رابطه پرواز پرندگان و شرایط جوی

برای مقایسه تاثیر آب و هوا در نقاط مختلف ایران باید اول چند فاکتور رو در نظر گرفت فشار هوا یکی از این فاکتورهاست برای بررسی فشار هوا در نقاط مختلف کشور باید ارتفاع هر منطقه از سطح دریا رو در محاسبه منظور کرد و همینطور یک نکته مهم در ارتباط با فشار هوا جرم در حجم یا چگالی هوا است به عبارتی هر چه هوا چگالتر و ارتفاع نسبت به سطح دریا پائنتر باشد در نتیجه فشار هوا نیز بیشتر است. اما برای مقایسه چگالی هوا باید خصوصیاتی مانند هوای سرد و گرم (دما) یا خشک و مرطوب را مورد بررسی قرار داد، در این رابطه سرعت باد هم یکی دیگر از عوامل تاثیر گذار بر روی فشار هوا است.

رابطه رطوبت هوا با فشار هوا: با توجه به این که وزن مولکول بخار آب از وزن میانگین مولوکولهای موجود در جو ( نیتروژن و اکسیژن) کمتر است افزایش رطوبت باعث کاهش فشار می شود. بعبارتی فشار هوا در هوای خشک بیشتر از هوای مرطوب است. اما نباید فراموش کنیم هوای خشک در طبیعت وجود ندارد. 

رابطه ارتفاع از سطح دریا و فشار هوا: فشار اتمسفر به نسبت ارتفاع از سطح زمین کم می‌شود. فشار جو با افزایش ارتفاع کاهش یافته و در ارتفاع پنج هزار متری به میزان نصف فشار سطح دریا می‌رسد. 

رابطه چگالی و فشار هوا: چگالی هوا با فشار (قانون گاز ایده آل) و ارتفاع از سطح دریا تغییر پیدا می کند، بعبارتی با افزایش ارتفاع چگالی و فشار هوا کاهش می یابد.

رابطه دما و فشار هوا: در لایه تروپوسفور که سطح زمین را تا ارتفاع 10 تا 20 کیلومتری را فرا گرفته با افزایش ارتفاع دمای هوا کاهش می یابد. بطور متوسط کاهش درجه حرارت نسبت به ارتفاع در طبقات پایین جو ، 6 درجه سانتیگراد در هر کیلومتر است. دمای هوا به ازای هر 150 متر (حدود 490 فوت) حدود 1 درجه سانتیگراد کاهش می یابد. به عنوان مثال دمای هوا در قله کوه اورست تقریباً در حدود 40- درجه سانتگیراد برآورد شده است در صورتی که در سطح دریا تقریباً 15 درجه سانتیگراد است. 

فشار هوای گرم در ظرف در بسته بیشتر است زیرا با افزایش دما جنبش مولکولی افزایش یافته و برخوردها با دیواره ظرف بیشتر میشود. (توجه کنید که این حالت در ظرفی در بسته و در حجم ثابت است) اما فشار هوا وقتی دما بیشتر شود کاهش می یابد. زیرا با افزایش دما تراکم مولکولی کم و تعداد ضربات کاهش می یابد. وزن هوای سرد بیشتر از وزن هوای گرم است، همان طور که فشار هوای سرد بیشتر از فشار هوای گرم است. موقعی که خورشید هوا را گرم می کند، هوا منبسط و سبک تر می شود و بالا می رود و هوای سردتر و سنگین تربه جایی که هوای گرم تر و سبک تر بود می وزد. به عبارت دیگر هوا معمولاً از مناطق با فشار هوای بالا به مناطق با فشار هوای پایین می وزد. هوای سرد چگالتر از هوای گرم است و این امر باعث فشار هوای بالای هوای سرد است. هوای گرم که سبک تر است باعث فشار پایین می‌شود. در ناحیة پر فشار، مولکولهای هوا به هم نزدیکتر از ناحیه کم فشار هستند. هوایی گرم فشار کمتری را روی زمین ایجاد می‌کند که این امر ناحیه کم فشار را بوجود می آورد. بر اساس دو افزایش و کاهش که روزانه در حرارت خورشید ایجاد می شود بیشترین تغییر در فشار به وجود می آید. در هر روز حدود ساعت 4 صبح و عصر فشار در پایین ترین حد خود و ساعت 10 صبح و عصر در اوج آن می باشد. اندازه سیکل روزانه در منطقه استوا به بیش ترین و در حرکت به سمت قطب کم ترین می شود . 

رابطه واقعی بین دما و فشار وجود ندارد اما هر دو از همدیگر تاثیر می پذیرند به طوری که افزایش دما در طول روز در یک منطقه می تواند باعث ایجاد جریانات بالاسو در هوای آن منطقه شده و باعث کاهش فشار شود و یا در طول شب با کاهش دما باعث فرونشست هوا شده و کمی مقدار فشار هوا را افزایش دهد. در مناطقی که اختلاف بین دریافت تابش خورشید وجود داشته و اختلاف دما بیشتر است( مانند کوه و دشت، یا دریا و ساحل و ... ) این اثر چشم گیر تر است. همچنین وجود یک توده هوای پرفشار زمستانی می تواند دما را در یک منطقه بیش از 10 درجه کاهش دهد ویا یک توده هوای پرفشار تابستانی می تواند دمای هوا را در یک نقطه حدود 5 درجه یا بیشتر افزایش دهد. یک توده هوای کم فشار زمستانی می تواند باعث افزایش دمای یک منطقه و یک کم فشار تابستانی می تواند باعث خنک شدن دمای یک منطقه شود. 

چگونگی پرواز هواپیما: اگر می بینیم هواپیما در هوا بلند می شود این بر اثر فشـار هوایی است که از زیر بال هایش می گذرد و در نتیجه آن را به آسـمان بلند می کند. چون زیر بال ها مسطح است خلأیی ایجاد نمی شود و درنتیجه هوایی که از زیر بال ها عبور می کند فشار بیشتری در آن جا وارد می آورد. آن گاه بر اثر همین فشار هوا است که هواپیما از زمین به هوا برمی خیزد. ولی یادتان باشد که تا هواپیما به پیش حرکت نکند، چنین فشاری در زیر بال هایش تولید نمی شود و در نتیجه هرگز نیروی برآور پیدا نمی کند تا به آسمان بلند شود. 

مکانیسم پرواز پرندگان: 

پرواز پرندگان را در شکل ساده آن می توان همانند حرکت هواپیما در هوا دانست . بدین معنی که وقتی پرنده بال می زند ، نیروی مقاومت هوا به زیر بال فشار وارد کرده پرنده را به بالا می کشاند. 

هنگام حرکت به جلو ، نیروی مقاومت هوا که در جلو و زیر بالها وجود دارد ، همراه با چرخش خاصی که پرنده به بالها می دهد ، هوا را با فشار به عقب می راند و در نتیجه پرنده به بالا و جلو حرکت می کند . اگر چه حالت ظاهری پرندگان دوکی شکل و در نتیجه نیروی مقاومت هوا در جلو پرنده بسیار کم است ، اما تفاوت هواپیما با پرنده در این است که در هواپیما بالها ثابت بوده تنها کناره های آن متحرک است ، ولی در پرندگان ، بالها به بالا و پایین و عقب حرکت می کنند ؛ یعنی نیروی حرکتی پرنده بال زدن آن است ( در اصطلاح فرهنگ لغات فارسی به بال زدن پرنده "دف" گویند {فرهنگ عمید} 

بالها به خاطر وضعیت مقعر و سطح وسیعی که ناشی از وجود پرها است ، می توانند فشار هوا را در سطوح بالایی کاهش دهند ، ولی برعکس در سطوح زیرین حداکثر فشار را داشته باشند ، نتیجتا پرواز پرنده در اثر عوامل مکانیکی ناشی از رابطه متقابل پرها و فشار هوا حاصل می گردد. 

جالب توجه این است که اگر جریانهای عمودی هوا به سمت بالا ، دارای حرکت و سرعت باشند ، کمک زیادی در بردن پرنده به مسیرهای طولانی ، بدون از دست دادن انرژی برای بال زدن ، می کند . این گونه جریانهای هوایی در محدوده گرمایی حاصل از تابش خورشید و اغلب بر روی دریا اتفاق می افتد و بعضی از پرندگان دریایی مانند مرغان طوفان یا آلباتروسها ، هنگام مهاجرت از این جریانهای هوایی حداکثر استفاده را می برند . به عبارت دیگر ، پرواز با شکوه و بی تقلای پرندگان دریایی، قوشها، عقابها و کرکس ها ناشی از کارآیی آیرودینامیکی پرندگان و پدیده های هواشناختی است. 

این امر بدین صورت است که در آغاز پرنده با بال زدن شدید خود را تا ارتفاع حدود 30 متر بالا می برد . در این ارتفاع ، ضمن چرخیدن در دایره هایی به "بال باز روی" یا صفیدن ( صف به معنی گستردن هر دو بال و سکون بال به هنگام پریدن آمده است {فرهنگ معین} ) ادامه می دهد و در هر دایره به تناوب ، قسمت هایی از مسیر را بال می زند و قسمت های بزرگتری را بدون بال زدن "می سرد" .

ارتفاع حدود 120 الی 150 متری بدون هیچ بال زدنی چرخ زده ، با بالهای گشوده به ارتفاعات بالاتر اوج می گیرد . اگر باد بوزد مدارهای پرواز به صورت حلقه هایی در می آید که در جهت باد کشیده می شوند. 

در نقطه اوج صعود ، یعنی در ارتفاع حدود 2000 تا 3000متری ، پرنده شیرجه‌ی طولانی را با بالهای نیم بسته آغاز می کند ( یا به اصطلاح شاخ می بندد ) . سپس بال هایش را کاملا باز می کند و در مسیر مارپیچ دیگری مجددا اوج می گیرد . به این ترتیب ، پرنده با اوج گرفتن و شیرجه رفتن متناوب ، مناطق وسیعی را تقریبا بدون صرف انرژی پرواز می کند. 

پرواز با استفاده از بال ( دف ) را می توان به طور عینی همانگونه که قبلا ذکر شد مشاهده کرد . بال زدن نیرو تولید می کند و این نیرو پرنده را در هوا نگه داشته ، به جلو می راند . اما برای بیان نیروی نامرئی که بال باز روی ( صف ) پرنده را موجب می شود ، نمی توان به این راحتی از مشاهده استفاده کرد . به نظر می رسد که پرنده در ستونی از هوای گرم ، که در اثر تابش خورشید از زمین به بالا می خیزد ، اوج می گیرد . اما اغلب هنگامی که هوا در سطح زمین کاملا آرام است باز این پرندگان در آسمان دیده می شوند . معلوم شده که اوج گیری این پرندگان در حبابهای بزرگی از هوای شناور ، که در طول روز گرم شده و از زمین بالا آمده ، انجام می گیرد . نیرویی که چرخ زدن پرنده در داخل این حباب یا "پوسته گرمایی" تداوم می بخشد ، از گردش بسیار سازمان یافته هوا در پوسته زمین تامین می شود ، و پرواز منظم ( هندسی ) پرندگان ، خود دلیل بارزی بر وجود چنین جریانهایی است. 

پوسته گرمایی متشکل از یک حلقه گردابی ( چنبره ای ) که جریان هوای سرد در مسیرهای بسته ای ( خط چینها) حول آن می چرخند ، شعاع دایره ای که پرنده اوج گیرنده در آن پرواز می کند ، طوری است که سرعت فرو افتادن آیرودینامیکی پرنده دقیقا برابر با سرعت جریان بالارونده در داخل پوسته است . پرنده در این موقعیت ترازمند ، در داخل پوسته با بالا صعود می کند

این تصویر ، پوسته را به صورت توده بسته ای از هوای چرخان نشان می دهد و در داخل این توده یک حلقه گردابی چنبره ای شکل از هوای گرم وجود دارد که پیوسته هوای سرد را از وسط چنبره به سوی بالا و از کناره های آن به سوی پایین پمپ می کند.

باید اضافه کرد که از مدتها پیش معلوم شده است که پرواز گشوده بال پرندگان در هوا مستلزم وجود یکی از این دو شرایط است : یا هوا باید سرعت افقی داشته با زمان یا مکان تغییر کند ، یا باید دارای سرعتی موضعی روبه بالا باشد . پرندگان بلند پرواز دریایی از قبیل آلباتروسها یا بعضی از کاکاییها ( مثلا کاکائی پشت سیاه) از شرط اول استفاده می کنند . این پرندگان ، با استفاده از لایه های برشی ممتد و پایای باد بر فراز اقیانوسها ، می توانند به راحتی و با اطمینان تمام گاهی تا هزاران کیلومتر را به صورت گشوده بال پرواز کنند . مکانیسم این پرواز از مدتها قبل به خوبی شناخته شده است . در واقع اصطحکاک باعث می شود که در سطح وسیعی از دریا ، اندکی بالاتر از آن ، از سرعت باد کاسته شود و به عبارت دیگر سرعت باد از سطح دریا تا ارتفاع 15 الی 30 متری بالای امواج ، به تدریج افزایش پیدا می کند . از همین شیب سرعت باد است که آلباتروسها انرژی لازم را برای پرواز می گیرند. 

اوج‌گیری دینامیک متکی بر سرعتهای نایکنواخت بادهاست ، مثل لایه های برشی باد بر روی اقیانوس ها ، پرندگان دریایی در این لایه ها اوج می گیرند، شیب سرعت باد ( که با پیکان مشخص شده است ) به پرنده امکان می دهد که حتی هنگامی که در پرواز صعودی ، خلاف جهت باد سرعت زمین را از دست می دهد سرعت خود را نسبت به هوا و همچنین نیروی بالابرش را حفظ کند . اگر این شیب سرعت نبود پرنده در هر دور ارتفاع و انرژی پتانسیل را از دست می داد

پرنده در جهت باد می‌سرد و با تبدیل انرژی بالقوه ( پتانسیل ) به انرژی جنبشی ، نسبت به هوا و نسبت به زمین سرعت می گیرد . درست در بالای امواج به سوی باد بر می گردد و با افزایش ناگهانی زاویه بالهایش ( زاویه حمله ) شتاب اولیه را برای اوج گرفتن کسب می کند . هرچه بالاتر می رود ، با سرعتهای بیشتر باد مواجه می شود و از این طریق سرعت خود را نسبت به هوا حفظ می کند به این ترتیب ، پرنده می تواند بدون صرف انرژی داخلی تا ارتفاعی که قبلا از آن سریده بود بالا برود و ساعتها بدون بال زدن پرواز کند . 

توصیف بسیاری از جزئیات مربوط به بال باز روی پرندگان ، از مشاهده فوق العاده دقیق و کاملی که هانکین شیمیدان انگلیسی ، بین سالهای 1910 و 1913 در هند به عمل آورد ، روشن شده است وفور کرکسهای هندی این امکان را برای هانکین فراهم کرد که بسیاری از خصوصیات اساسی پرواز گشوده بال را ضبط کند و وضعیت حرکت آنها را به پرندگان دیگر که پروازی مشابه دارند تعمیم بدهد . او متوجه شد که قابلیت هوا در تامین این نوع پرواز رابطه معینی با حضور آفتاب و شدت آن دارد . بعدها محققین دیگر نیز متوجه همین نکته شدند . با طلوع آفتاب ، انواع مختلف کرکسها دقیقا به ترتیب افزایش باربال ( بار بال برابر است با وزن پرنده تقسیم بر مساحت بال آن ) اوجگیری را آغاز می کنند . سبکترین کرکس ( کرکس سیاه ) با بار بال 5.5 کیلوگرم بر متر مربع ، از زمین بلند می شود . پرواز صبحگاهی چلچله ها در تابستان خیلی زودتر از زمستان آغاز می شود و ساعت شروع به طور منظم در طول سال تغییر می کند .

برخی پرندگان بزرگتر ، مانند نوعی لک لک Leptoptilos dubius با باربال 7 کیلوگرم بر متر مربع و درنای هندی Grus antigone فقط در تابستان ، آن هم برای چند ساعت در گرمترین ساعات روز ، می توانند بدون بال زدن پرواز کنند . واضح است که این پرواز متکی به تابش خورشید است . بر این اساس ، هانکین متوجه شد که بر خلاف نظریه ستون های بالا رونده هوای گرم از سطح زمین ، که مستلزم وزش باد در سطح زمین است ، بهترین موقع برای اوجگیری وقتی است که هوا در سطح زمین کاملا آرام باشد . به همین دلیل ، هانکین مشاهده کرد که بزرگترین کرکسها همیشه نه در نزدیکی های زمین بلکه در ارتفاعات پرواز گشوده بال ( صف ) را آغاز می کنند . در موارد متعدد نیز دیده شده که گروهی از کرکسها در ارتفاعات پایین تر ، و درست در ارتفاعات زیر آنها ، برای اینکه ارتفاع را نگه دارند ، ناچار بوده اند به طور پیوسته بال بزنند . هانکین از مشاهدات متنوع خود نتیجه می گیرد که پرواز گشوده بال پرندگان را نمی توان با ستون های بالا رونده هوا تبیین کرد . در واقع معلوم شده است که ساز و کار ( مکانیسم ) این پدیده بسیار پیچیده تر است. 

در این رابطه هنگامی که نور خورشید به زمین می تابد انرژی جذب شده به گرما تبدیل می شود و دمای سطح زمین افزایش پیدا می کند . لایه هوای مجاور سطح زمین گرم می شود و چگالی آن نسبت به لایه بالاتر کمتر می شود . هنگامی که این لایه ، که معمولا همراه با بادهای معمولی روی سطح زمین و به آرامی حرکت می کند ، نرمتر و نمناک‌تر شده ، تعادل آن ناپایدار می شود . بالاخره نوعی کنش راه‌انداز ، مانند گرمای زیاد موضعی در قسمتی از لایه ، تعادل آنرا بر هم می زند و هوای گرم به داخل هوای سرد لایه بالاتر نفوذ می کند . با جریان بیشتر هوا از لایه گرم ، این برآمدگی نفوذی به سرعت بزرگ می شود و حباب بزرگی از هوای گرم را تشکیل می دهد . به محض آنکه لایه هوای گرم تمام شد ، هوای سرد جای آنرا می گیرد و حباب را تحت فشار منگنه‌ای قرار می دهد . در اثر این فشار ، حباب شروع به بالا رفتن می کند و همراه با باد مثل بادبادک آزاد شده به حرکت در می آید . در واقع در روزهای آفتابی ، سطح زمین به ته یک کتری آب جوشان شباهت دارد . بالا آمدن توده های هوای شناور درست مثل حبابهای بخار است که از نقاط مختلف کتری و دقیقا به همان دلایل بالا می آید . همچنان که حبابها بالا می روند ، در محلی که سرعت حبابها متفاوت می شود ( اینجا همان مرز بین توده شناور و هوای نسبتا آرام خارج ار آن است ) ، لایه ای خاص و برشی ایجاد می شود . این لایه هوای متلاطم از خودش واکنش نشان می دهد و سرانجام به صورت حلقه گردابی بزرگ در می آید. 

تاثیر افزایش ارتفاع و کاهش فشار بر بدن انسان:

 ترکیب دمای کم و وزش بادهای زیاد در ارتفاع، خطر جدی در مورد اختلالات مربوط به سرما مانند هیپوترمی به همراه دارد. همچنین به علت سردی هوا در ارتفاع، رطوبت مطلق آن نیز بسیار کم است. هوای سرد، آب بسیار کمی را در خود نگه می دارد. بنابراین حتی اگر هوا کاملاً از آب اشباع شده باشد (رطوبت نسبی 100%) بازهم مقدار آب واقعی که در آن وجود دارد ناچیز است. فشار سهمی آب در دمای 20 درجه سانتیگراد حدود 17 میلیمتر جیوه است. رطوبت خیلی کم در ارتفاعات بالا از دست دادن آب بدن را سرعت می بخشد. در واقع حجم زیادی از آب بدن، به طور نامحسوس و به علت تبخیر تنفسی در هوای خشک از دست داده می شود. افزایش میزان تنفس در ارتفاع نیز مزید بر علت قبلی شده و موجب کاهش بیشتر آب بدن از این طریق می گردد. هوای خشک همچنین تبخیر آب از طریق عرق ریزی به هنگام فعالیت را افزایش می دهد.

مقایسه ارتفاع و رطوبت نسبی هوا در دو شهر مختلف ایران:  

تهران: ارتفاع شهر در بلندترین نقاط شمال به ۲۰۰۰ متر و در جنوبی‌ترین نقاط به ۱۰۵۰ متر از سطح دریا می‌رسد.  ارتفاع کنونی تهران از سطح دریا در حدود ۹۰۰ تا ۱۸۰۰ متر است. در میدان تجریش ارتفاع حدود ۱۳۰۰ متر و در میدان راه‌آهن ۱۱۰۰ متر بالاتر از سطح دریا می‌باشد. 

میانگین 1،368 متر 

 در یک دوره ۴۵ ساله بیشترین دمای تهران ۴۳ درجه سلسیوس و کمترین دمای آن ۱۵- درجه سلسیوس گزارش شده‌است. میانگین رطوبت نسبی هوا در تهران ۴۰٪ و در شمیران ۴۶٪ بوده‌است. میانگین تغییرات ماهانه رطوبت نسبی کمینه و بیشینه در ایستگاه مهرآباد تهران نشان می دهد رطوبت نسبی در ایام صبگاهی بین حداقل 38درصد تا حداکثر 79 درصد به ترتیب در ماه های تیر و دی نوسان دارد. این تغییرات در مورد رطوبت نسبی نیمروزی بین 15 درصد در خردادماه تا 47 درصد در دی ماه متغیر است.

گرگان: ارتفاع از سطح دریا بین 120 تا 180 متر و بور میانگین 155 متر است. 

رطوبت نسبی، بالاترین آن در ماههای فروردین، آبان ، و بهمن رقم می خورد که بستگی به شرایط جوی هر سال متغیر بوده و اصولا بالای ۸۵درصد می باشد. 

نتایج یک تحقیق از مقایسه دو شهر گرگان و یزد: در ماههای گرم سال(از تیر تا شهریورماه)خطر وقوع گرمازدگی،افتابزدگی و احساس ناراحتی برای انسان در شهر گرگان به‌طور بالقوه بیشتر از یزد می‌باشد.همچنین مشخص شد برای‌ مواقعی که دمای هوا در این دو شهر به مرز 40 درجه سانتیگراد نزدیک می‌گردد احساس ناراحتی در شهر گرگان خیلی بیش از یزد می‌باشد.

مطالب فوق از سایتها و وبلاگهای مختلف فارسی زبان نت جمع آوری شده است که ذکر همه منابع مقدور نیست. 

منبع مقاله مکانیسم پرواز پرندگان: سایت پرندگان ایران