1- مقدمه: 

بارندگی را می‌توان مهم‌ترین عاملی دانست که بطور مستقیم در چرخه هیدرولوژی دخالت دارد. در اینجا منظور از بارندگی کلیه نزولات جوی است که به سطح زمین وارد می‌شوند. از زمانی که یک قطره باران در هوا تشکیل می‌شود تا موقعی که به زمین می‌رسد پدیده‌هایی رخ می‌دهد که بیشتر در قلمرو علم هوا‌شناسی است اما هنگامی که به سطح زمین رسید به عنوان اساسی‌ترین عنصر چرخه هیدرولوژی به حساب می‌آید. هرچند رطوبت موجود در هوا به لحاظ کمی در مقایسه با کل آب موجود در جهان زیاد نیست اما از نظر تأمین آب قابل تجدید، مهم‌ترین منبع حیاتی برای بشر به شمار می‌روند. زیرا بارندگی در واقع تراکم و میعان ذرات ریز بخار آب موجود در هوا می‌باشد که به صورت باران، برف و یا امثال آن به زمین می‌رسد. 

۲- تراکم رطوبت: تراکم رطوبت به عنوان فرایندی که عکس تبخیر می‌باشد در نظر گرفته می‌شود. شکلهای مختلف میعان یا تراکم رطوبت، بسیاری از پدیده‌های زیبای هوا‌شناختی را تشکیل می‌دهند

زیرا قبل از هرگونه بارندگی باید تراکم رطوبت به شکل ابر صورت گیرد. هنگامی که دمای هوا کمتر از دمای نقطه شبنم شود تراکم یا میعان (condensation) اتفاق می‌افتد و بخشی از بخار آب موجود در هوا به صورت مایع در می‌آید. وقتی دمای هوا به کمتر از نقطه انجماد برسد، بخار آب مستقیماً به یخ تبدیل می‌گردد که این فرآیند تصعید نام دارد (این عبارت به تبدیل مستقیم یخ به بخار آب نیز گفته می‌شود). 

گرچه هوا ممکن است از طریق افزایش بخارآب نیز اشباع گردد، مثل هوای بالای سطح دریا و یا وضعیت هوا در زمان ریزش برف و باران، اما معمولاً اشباع شدن هوا در اثر کاهش دما صورت می‌گیرد. حداقل دو شرط برای تراکم رطوبت وجود دارد: 

۱) دما باید به زیر نقطه شبنم برسد

۲) هسته‌های تراکم (nuclei) در هوا وجود داشته باشد

شرط اول کاملاً روشن است اما شرط دوم کمی ظریف به نظر می‌رسد. می‌دانیم تراکم به شکل قطرات کوچک آب صورت می‌گیرد و تمایل ذرات آب برای فرار از سطح آب، فشار بخار نامیده می‌شود. فشار بخار روی قطرات کروی شکل با شعاع آن نسبت معکوس دارد. با توجه به این موضوع، با کاهش قطر یک قطره، فشار بخار در سطح آن بیشتر می‌شود و اگر قطره آب خیلی کوچک باشد به محض تشکیل تبخیر می‌گردد. بنابراین برای اینکه قطر قطرات از حد معینی کوچک نشود یک ذره جامد با قطر کافی باید در هوا وجود داشته باشد تا قطره آب در اطراف آن تشکیل و در اثر تبخیر از بین نرود، این ذره جامد را هسته تراکم گویند. از طرف دیگر هسته‌های تراکم باید قابلیت جذب آب را داشته، یعنی آبدوست (hygroscopic) باشند. اگر هوا خالص می‌بود عمل تقطیر به سختی و فقط زمانی صورت می‌گرفت که هوا بیش از حد اشباع و بیش از اندازه سرد می‌شد. اما وجود همین ذرات ناخالص که به آن‌ها هستک با آئروسل (aerosol) هم گفته می‌شود باعث می‌گردد تا در شرایط اشباع معمولی نیز بخار آب در اطراف این ذرات تقطیر شود، زیرا این ذرات اصولاً آبدوست بوده و بخار آب را دور خود جمع می‌کنند. در این مورد اینکه تقطیر در اطراف هستک‌ها چگونه شکل می‌گیرند مطالعات زیادی صورت گرفته است. در این رابطه دو نوع هستک در هوا وجود دارد که عبارتند از ذرات رطوبت و ذرات غیرجاذب رطوبت. 

ذرات جاذب رطوبت یا هیگروسکوپیک (hygroscopic) تمایل شدیدی به جذب آب دارند و بخار آب را به سرعت به خود جذب می‌کنند، بطوریکه قبل از آنکه هوا به حد اشباع برسد عمل تقطیر در اطراف این گونه هستک‌ها شروع و قطرات ریز آب بوجود می‌آید. از این نوع هستک‌ها می‌توان ذرات نمک موجود در هوا را نام برد که منشا آن‌ها یا اقیانوسهاست که در اثر امواج به فضا پرتاب می‌شوند، و یا کویرهاست که همراه با باد به بالا رانده می‌شوند. مقدار نمک در هوای روی دریا‌ها بیشتر بوده و هر چه به طرف خشکی‌ها پیش رویم از مقدار آن کاسته می‌شود. 

این ذرات که غیر هیگروسکوپیک (non-hygroscopic) نام دارند تمایل چندانی به جذب بخار آب ندارند و عمل تقطیر در اطراف آن‌ها فقط زمانی صورت می‌گیرد که هوا بیش از حد از بخار آب اشباع شده باشد. از این گونه ذرات می‌توان گرد و غبار معمولی و ذرات مواد آلی را نام برد که همراه با باد از سطح زمین به فضا برده می‌شوند. 

هستکهایی که عمل تقطیر در اطراف آن‌ها صورت می‌گیرد از نظر اندازه بین ۰۰۱/۰ تا ۱۰ میکرون قطر دارند. تعداد آن‌ها در هر سانتی متر مکعب هوا نیز متفاوت است. بطوری که در بعضی شرایط ممکن است در یک سانتی متر مکعب هوا بیش از ۴۰۰۰۰ هستک و در حالات دیگر در هر سانتی متر مکعب فقط یک هستک بزرگ وجود داشته باشد. 

در فرآیند تصعید، بخار آب بدون اینکه از مرحلهُ میعان بگذرد مستقیماّ به یخ تبدیل می‌شود. در این فرآیند، ذرات گرد و غبار معدنی غیر جاذب رطوبت نقش مهمی دارند. ذراتی که شکل کریستالی آن‌ها شبیه یخ است مهم‌ترین نقش را در تصعید ایفا می‌کنند. از این اصل در استفاده از یدور نقطه (AgI) برای افزایش تصعید یخ، بارور کردن ابر‌ها و در باران سازی مصنوعی استفاده می‌شود. زیرا بلورهای یدور نقره شبیه بلورهای یخ می‌باشند. مشاهداتی که در مناطق سرد ارتفعات بالا انجام شده، نشان داده است که آب می‌تواند در دماهای پایین (تا حدود ۴۰- درجه سلسیوس) نیز به صورت مایع باقی بماند. دلیل وجودی این آب فوق سرد، به وجود هسته‌های بلور ساز نسبت داده شده است. شکلهای معمولی تراکم رطوبت شامل شبنم، برفک، مه و ابر می‌باشد. 

۳- قرآن و تراکم رطوبت

تازه‌ترین تحقیقات که درباره ابر‌ها صورت گرفته است نشان داده که ابر‌ها را نوعی از باد‌ها پراکنده می‌کنند و برمی‌انگیزند و برای عمل موردنظر آماده می‌سازند. منجمان پی برده‌اند که باد‌ها، ابر‌ها را از بخار آب متصاعد شده دریا‌ها و گرد و خاک به وجود می‌آورند، و دانسته‌اند که باد‌ها ذرات نمک دریا‌ها و اقیانوس‌ها، ذرات گردوخاک و دانه-های بارورکننده و دود را با خود حمل می‌کنند، سپس بخار آب متصاعد شده توسط این ذرات آبستن می‌شود و یک پوشش آبی را بوجود می‌آورد که رشد می‌کند و بعد از آن به قطرات ریز باران تبدیل می‌شود. این چیزی است که خداوند برانگیختن و پراکنده کردن ابر‌ها را به وسیله باد‌ها در قرآن بیان نموده است، می‌فرماید: 

وَ أَرْسَلْنَا الرِّیاحَ لَواقِحَ فَأَنْزَلْنا مِنَ السَّماءِ ماءً فَأَسْقَیْناکُمُوهُ وَ ما أَنْتُمْ لَهُ بِخازِنینَ (سوره حجر/ آیه۲۲) 

و ما باد‌ها را برای بارور ساختن (ابر‌ها و گیاهان) فرستادیم؛ و از آسمان آبی نازل کردیم، و شما را با آن سیراب ساختیم؛ در حالی که شما توانایی حفظ و نگهداری آن را نداشتید! 

همچنین قرآن بیان نموده است که باد‌ها، ابرهای باردار (سَحابًا ثِقالاً) را بر می‌انگیزند و به طرف بالا سوق می‌دهند. خداوند می‌فرماید: 

 وَ هُوَ الَّذی یُرْسِلُ الرِّیاحَ بُشْرًا بَیْنَ یَدَیْ رَحْمَتِهِ حَتّی إِذا أَقَلَّتْ سَحابًا ثِقالاً سُقْناهُ لِبَلَدٍ مَیِّتٍ فَأَنْزَلْنا بِهِ الْماءَ فَأَخْرَجْنا بِهِ مِنْ کُلِّ الثَّمَراتِ کَذلِکَ نُخْرِجُ الْمَوْتی لَعَلَّکُمْ تَذَکَّرُونَ (سوره اعراف/آیه۵۷) 

او کسی است که باد‌ها را بشارت دهنده در پیشاپیش (باران) رحمتش می‌‏فرستد؛ تا ابرهای سنگین ‏بار را (بر دوش) کشند؛ (سپس) ما آن‌ها را به سوی زمینهای مرده می‌‏فرستیم؛ و به وسیله آن‌ها، آب (حیاتبخش) را نازل می‌‏کنیم؛ و با آن، از هرگونه میوه‏ای (از خاک تیره) بیرون می‌‏آوریم؛ این گونه (که زمینهای مرده را زنده کردیم،) مردگان را (نیز در قیامت) زنده می‌‏کنیم، شاید (با توجه به این مثال) متذکّر شوید! 

در آیه فوق بیان می‌کند که بادهای رحمت را مسخر نمودیم تا ابر‌ها را آبستن و بارور نماید، همانطور که جنس نر ماده را بارور و آبستن می‌کند و از این تلقیح به حکم خدا آب پدید می‌آید و خداوند آن را به بندگان و چهارپایان و زمین می‌نوشاند و قسمتی از آن به خاطر رفع نیازهای آنان و به اقتضای رحمت و قدرت الهی در زمین ذخیره می‌شود. 

در این آیه اشاره شده است که اولین مرحله شکل گیری باران، باد می‌باشد. تا ابتدای قرن ۲۰ تنها رابطه شناخته شده بین باد و باران این بود که باد ابر‌ها را حرکت می‌دهد. ولی اکنون علم هوا‌شناسی نقش باروری باد‌ها را در تشکیل باران نشان داده است. نقش باروری باد‌ها به صورت زیر است که بر روی سطح اقیانوس‌ها و دریا‌ها به خاطر برخورد جریان‌های آب، حباب‌هایی تشکیل می‌شود. وقتی این حباب‌ها می‌ترکند هزاران ذره با قطری معادل یک صدم میلیم‌تر به هوا پرتاب می‌گردند. این ذرات که آئروسل (aerosols) نامیده می‌شوند با گرد وغبار آورده شده توسط باد‌ها ترکیب می‌شوند و به لایه‌های بالا‌تر جو برده می‌شوند. این ذرات که توسط باد به ارتفاعات بالا برده شده‌اند با بخار آب ترکیب می‌شوند. بخار آب در اطراف این ذرات متراکم می‌شود و به قطره‌های کوچک آب تبدیل می‌گردد. این قطره‌های کوچک آب در کنار هم تشکیل ابر می‌دهند و به صورت باران فرود می‌آیند. 

همان طور که دیدیم، باد ذرات بخار آب را در هوا بارور می‌کند و در ‌‌نهایت به شکل گیری ابر‌ها کمک می‌کند. اگر باد چنین خاصیتی نداشت، ذرات کوچک آب در ارتفاعات بالا شکل نمی‌گرفتند و باران ایجاد نمی‌شد. 

نکته در اینجا آن است که نقش حیاتی باد‌ها در تشکیل باران قرن‌ها قبل در قرآن اشاره شده است و در آن زمان مردم اطلاع بسیار کمی در مورد پدیده‌های طبیعی داشتند. 

۴- تشکیل ابرهای باران زا

طی مطالعه‌ای که دانشمندان روی ابر‌ها انجام داده‌اند به این نتیجه رسیده‌اند که ابرهای باران زا با طی سلسله مراحل خاص و شیوه‌ای مشخص، تشکیل می‌شوند و شکل گیری و ایجاد ابرهای باران زا نیاز به انواع خاصی باد و ابر دارد. 

یکی از انواع ابرهای باران زا که معمولاً با رعد و برق همراه است کومولونیمبوس است. (شکل۱) 

هوا‌شناسان در مورد تشکیل ابر کومولونیمبوس مطالعه کرده‌اند تا نحوه تولید و ایجاد باران، تگرگ، برق (نور) را بیابند. یافته‌ها نشان می‌دهد که کومولونیمبوس طی مراحل زیر باران ایجاد می‌کند: 

شکل۲: مرحله۱ (حرکت ابر‌ها) – مرحله۲ (اتصال ابر‌ها) – مرحله۳ (تراکم و انبوه شدن) 

۱ـ حرکت ابر‌ها: ابتدا ابر‌ها با نیروی باد به حرکت در می‌آیند، قطعه‌های پراکنده و کوچک که کومولوس نام دارند با نیروی باد به یکدیگر فشرده شده و در یک منطقه تجمع می‌یابند و ابرهای کومولونیموس را می‌سازند. 

۲ـ اتصال: ابرهای کوچک‌تر به یکدیگر متصل و ابرهای بزرگ‌تر را تشکیل می‌دهند. 

۳ـ تراکم و انبوه شدن: وقتی ابرهای کوچک‌تر به هم می‌پیوندند و ابرهای بزرگ‌تر را می‌سازند در ابرهای بزرگ حرکت و رشد عمودی به سمت بالا صورت گرفته که این پدیده در مرکز ابر‌ها بیشتر از لبه‌ها و کناره‌های آن رخ می‌دهد و بعد از این رشد رو به بالا موجب کشیده شدن توده ابر به بالا و رسیدن به ناحیه سرد‌تر اتمسفر (جو) که محل تشکیل قطره‌های آب و تگرگ است می‌شود. و قطره‌های آب و تگرگ، بزرگ‌تر و سنگین‌تر شده و حرکت رو به بالای آن‌ها متوقف می‌شود و به صورت قطره‌های باران و تگرگ فرود می‌آیند. 

نحوه تشکیل ابرهای باران‌ زا و بارش باران در قرآن کریم به این صورت بیان شده است: 

 أَلَمْ تَرَ أَنَّ اللَّهَ یُزْجِی سَحَابًا ثُمَّ یُؤَلِّفُ بَیْنَهُ ثُمَّ یَجْعَلُهُ رُکَامًا فَتَرَى الْوَدْقَ یَخْرُجُ مِنْ خِلَالِهِ وَیُنَزِّلُ مِنَ السَّمَاءِ مِنْ جِبَالٍ فِیهَا مِنْ بَرَدٍ فَیُصِیبُ بِهِ مَنْ یَشَاءُ وَیَصْرِفُهُ عَنْ مَنْ یَشَاءُ یَکَادُ سَنَا بَرْقِهِ یَذْهَبُ بِالْأَبْصَارِ (سوره نور ـ آیه ۴۳)

آیا ندانسته‏اى که خدا ابرى را [به آرامى] مى‏راند، آن‌گاه میان [اجزاى] آن پیوند برقرار مى‏کند، سپس آن را انبوه و متراکم مى‏سازد، پس مى‏بینى که باران از لابلاى آن بیرون مى‏آید، و از آسمان از کوه‏هایى که در آن ابر یخ‏زده است، تگرگى فرو مى‏ریزد، نهایتاً آسیب آن را به هر که بخواهد مى‏رساند، و از هر که بخواهد برطرف مى‏کند، نزدیک است درخشندگى برقش دیده‏‌ها را کور کند

متئورولوژیست‌ها (هوا‌شناسان) تنها در دهه‌های اخیر با کمک وسایل پیشرفته مانند هواپیما، ماهواره، کامپیو‌تر و... به مطالعه باد‌ها، جهت آن‌ها و اندازه گیری رطوبت، تغییرات آن رطوبت، تعیین سطح فشار اتمسفر، تغییرات آن پرداخته و به جزئیات شکل گیری ابر‌ها و ساختمان و نحوه عمل ابر‌ها پی برده‌اند. 

آیه مذکور پس از باران و ابر در مورد تگرگ و برق صحبت می‌کند: 

خداوند از کوههای آسمان (ابر) تگرگ فرو ریزد که به هر که خدا خواهد اصابت کند و از هر که خواهد باز دارد و روشنی برق چنان بتابد که خواهد روشنی دیده‌ها را از بین ببرد. 

متئورولوژیست‌ها (هوا‌شناسان) دریافته‌اند که ابرهای کومولونیمبوس که حامل تگرگ هستند تا ارتفاع ۲۵۰۰۰ الی ۳۰۰۰۰ پا (فوت) (۷/۴ـ۷/ ۵مایل) می‌رسند شبیه رشته کوههایی مانند آنچه در قرآن آمده: «او تگرگ را از رشته کوههای (ابرهای حجیم و پر ارتفاع) در دل اسمان فرو فرستاد. »

حال این سوال مطرح می‌شود که چرا در این آیه گفته شده «برق و نورش»؟ و منظور اینکه برق و نور به تگرگ نسبت داده شده چه می‌تواند باشد؟ آیا به این معنی است که تگرگ عامل مهم تولید برق است؟ اجازه دهید آنچه در کتاب «مترولوژی امروز» هوا‌شناسی گفته شده را ذکر کنیم. همین که تگرگ از قسمت سرد و یخچالی ابر فرو می‌ریزد یعنی‌‌ همان جایی که بلورهای یخ در آن تشکیل می‌شود، ابر‌ها باردار می‌شوند و قطره‌های آب با تگرگ به هم برخورد کرده یخ می‌زنند و باقی مانده گرمای خود را از دست می‌دهند. سطح تگرگ گرم‌تر از اطراف خود بلور است. وقتی تگرگ با بلور یخ مجاور و مماس می‌شود یک پدیده مهم رخ می‌دهد. کلاً الکترون‌ها همیشه از ناحیه سرد‌تر به نقطه گرم‌تر حرکت می‌کند. در همین حال وقتی قطره‌های خیلی سرد و یخ زده در تماس با یک دانه تگرگ قرار می‌گیرند همین پدیده رخ می‌دهد و از این رو تگرگ‌ها بار منفی گرفته و قطرات بسیار سرد یخ بار مثبت می‌گیرند و در برخورد با تگرگ خرد و متلاشی می‌شوند حال ذرات خرده شده یخ سبک‌تر شده و به لایه‌های بالایی ابر صعود می‌کنند و تگرگ با بار منفی باقی مانده و در لایه‌های زیرین و بستر ابر قرار می‌گیرد. بنابراین لایه‌های زیرین ابر کلاً دارای بار منفی بوده و سپس این بار منفی به صورت برق به زمین تخلیه می‌گردد. 

نتیجه می‌گیریم که تگرگ نقش مهمی در تولید و ایجاد برق دارد. 

کل این اطلاعات در سالهای اخیر بدست آمده است اصولاً تا ۱۶۰۰ بعد از میلاد نظرات ارسطو در هوا‌شناسی (مترولوژی) مطرح و غالب بوده است، مثلاً او معتقد بود که اتمسفر دارای دو نوع هوا است، هوای مرطوب و هوای خشک و رعد صدای حاصل از برخورد هوای خشک با ابرهای مجاور را می‌دانست و برق و نور را حاصل از شعله ور شدن و سوختن هوای خشک با شعله ضعیف و نازک تعریف می‌کرد و این‌ها عقاید هوا‌شناسی بود که در ۱۴۰۰ سال پیش یعنی زمان نزول قرآن مطرح و غالب بود. 

*کار‌شناسی ارشد مهندسی آب – kbadfar@gmail.com

منابع و مآخذ: 

۱- علیزاده، امین، اصول هیدرولوزی کاربردی، دانشگاه امام رضا، ۱۳۸۱

۲- الزندانی، عبدالمجید، کمال روحانی (مترجم)، براهینی بر یکتاپرستی، نشر احسان، ۱۳۸۱

۳- یحیی، هارون، معجزات علمی قرآن

4- Quran on Formation of Clouds and Rain، itistruth.com

5- John H. Seinfeld، marine، aerosols: hygroscopocity and Aerosol-Cloud Relationships، ONR Grant N۰۰۱۴-۱۰-۱-۰۲۰۰، October! ، ۲۰۰۹