مراجعة - بالون عند الإطلاق

بالونات الطقس ومشكلة الهيليوم

مرتين يوميًا، وفي اللحظة نفسها حول العالم، تُطلق نحو 900 محطة أرصاد جوية بالونًا. يحمل كل بالون صندوقًا صغيرًا من الأجهزة، وهو مسبار لاسلكي، يرسل لاسلكيًا درجة حرارة الهواء وضغطه ورطوبته أثناء صعوده. وتُستخدم هذه الأرقام في كل توقعات الطقس التي تقرؤها.

يُصنع بالون الطقس من مطاط رقيق. عند سطح الأرض يُملأ بنحو 2,500 L من الغاز، ليصبح كرة يبلغ قطرها نحو 1.7 m. ومع ارتفاعه، يصبح الهواء المحيط به أقل كثافة وينخفض الضغط الخارجي، فيتمدّد الغاز داخله وينتفخ البالون. ويكون الجو شديد البرودة أيضًا في الطبقات العليا، ما يؤدي إلى انكماش الغاز قليلًا، لكن انخفاض الضغط يتغلب على ذلك بفارق كبير. وعلى ارتفاع نحو 30 km فوق سطح الأرض، يكبر البالون ليبلغ قطره ستة أو سبعة أمتار، فيتمزق المطاط، ويسقط المسبار اللاسلكي عائدًا إلى الأرض بمظلة صغيرة.

الهيليوم نفسه عند سطح الأرض وفي الطبقات العليا: تصادمات أقل في الخارج، لذا ينتفخ البالون

يجب أن يكون الغاز داخل البالون أخف من الهواء. الهيدروجين أخف الغازات على الإطلاق، كما أنه رخيص: تنتجه بعض المحطات في الموقع بفصل الماء باستخدام الكهرباء، 2H₂O → 2H₂ + O₂. لكن الهيدروجين قابل للاحتراق، وقد يؤدي تسربه قرب شرارة إلى نشوب حريق. لذلك تستخدم معظم المحطات الهيليوم، وهو غاز نبيل لا يتفاعل إطلاقًا.

للهيليوم مشكلة خاصة به. تكوّن هيليوم الأرض ببطء، على مدى ملايين السنين، نتيجة اضمحلال ألفا لليورانيوم والثوريوم في الصخور، ويُجمع من آبار الغاز الطبيعي. وما إن يُطلق في الهواء حتى يرتفع، وهو خفيف إلى درجة تجعله يتسرب ببطء إلى الفضاء. وتحتاجه المستشفيات لتبريد مغناطيسات أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، وقد ارتفع سعره بشدة في سنوات النقص. وقد عادت خدمات الأرصاد الجوية في عدة بلدان بالفعل إلى استخدام الهيدروجين في بعض عمليات الإطلاق، باستخدام أجهزة إطلاق آلية تُبقي الناس بعيدًا عن الغاز.

احسب كتلة الهيليوم، $m$، في بالون مملوء بـ 2,500 L من الهيليوم في الظروف المحيطة (He, 4 g/mol). افترض أن 1 mol من الغاز يشغل 25 L في الظروف المحيطة.