير المزيد من الطائرات المحملة بالهيدروجين؟ في الغالب بسبب القيود في البنية التحتية وهندسة الطائرات.

على الرغم من أن الهيدروجين لديه أعلى طاقة محددة من أي وقود غير مشع، فإن الهيدروجين السائل لديه فقط ربع الطاقة بالحجم كوقود نفاث. لكي تحصل على نفس الطاقة من الهيدروجين التي تحصل عليها من الوقود الطائرات النفاثة تحتاج إلى خزان تخزين أكبر بأربع مرات. عمومًا، لإفساح المجال للتخزين الإضافي، يضحي المصنعون بمجموع المقاعد أو سيجعلون الإطار الجوي أكبر قليلًا.

بدأت شركات مثل ZeroAvia بتصميم خزانات تخزين خارجية للطائرات الصغيرة التي تحمل 20 شخصًا وتسافر 800 كم أو أقل، ربما أقصى ما يمكن فعله هذا الحل. وقد كشفت شركة Airbus عن تشكيل ثلاث طائرات مختلفة الأحجام قد تدخل الخدمة التجارية بحلول عام 2030، بما في ذلك طائرة قصيرة المدى وطائرة طويلة المدى.

البنية التحتية -ومعظمها في الطريقة التي ننتج بها الهيدروجين- هي واحدة من المسائل الرئيسية التي تعيق الطيران الذي يعمل بالهيدروجين. إصلاح غاز الميثان هو طريقة واسعة الانتشار لإنتاج الهيدروجين، في الولايات المتحدة ويمثل 95% من مجموع الهيدروجين المنتج.

تعتمد هذه الطريقة على الغاز الطبيعي وتعمل بخلط الهيدروكربونات مع الماء وإنتاج أول أوكسيد الكربون والهيدروجين كمنتج ثانوي. ومع ذلك فإن هذه الطريقة لتعدين الهيدروجين ليست خالية من الكربون ومن شأنها أن تحول التلوث الكربوني للطيران إلى مكان آخر.

لحسن الحظ يمكن إنتاج الهيدروجين من خلال عملية تسمى التحليل الكهربائي وهذا يسمح لك بإنتاج الهيدروجين من مصادر متجددة، كل ما تحتاجه هو الماء والكهرباء.

تحتاج المحاليل الكهربائية للحصول على الكهرباء من مصدر متجدد مثل الطاقة الشمسية من أجل إنتاج الهيدروجين بطريقة خالية من الكربون، فإن خلية وقود هيدروجينية تطلق الماء والحرارة فقط كمنتج ثانوي عندما تُحرق.

ولأننا نفتقر للبنية التحتية لإنتاج الهيدروجين بطريقة نظيفة، فهو حاليًا وقود باهظ الثمن لتصنيعه. لقد كنا ننتج الهيدروجين على نطاق مختلف للوظائف الصناعية لمدة قرن، لذلك نعرف أنه يمكن القيام بهذا. والآن يحتاج الأمر إلى التوسع بطريقة خالية من الكربون

<strong>التحليق في عام 2040 وما بعد</strong>

الطريقة التي نسافر بها سوف تتغير كثيرًا في أثناء القرن القادم. العالم الحديث يعتمد على الوقود الأحفوري، ولكن الطاقة الكهربائية والهيدروجينية سوف تُغذي عالم الغد. نحن نغير مدننا، وننشط النقل العام، ونوسع القطارات عالية السرعة، ونعيد هندسة سفننا، ونعيد تشكيل طائراتنا. ومن السابق لأوانه أن نقول إذا كان الهيدروجين أو الكهرباء سوف يكونان مهيمنين ولكن من المرجح أن يكون هناك أمر واحد مؤكد وهو أن كلا الأمرين سوف يكون لهما دور بارز في صناعتنا بينما نتحرك نحو مستقبل خال من الكربون.

<strong>اقرأ أيضًا:</strong>

<a href="https://www.ibelieveinsci.com/?p=83991">هل تستطيع الطائرة الاستمرار في الطيران إذا توقف أحد المحركات؟</a>

<a href="https://www.ibelieveinsci.com/?p=31998">لماذا لا تزود شركات الطيران التجارية ركابها بمظلات؟</a>

ترجمة: عمرو أحمد حمدان

تدقيق: حسام التهامي

<a href="https://interestingengineering.com/the-future-of-flight-hydrogen-vs-electric-planes">المصدر</a>

مستقبل الطيران: الطائرات الكهربائية أم الطائرات الهيدروجينية

TY2nGvZhUhHbnW4Ktb82sA-480-80

كُشِفَ عن الجزء السفلي من بلورات الزيركون عندما ظهرت الصفائح التكتونية. انتقلت صفائح الأرض التكتونية باستمرار منذ أن ظهرت قبل 3.6 مليار سنة، وفقًا لدراسة جديدة على بعض من أقدم بلورات العالم. في السابق، اعتقد الباحثون أن هذه الصفائح تشكلت في أي مكان منذ 3.5 إلى 3 مليار سنة، وبعض الأبحاث التي لم تنشر بعد قدرت أن عمر الصفائح 3.7 مليار سنة.

[caption id="attachment_103853" align="aligncenter" width="554"]<a href="https://www.ibelieveinsci.com/wp-content/uploads/Picture1-101.png"><img class="size-full wp-image-103853" src="https://www.ibelieveinsci.com/wp-content/uploads/Picture1-101.png" alt="صورة: مقطع مجهري لقطعة رقيقة من صخر مصقول من تلال جاك بأستراليا. سمحت صفيحة الجبس على المجهر للعلماء برؤية طيف قوس قزح من الكوارتز. الصخور من تلال جاك تتألف من 99% كوارتز و 1% المتبقية تشمل الزركونات الثمينة. حقوق الصورة: مايكل أكرسون، معهد سميثسونيان." width="554" height="311" /></a> صورة: مقطع مجهري لقطعة رقيقة من صخر مصقول من تلال جاك بأستراليا. سمحت صفيحة الجبس على المجهر للعلماء برؤية طيف قوس قزح من الكوارتز. الصخور من تلال جاك تتألف من 99% كوارتز و 1% المتبقية تشمل الزركونات الثمينة. حقوق الصورة: مايكل أكرسون، معهد سميثسونيان.[/caption]

اكتشف العلماء في الدراسة الجديدة تاريخ بداية الصفائح التكتونية من خلال تحليل بلورات الزركون القديمة من تلال جاك غرب أستراليا. بعض من الزركونات يرجع تاريخها إلى 4.3 مليار سنة، مما يعني أنها كانت موجودة عندما كان عمر الأرض 200 مليون سنة فقط، من الناحية الجيولوجية. استخدم الباحثون هذه الزركونات، وكذلك تلك الأصغر سنا التي يرجع تاريخها إلى 3 مليار سنة، لحل شيفرة السجل الكيميائي المستمر لكوكب الأرض.

يقول الباحث الرئيسي لهذه الدراسة مايكل أكرسون، الباحث الجيولوجي في متحف سميثسونيان الوطني للتاريخ الطبيعي في واشنطن: «نحن نعيد بناء كيفية تغير الأرض من كرة من الصخور والمعدن المصهور إلى ما هي عليه اليوم».

تشير الصفائح التكتونية إلى كيفية انزياح ألواح ضخمة من الصخور الصلبة فوق الوشاح الأرضي، الطبقة تحت القشرة مباشرة. تتحول هذه الكتل القارية وتتكسر وتتصادم، ما يتسبب في حدوث الزلازل وارتفاع الجبال وتشكل المحيطات. يقول الباحثون إنه إلى جانب الأرض، لا توجد أجسام كوكبية معروفة أخرى لديها صفائح تكتونية. من المحتمل أن الصفائح التكتونية من أسباب وجود الحياة على الأرض.

على سبيل المثال، مع مرور الوقت، تلتقط الصخور ثاني أكسيد الكربون، وهو غاز الدفيئة الذي يساعد في تدفئة الأرض (على الرغم من أن الكثير من CO2 قد يؤدي إلى الاحتباس الحراري العالمي)، تضمن الصفائح التكتونية سحب هذه الصخور في نهاية المطاف وذوبانها، وينبعث غاز CO2 من خلال البراكين، هذا ما ذكرته Live Science في تقرير سابق، ودون هذه العملية قد تتجمد الأرض.

ومع ذلك، لأن أوائل الصفائح التكتونية قد تمت تغطيتها وإعادة تدويرها عبر العصور الجيولوجية، فإن تحديد عمرها يمكن أن يكون تحديًا صعبًا.

للتحقق، جمع أكرسون وزملاؤه 15 صخرةً بحجم حبة الجريب فروت من تلال جاك وطُحنت إلى مكونات معدنية صغيرة، مشكلين رمالاً. لحسن الحظ، الزركونات كثيفة، لذا كان من السهل فصلها عن بقية الرمال باستخدام طريقة شبيهة بالبحث عن الذهب.

وبعد ذلك، أخذ الباحثون الزركونات (أكثر من 3500 من المجموع) وعالجوها بالليزر لقياس تركيبها الكيميائي باستخدام قياس الطيف الكتلي. وحدد الفريق عمر كل زركون بقياس محتواه من اليورانيوم، وهو عنصر مشع له معدل تحلل معروف، ما يتيح للعلماء تحديد مدة وجود كل عينة.

ومع ذلك ، فإن 200 فقط من هذه الزركونات كانت صالحة للدراسة، ما يعني أنها احتفظت بخصائصها الكيميائية منذ مليارات السنين.

قال أكرسون: «إن كشف الأسرار المحفوظة داخل هذه المعادن ليس مهمة سهلة. لقد قمنا بتحليل الآلاف من هذه البلورات للوصول إلى عدد قليل من نقاط البيانات المفيدة، ولكن كل عينة لديها القدرة على إخبارنا بشيء جديد تمامًا وإعادة تشكيل كيفية فهم أصول كوكبنا».

نظر الفريق إلى محتوى كل زركون من الألمنيوم. فقد أظهرت أبحاث الزركونات الحديثة أن الزركونات عالية الألمنيوم تتشكل بطرق قليلة فقط، لذلك، وجود الألمنيوم في الزركونات القديمة يقدم أدلة حول كيفية إنتاجها وما كان يحدث في ذلك الوقت، من الناحية الجيولوجية.

العيون على الألمنيوم

بعد تحليل 200 من الزركونات، وجد الباحثون زيادة ملحوظة في تركيزات الألمنيوم منذ نحو 3.6 مليار سنة. هذا التحول في التركيب ربما يمثل بداية الصفائح التكتونية.

يقول أكرسون: «يمكن أن تشير إلى ظهور الحياة على الأرض، لكننا سنحتاج إلى إجراء المزيد من البحوث لتحديد صلات هذا التحول الجيولوجي بأصول الحياة».

ربط الفريق الزركونات عالية الألمنيوم مع بداية الصفائح التكتونية لأن إحدى الطرق التي تشكل هذه الزركونات الفريدة هي عندما تذوب الصخور عميقا تحت سطح الأرض.

قال أكرسون: «من الصعب حقا الحصول على الألمنيوم في الزركونات بسبب الروابط الكيميائية. سوف تحتاج إلى ظروف جيولوجية قاسية جدا».

[caption id="attachment_103852" align="aligncenter" width="554"]<a href="https://www.ibelieveinsci.com/wp-content/uploads/Picture2-82.png"><img class="size-full wp-image-103852" src="https://www.ibelieveinsci.com/wp-content/uploads/Picture2-82.png" alt="صورة: بلورات الزركون التي صُوِّرت بواسطة كاثودولومينسينس، وهي طريقة تسمح للعلماء بتصوير البلورات بوساطة مجهر إلكتروني متخصص للمسح الضوئي. لاحظ الدوائر المظلمة على الزركونات، تلك هي التجاويف التي تركها الليزر الذي اسُتخدِمَ لتحديد عمر وكيمياء الزركونات. حقوق الصورة: مايكل أكرسون، معهد سميثسونيان." width="554" height="310" /></a> صورة: بلورات الزركون التي صُوِّرت بواسطة كاثودولومينسينس، وهي طريقة تسمح للعلماء بتصوير البلورات بوساطة مجهر إلكتروني متخصص للمسح الضوئي. لاحظ الدوائر المظلمة على الزركونات، تلك هي التجاويف التي تركها الليزر الذي اسُتخدِمَ لتحديد عمر وكيمياء الزركونات. حقوق الصورة: مايكل أكرسون، معهد سميثسونيان.[/caption]

قال الباحثون إنه إذا كانت الصخور تذوب عميقًا تحت سطح الأرض، فإن القشرة الأرضية من المرجح أن تصبح أكثر ثخانة وتبدأ في البرودة. وقال الفريق إن من المحتمل أن تكون هذه الثخانة جزءًا من الانتقال الذي أدى إلى حركة الصفائح.

تشير دراسة أجريت في وقت سابق عام 2014 على الصخور من مجمع أكاستا غنيس في شمال كندا، البالغة من العمر 4 مليار سنة، إلى أن القشرة الأرضية كانت تتضخم في ذلك الوقت، ما جعل الصخور تذوب داخل الكوكب على نحو أعمق مما كانت عليه في السابق.

قال أكرسون إن النتائج من أكاستا غنيس تعطينا المزيد من الثقة في تفسيرنا بلورات الزركون من تلال جاك: «اليوم، هذه المواقع مفصولة عن بعضها بآلاف الأميال، لكنها تحكي لنا قصة ثابتة إلى حد ما، وهي أنه قبل نحو 3.6 مليار سنة حدث شيء مهم على الصعيد العالمي».

بعد ذلك، يخطط أكرسون للبحث عن آثار الحياة القديمة في تلال جاك، وقال إنه يخطط أيضا للبحث عن أصناف أخرى قديمة جدا لمعرفة إذا كانت تعطي نتائج مماثلة حول ثخانة القشرة الأرضية قبل نحو 3.6 مليار سنة.

نشرت الدراسة الممولة من معهد سميثسونيان وناسا في 14 مايو في مجلة Geochemical Perspective Letters.

<strong>اقرأ أيضًا:</strong>

<a href="https://www.ibelieveinsci.com/?p=69253">ما هي الصفائح التكتونية ؟</a>

<a href="https://www.ibelieveinsci.com/?p=73924">هل يشهد العالم موت إحدى الصفائح التكتونية ؟</a>

ترجمة: عمرو أحمد حمدان

تدقيق: عبد الرحمن داده

<a href="https://www.livescience.com/crystals-reveal-plate-tectonic-age.html">المصدر</a>

صفائح تكتونية عمرها 3.6 مليار سنة كشفت عن أقدم المعادن على الأرض

heat-islands1

<h3>ما الجزر الحرارية؟</h3>
الجزر الحرارية مصطلح مناخي يُطلق على ارتفاع درجات حرارة المدن الكبرى، وتحدث هذه الظاهرة بسبب حدوث التنمية الحضرية في المدن واستخدام الطاقة التي قد تزيد في معدلات حرارة الهواء بين 2-6 درجات مئوية.

إذا كنت لا تتحمل الحرارة، غادر المدينة، وانظر إلى تقرير الطقس المحلي، سوف تلاحظ شيئًا غريبًا. درجات الحرارة غالبًا تكون أعلى ببضع درجات في المدينة مقارنة مع المناطق الريفية المحيطة بها.

هذا التفاوت في درجات الحرارة ينتج عن ظاهرة غريبة تعرف باسم تأثير الجزر الحرارية الحضرية.

بمعنى أن التأثير يحول المدن إلى جزر من الحرارة.

بحسب وكالة حماية البيئة الأمريكية، فإن درجات الحرارة في مدن الولايات المتحدة يمكن أن تكون أعلى بعشر درجات فهرنهايت من المناطق المحيطة بها.

عادة ما يكون التفاوت في درجات الحرارة ليس بهذه الضخامة، ولكن بضع درجات يمكن أن تحدث فرقًا كبيرًا، إذ يؤدي الطلب على تكييف الهواء في الصيف إلى ارتفاع فواتير الطاقة.

<a href="https://www.ibelieveinsci.com/wp-content/uploads/urban_heat.jpg"><img class="aligncenter size-full wp-image-104314" src="https://www.ibelieveinsci.com/wp-content/uploads/urban_heat.jpg" alt="ظاهرة غريبة تسبب تفاوت في درجات الحرارة بين داخل المدن وخارجها - تأثير يحول المدن إلى جزر من الحرارة - الجزر الحرارية وآثارها" width="830" height="455" /></a>

يجادل الكثيرون بأن هذا يزيد من انبعاث غازات الدفيئة من محطات الطاقة التي توفر هذه الطاقة الإضافية، ولكن من ناحية أخرى يشير البعض إلى أن انخفاض الحاجة إلى الحرارة في فصل الشتاء يعوض التكاليف في فصل الصيف.

إضافةً إلى ذلك، فالمدن الأكثر دفئًا في فصل الشتاء تعني عددًا أقل من الشوارع المغطاة بالجليد.

ولعل أسوأ نتيجة لتأثير الجزر الحرارية هي عدد الوفيات المرتبطة بالحرارة. على الرغم من أن العواصف المتسببة بالضرر تحظى بأكبر قدر من اهتمام وسائل الإعلام، فإن الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي تفيد بأن الحرارة عادة ما تكون أكثر فتكًا، ففي الولايات المتحدة تؤدي الحرارة إلى قتل عدد من الناس كل عام أكثر من الأعاصير والفيضانات والبرق بحسب الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي
<h3>الفيزياء وراء تأثير الجزر الحرارية</h3>
من أجل فهم تأثير الجزيرة الحرارية، نحتاج أولاً إلى فهم بضع قواعد بسيطة للفيزياء. الأهم من ذلك هو أن نفهم أن الأجسام يمكن أن تمتص الضوء وتعكسه.

في الواقع، يعتمد لون الجسم على نوع الضوء الذي يعكسه. على سبيل المثال، الجسم الأخضر يعكس الضوء الأخضر ويمتص جميع الألوان المرئية الأخرى من الضوء. عندما نرى جسمًا أخضر، نعتبره أخضر لأنه يعكس الطول الموجي الأخضر للون إلى أعيننا.

الأجسام الملونة الأكثر قتامة تمتص الضوء أكثر من غيرها، والأسطح السوداء تمتص تقريبًا كل الضوء. من ناحية أخرى، فالأسطح الملونة الأقل قتامة لا تمتص الكثير من الضوء، وإنما تعكس أكثره.
<h3>ما علاقة امتصاص الضوء بالحرارة؟</h3>
عندما يمتص جسم الضوء، فإنه يحول هذا الضوء إلى طاقة حرارية، وينبعث منه مرة أخرى على هيئة حرارة. وبما أن الأجسام السوداء تمتص المزيد من الضوء، فإنها أيضًا تبعث المزيد من الحرارة. وهذا هو السبب في أن ارتداء قميص أسود في يوم مشمس حار سيجعلك تشعر بالحر أكثر، فالقميص الأسود يمتص الضوء، ويبعث منه حرارة على بشرتك. بينما ارتداء قميص أبيض، سيساعد على عكس ضوء الشمس ويبقيك أكثر برودة.

إن المعدل الذي يعكس به الجسم الإشعاع الشمسي يُسمّى «ألبيدو-Albedo» (مقدار الإشعاع الشمسي المنعكس من الأسطح)، وكلما كان الألبيدو أكبر كان انعكاس الإشعاع أفضل.

الأسفلت التقليدي لديه ألبيدو منخفض، ما يعني أنه يعكس الإشعاع بشكل سيئ وبدلًا من ذلك يمتصه.

عندما نبني ونتوسع في المدن، نميل إلى إنشاء المباني ذات الأسطح الداكنة ورصف الأرضية بالأسفلت. تمتص المباني والأرضية كمية كبيرة من الضوء والإشعاع وينبعث منها على هيئة حرارة، ولأن أكثر من نصف الأسطح في المدن من صنع الإنسان، فإن المدن ترتفع حرارتها أكثر من المناطق الريفية، حيث المباني أقل كثافة.

هذا الامتصاص الحراري هو السبب في أن الفرق في درجة الحرارة بين المدن والمناطق الريفية هو الأعلى بعد ساعات قليلة من غروب الشمس، فالمدن تحتفظ بالحرارة لفترة أطول من المناطق الريفية بحسب وكالة حماية البيئة.

لكن هذا ليس الأمر الوحيد الذي يسبب تأثير الجزيرة الحرارية. يعتقد العلماء أن الغطاء النباتي يؤدي دورًا كبيرًا في الحفاظ على منطقةٍ ما باردةً من خلال عملية تسمى التبريد بالتبخر، عندما يتحول السائل إلى غاز.

إن النبات يأخذ الماء من خلال جذوره ويعتمد عليه في العيش، ولكن بعد امتصاص النبات للماء، يمتص الهواء الجاف تلك المياه بعد تحويلها إلى بخار، ويوفر الهواء الحرارة التي تقود هذه العملية، لذلك خلال العملية، يفقد الهواء الحرارة ويصبح أكثر برودة.

نعاني من نفس الشيء عندما نتعرق، حيث يلامس الهواء بشرتنا المتعرقة، ويمتص الرطوبة التي تبرد الهواء من حولك. ولأن بناء المدينة يعني تشييد المباني بدلًا من الغطاء النباتي، فإن المدينة تفقد مزايا التبريد بالتبخر التي يقوم بها الغطاء النباتي.

كما تساهم عوامل أخرى في هذا التأثير، على سبيل المثال فإن السيارات ومكيفات الهواء التي تنتشر في كل مكان في المناطق الحضرية تحول الطاقة إلى حرارة وتطلق هذه الحرارة في الهواء.
<h3>تقنيات الحد من تأثير الجزر الحرارية:</h3>
لحسن الحظ، بمعرفة أسباب تأثير الجزر الحرارية ، يمكننا السيطرة عليها إلى حد كبير.

يمكن أن تقلل تقنيات معينة الطلب على تكييف الهواء وتقلل فواتير الطاقة.

بما أن الأسطح القاتمة التي لها قدرة منخفضة على عكس الطاقة الشمسية (ألبيدو منخفض) تسبب تسخين المنطقة الحضرية، فالحل المنطقي هو عكس هذا الاتجاه. قد يقوم المخططون الحضريون بذلك عن طريق طلاء المباني باللون الأبيض، أو ألوان فاتحة أخرى. هذه التقنية الأساسية تقطع شوطًا طويلًا في عكس تأثير الجزيرة الحرارية.

لكن بعض الناس لا يحبون فكرة المدينة البيضاء الساطعة. الطلاء منخفض الانعكاس يوفر بديلًا ويأتي بألوان غير بيضاء. هذه الأنواع من الطلاءات تعكس الإشعاع غير المرئي دون أن تعكس كل الضوء لذلك، فإنها تبقي الجسم باردًا نسبيًا دون الاستغناء عن اللون القاتم. ويمكن أيضًا تطبيق بعض الطلاء عالي الانعكاس على الأسفلت. ومن الأمثلة التي تعالج الأسفلت لجعل سطحه أكثر انعكاسًا، استخدام تقنيتي (Asphalt Chip Seals) و (Emulsion Sealcoats) إذ تقلل هذه العمليات من عامل الانعكاس للأسفلت، الذي يعد مساهمًا رئيسيًا في تأثير الجزيرة الحرارية.

تركيب سطوح خضراء في مباني المدينة اكتسب شعبية، وهذا الحل لاعلاقة له باللون، فالسقف الأخضر هو ببساطة سقف يشمل غطاءً نباتيًا، ولا يمنع سقف المبنى من امتصاص الحرارة فحسب، بل يبرد الهواء من حوله، ويعوض تأثير الجزيرة الحرارية إلى حدٍ ما.

وتستخدم العديد من المباني المستدامة أسقفًا خضراء للحد من اعتمادها على استهلاك الطاقة.

تساعد عدة طرق أخرى في الحد من تأثير الجزيرة الحرارية أيضًا. على سبيل المثال، رش الأسطح هو حل تبخير آخر. الرشاشات على السطح تبلل السطح بحيث يبرد الهواء من حوله من خلال التبخر.

أنشأ المخططون الحضريون أيضًا مواقف سيارات تقليدية على طول ساحات نمو الأشجار والنباتات. لا تساهم الأشجار الطويلة في التبريد التبخري فحسب، بل توفر أيضًا الظل الذي نحتاج إليه.

<strong>اقرأ أيضًا:</strong>

<a href="https://www.ibelieveinsci.com/?p=101155">لماذا تنخفض درجات الحرارة في الصحاري ليلًا؟</a>

<a href="https://www.ibelieveinsci.com/?p=94986">العلماء يحذرون: ارتفاع درجات الحرارة قد يسبب انبعاث كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون</a>

ترجمة: عمرو أحمد حمدان

تدقيق: عبد الرحمن داده

<a href="https://science.howstuffworks.com/environmental/green-science/urban-heat-island.htm">المصدر</a>

ما هي الجزر الحرارية الحضرية؟ وما تأثيرها على الطقس؟

464ded4546047d0508709e516440aee3

عندما يدخل الوقود الزائد غير المحترق من المحرك إلى ممر العادم الساخن، فإنه يسبب طقطقة وألسنة لهب تخرج من العادم بشكل كبير. الصوت الصاخب للعادم الذي يبدو كأصوات إطلاق النار ويسبب الإثارة والحماس لكل عشاق السيارات تقريبًا. يمكن أن تكون إما مقصودة أو غير مقصودة، ولكنها تنجح دومًا بإذهال المشاهدين وإشعارهم بالرهبة.

<a href="https://www.ibelieveinsci.com/wp-content/uploads/Picture2-26.jpg"><img class="aligncenter size-full wp-image-104982" src="https://www.ibelieveinsci.com/wp-content/uploads/Picture2-26.jpg" alt="" width="554" height="369" /></a>

العوادم المشتعلة مع الأصوات الصاخبة ظاهرة شائعة في سيارات السباق

مع ذلك، فإن العوادم التي تطلق اللهب ليست غير مرغوب بها فحسب، بل هي أيضًا دليل على عدم كفاءة احتراق الوقود في المحرك!

دعونا نتعلم المزيد عن هذه الظاهرة التي تجذب النظر.
<h3>كيف يمكن أن تطلق السيارة ألسنة اللهب من العادم ؟</h3>
في حين أن إطلاق اللهب من العادم هو نتاج العديد من العمليات، فإنه يمكن تلخيصه باحتراق خليط الوقود والهواء المتبقي في حجرة الاحتراق في خط أنابيب العادم. ينتج عن ذلك أصوات متفجرة وإطلاق اللهب من طرف العادم.

يمكن تقسيم العملية إلى مرحلتين: سرعة دوران المحرك، واشتعال العادم.
<h4> سرعة دوران المحرك:</h4>
إذا كنت تقود سيارة بناقل حركة يدوي، لابد أنك قد جربت مكابح المحرك من قبل. إذا لم يكن كذلك، فإليك درسًا سريعًا.

جد لنفسك طريقًا آمنًا وفارغًا. ضع سيارتك على الغيار الأول وتسارَع دون تغيير الناقل. مع زيادة سرعة سيارتك، سوف يزداد عدد دورات المحرك في الدقيقة.

للحفاظ على عدد الدورات في الدقيقة، تحتاج أن تثبت دواسة الوقود، إذا تركت دواسة الوقود على الترس نفسه، ستتباطأ السيارة مع ترنح مزعج، وفي الوقت نفسه سينخفض معدل RPM (وهو عداد مخصص لقياس معدل دوران محرك السيارة، أي عدد الدورات في الدقيقة الواحدة) نظرًا إلى عدم وجود احتراق كافٍ يحدث في المحرك للحفاظ على عدد دوراته في الدقيقة.

وتعرف عملية الإبطاء هذه بفرملة المحرك، ويمكن تجربتها على جميع أنواع السيارات. في اللحظة التي تترك دواسة البنزين، لدى المحرك عدد دورات في الدقيقة أكثر من المسموح به، وذلك بسبب نقص الاحتراق. تعرف هذه الحالة بعدد دورات المحرك، وتكون النتيجة فرملة المحرك.
<h4> اشتعال العادم:</h4>
في حين أنه من السهل تجربة فرملة المحرك، فإن ما يحدث في المرحلة الأخيرة أقل وضوحًا في غير سيارة رياضية.

يتم دفع خليط الوقود والهواء غير المحترق إلى أنبوب العادم مع الغازات الأخرى.

غير أن معظم سيارات الركاب لديها محولات محفزة أو «كاتمات صوت» مدمجة فيها لتقوم بتظيف غازات العادم قبل إطلاقها في الغلاف الجوي.

<a href="https://www.ibelieveinsci.com/wp-content/uploads/Picture3-2.gif"><img class="aligncenter size-full wp-image-104981" src="https://www.ibelieveinsci.com/wp-content/uploads/Picture3-2.gif" alt="" width="265" height="369" /></a>

يحتوي المزيج الغني على وقود كاف لتوليد الطاقة، وبعض الوقود الفائض يُلقى في عادم المحرك.

في المركبات التي لا تكون فيها أنابيب العادم مقيدة إلى هذا الحد، يستخدم الوقود غير المحترق حرارة العادم للاحتراق داخل العادم، بدلا من المحرك. وينتج عن ذلك أصوات فرقعة، بل وأحيانًا ألسنة لهب من العادم.
<h3>الشروط الأساسية للصوت العالي وألسنة اللهب من العادم</h3>
لكي تصدر المركبة صوتًا عاليًا وألسنة لهب فهناك بعض الشروط الأساسية وهذه عادة ما تكون افتراضية في المركبات عالية الأداء.
<h4>1- مزيج وقود غني:</h4>
لا يمكن إنتاج أصوات العادم إلا في المحركات البنزينية بسبب التطاير والتبخر الشديد.

من المعلوم أن المحرك يحرق خليط الهواء والوقود بنسبة محددة مسبقًا، وعندما تعدّل هذه النسبة لصالح الوقود، يصبح الخليط «غنيًا»، وينتج عن ذلك فائض في الوقود ينتقل فيما بعد إلى تيار عادم المركبة.
<h4>2- تداخل الصمامات وتثبيط الاشتعال:</h4>
المحرك هو وحدة مضبوطة بدقة، تعمل الأجزاء فيه جنبًا إلى جنب في أوقات محددة. في السيارات العادية، لا يُفتح صمام الدخول وصمام العادم معًا، خشية خروج الوقود غير المحترق من حجرة الاحتراق. ومع ذلك فإن توقيت فتح هذه الصمامات يتداخل بطريقة تسمح لفائض الشحنة غير المحترق بالخروج من الحجرة .

ويصاحب ذلك تأخير الشرارة التي تسبب اشتعال خليط وقود الهواء.

عادة ما يصدر المحرك شرارة فقط عندما يكون كلا الصمامين مغلقين، حيث يكون احتواء الطاقة المولدة داخل النظام لتحقيق أقصى كفاءة.

في هذه الحالة، فإن تأخير الإشعال، يساعد في إشعال الوقود الفائض أثناء خروجه من منفذ العادم.
<h4>3- التدفق الحر للعادم:</h4>
غالبًا ما تصنع العوادم مع حواجز فيزيائية وكيميائية للتقيد بمستوى الضوضاء والسلامة واللوائح البيئية.

المحولات التحفيزية تنظف الأبخرة السامة والوقود غير المحترق قبل أن يتحد مع الأكسجين الجوي. ويمكن أن يكون هذا ضارًا «بعد الحرق»، ولذلك فإن العوادم الأقل تقييدًا تفضي إلى الطقطقة وألسنة اللهب.
<h3>هل ضوضاء العادم تضر بالمحرك؟</h3>
بما أن الانفجارات تحدث خارج المحرك، فإنها لا تلحق الضرر بالمحرك، على عكس الطقطقة والطرق داخل المحرك. ومع ذلك، فإن نظام العادم ليس مصممًا لتحمل أحمال الصدمات وقد يفشل في نهاية المطاف بشكل كارثي.

من النادر أن تنشأ مثل هذه الحالات، لأن السيارات الرياضية مصممة لمراعاة مثل هذه المواقف.
<h3>هل يمكن أن تطلق سيارة عادية ألسنة اللهب؟</h3>
الجواب البسيط على هذا السؤال هو: سيارات الركاب صُممت مع مراعاة الكفاءة والسلامة، وليست مصممة لتكون قادرة على إحداث فرقعة وإطلاق ألسنة اللهب. ومع ذلك، هناك مجموعة معدات يمكن شراؤها من أجل مساعدة السيارات ذات المواصفات المتواضعة لتقديم هذا العرض المذهل.

تقوم بعض المجموعات ببساطة بتطوير السيارة إلى مواصفات شبيهة بالسيارة الرياضية، مثل الحث على تداخل الصمام، أو إثراء خليط الوقود، أو تحقيق التدفق الحر للعادم. إن اللهب الذي ينتج عن ذلك أمر عرضي بحت ولا يمكن السائق التنبؤ به. ومع ذلك، فإن بعض المجموعات تشمل دوائر إشعال ضمن العادم. ويتم توجيه كل خليط الوقود والهواء غير المحترق إلى العادم وإشعاله، ما يؤدي إلى مزيد من ألسنة اللهب المتعمدة.

<strong>اقرأ أيضًا:</strong>

<a href="https://www.ibelieveinsci.com/?p=103661">لماذا لا يستخدم وقود الديزل في السيارات الصغيرة أو الدراجات النارية؟</a>

<a href="https://www.ibelieveinsci.com/?p=63131">تعرف على تاريخ ومستقبل أسرع السيارات في العالم</a>

ترجمة: عمرو أحمد حمدان

تدقيق: عبد الرحمن داده

<a href="https://www.scienceabc.com/innovation/how-do-cars-shoot-flames-from-their-exhaust.html">المصدر</a>

عمرو أحمد حمدان

الأعمال

مستقبل الطيران: الطائرات الكهربائية أم الطائرات الهيدروجينية

صفائح تكتونية عمرها 3.6 مليار سنة كشفت عن أقدم المعادن على الأرض

ما هي الجزر الحرارية الحضرية؟ وما تأثيرها على الطقس؟

كيف تخرج النار من عوادم السيارات؟