"لقد جلب الفائزان بجائزة نوبل مانابا وهاسلمان فائدة هائلة للبشرية من خلال توفير أساس مادي متين لفهمنا للمناخ"

هكذا لخص أعضاء لجنة جائزة نوبل للفيزياء قرارهم للاثنين اللذين طورا النماذج المناخية للأرض وفازا معا بنصف جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2020

شرح يسهل الوصول إليه للعلم وراء جائزة نوبل في الفيزياء التي فاز بها سيوكورو مانابا من جامعة برينستون وكلاوس هاسيلمان من معهد ماكس بلانك الذي أتقن النماذج المناخية كما نُشرت على الموقع الإلكتروني لجائزة نوبل. ترجمة: د. موشيه نحماني.

إن ظاهرة الاحتباس الحراري ضرورية للحياة ولكن الكثير ليس جيدًا أيضًا

قبل مائتي عام، قام الفيزيائي الفرنسي جوزيف فورييه بدراسة توازن الطاقة بين الإشعاع الشمسي الواصل إلى الأرض والإشعاع المنعكس من الأرض. لقد فهم دور الغلاف الجوي في هذا التوازن: على سطح الأرض يتحول الإشعاع القادم من الشمس إلى إشعاع منعكس - "حرارة داكنة" - يمتصه الغلاف الجوي، وبالتالي يسبب تسخينه. يسمى الدور الوقائي للغلاف الجوي الآن بتأثير الاحتباس الحراري. وقد اشتق هذا الاسم من تشابهها مع الألواح الزجاجية الموجودة في البيوت البلاستيكية، وهي الألواح التي تسمح لأشعة الشمس باختراق المحتويات واحتجاز الحرارة في المحتويات. ومع ذلك، فإن العمليات الإشعاعية في الغلاف الجوي أكثر تعقيدًا بكثير.

تبقى المهمة التي كانت أمام فورييه هي فحص التوازن بين الإشعاع الشمسي قصير الموجة القادم نحو نجمنا والأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة المنبعثة من سطح الأرض. وقد تم جمع تفاصيل هذه الآلية على مدى القرنين الماضيين من قبل العديد من علماء المناخ الجيدين. لقد أصبحت النماذج المعاصرة لوصف المناخ أدوات قوية على نحو متزايد، ليس فقط لفهم المناخ، بل وأيضاً لفهم المساهمة في الانحباس الحراري العالمي التي يتحمل البشر المسؤولية عنها.

وتعتمد هذه النماذج على قوانين الفيزياء وتم تطويرها من النماذج التي كانت تستخدم في الماضي للتنبؤ بالطقس. يتم وصف الطقس من خلال مؤشرات الأرصاد الجوية مثل درجة الحرارة أو هطول الأمطار أو الرياح أو السحب، ويتأثر بالظواهر التي تحدث في المحيطات وعلى الأرض. تعتمد نماذج وصف المناخ على مؤشرات إحصائية محسوبة للطقس، مثل القيم المتوسطة، والانحرافات المعيارية، والقيم المقاسة القصوى والدنيا، وما إلى ذلك. هذه المؤشرات غير قادرة على إخبارنا كيف سيكون الطقس في ستوكهولم في 10 ديسمبر من العام المقبل، ومع ذلك، يمكننا الحصول على فكرة عن متوسط ​​درجة الحرارة المتوقعة أو هطول الأمطار في ستوكهولم في ديسمبر.   

"هل ترتفع حرارة الأرض؟ نعم. هل السبب هو تزايد كميات الغازات الدفيئة في الغلاف الجوي؟ نعم. فهل يمكن تفسير ذلك بالعوامل الطبيعية فقط؟ لا. هل الانبعاثات البشرية هي سبب ارتفاع درجة الحرارة؟ نعم."

تحديد دور ثاني أكسيد الكربون

إن ظاهرة الاحتباس الحراري ضرورية للحياة على الأرض. فهو يتحكم في درجة الحرارة لأن الغازات الدفيئة الموجودة في الغلاف الجوي - ثاني أكسيد الكربون والميثان وبخار الماء والغازات الأخرى - تمتص في البداية الأشعة تحت الحمراء من الأرض ثم تطلقها، مما يؤدي إلى تسخين الهواء المحيط والأرض أدناه.

في الواقع، لا تشكل الغازات الدفيئة سوى جزء صغير من الغلاف الجوي الجاف للأرض، والذي يتكون في معظمه من النيتروجين والأكسجين (99 بالمائة من حيث الحجم). يشكل ثاني أكسيد الكربون 0.04 بالمائة فقط من حيث الحجم. وأهم الغازات الدفيئة هو بخار الماء، ولكننا لا نستطيع التحكم في تركيز بخار الماء في الغلاف الجوي، بينما نستطيع التحكم في مستويات ثاني أكسيد الكربون.

تعتمد كمية بخار الماء في الغلاف الجوي بشكل كبير على درجة الحرارة، وهي حقيقة تؤدي إلى آلية إعادة التغذية. إن وجود كمية أكبر من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يؤدي إلى تسخينه بشكل أكبر، وهي حقيقة تسمح ببقاء كمية أكبر من بخار الماء في الغلاف الجوي، وهي حقيقة تزيد من ظاهرة الاحتباس الحراري وتتسبب في ارتفاع درجة الحرارة بشكل أكبر. إذا انخفض مستوى ثاني أكسيد الكربون، فسوف يتكثف بعض بخار الماء وتنخفض درجة الحرارة.

الجزء الأول والمهم من هذه الإضافة فيما يتعلق بتأثير ثاني أكسيد الكربون جاء من الباحث السويدي الحائز على جائزة نوبل سفانتي أرينيوس. ومن قبيل الصدفة تمامًا، كان زميله عالم الأرصاد الجوية نيلس جوستاف إيكهولم (نيلس إيكهولم) هو أول من استخدم كلمة "الدفيئة" في عام 1901 كجزء من وصف قدرة الغلاف الجوي على تخزين الحرارة وانبعاثها.

لقد فهم أرهينيوس الفيزياء المسؤولة عن ظاهرة الاحتباس الحراري بالفعل في نهاية القرن التاسع عشر - وهي أن الإشعاع المنبعث يرتبط بدرجة الحرارة المطلقة لجسم الإشعاع (T) مرفوعًا للقوة الرابعة (⁴ت). كلما كان مصدر الإشعاع أكثر سخونة، كلما كانت الأطوال الموجية للإشعاع أقصر. تبلغ درجة حرارة سطح الشمس ستة آلاف درجة مئوية، وتصدر بشكل رئيسي أشعة ذات أطوال موجية من الضوء المرئي. فالأرض التي تبلغ درجة حرارة سطحها حوالي خمسة عشر درجة مئوية فقط، تعكس إشعاعات في نطاق الأشعة تحت الحمراء التي لا ترى بالعين المجردة. ولو لم يمتص الغلاف الجوي هذه الإشعاعات لبلغت درجة حرارة سطح الأرض ثمانية عشر درجة تحت الصفر فقط.  

كان أرهينيوس يحاول في الواقع فهم سبب ظاهرة العصور الجليدية المكتشفة مؤخرًا. وخلص إلى أنه لو كان تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي نصف ذلك لكان كافيا لدخول الأرض في عصر جليدي جديد. والعكس صحيح ـ فمضاعفة كمية ثاني أكسيد الكربون من شأنها أن تؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة بمقدار خمس أو ست درجات مئوية، وهي النتيجة التي تقترب إلى حد كبير من التقديرات الحالية.

النموذج الرائد لتأثير ثاني أكسيد الكربون

في خمسينيات القرن الماضي، كان عالم فيزياء الغلاف الجوي الياباني سوكورو مانابي أحد الباحثين الشباب والموهوبين في طوكيو الذين غادروا اليابان وواصلوا مسيرته العلمية في الولايات المتحدة. كان الهدف من بحث مانابا، مثل بحث أرهينيوس قبل حوالي سبعين عامًا، هو فهم كيف يمكن أن تؤدي المستويات المرتفعة من ثاني أكسيد الكربون إلى ارتفاع درجات الحرارة. ومع ذلك، بينما ركز أرهينيوس على التوازن الإشعاعي، عمل مانابا في الستينيات على تطوير نماذج فيزيائية تتضمن النقل الرأسي للهواء بسبب تأثير الحمل الحراري، وكذلك حرارة بخار الماء.

ومن أجل أخذ هذه الحسابات في الاعتبار، اختار تقليل النموذج إلى بعد واحد - عمود رأسي، يرتفع إلى ارتفاع أربعين كيلومترًا في الغلاف الجوي. ومع ذلك، فقد استغرق الأمر مئات الساعات الحسابية الباهظة الثمن لاختبار النموذج عن طريق تغيير تركيزات الغازات في الغلاف الجوي. كان للأكسجين والنيتروجين تأثير ضئيل على درجة حرارة التربة، في حين كان لثاني أكسيد الكربون تأثير كبير: فعندما تضاعف مستوى ثاني أكسيد الكربون، ارتفعت درجة الحرارة الإجمالية بمقدار درجتين مئويتين.

نموذج مناخ مانابا

أثبت نموذج مانابي أن هذا الاحترار كان بالفعل بسبب زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون، حيث تنبأ بارتفاع درجات الحرارة بالقرب من الأرض بينما أصبح الجزء العلوي من الغلاف الجوي أكثر برودة. وإذا كانت التغيرات في الإشعاع الشمسي هي المسؤولة عن زيادة درجة الحرارة، فإن الغلاف الجوي ككل (أجزائه السفلية والعلوية) سوف يسخن في وقت واحد.

قبل ستين عامًا، كانت أجهزة الكمبيوتر أبطأ بمئات الآلاف من المرات مما هي عليه اليوم، لذلك كان هذا النموذج بسيطًا للغاية، لكن مانابا كان على حق بشأن الميزات المهمة. يقول: عليك دائمًا أن تحكم على الأشياء. من المستحيل التنافس مع تعقيد الطبيعة - حيث ترتبط العديد من قوانين الفيزياء بكل قطرة مطر بحيث لن يكون من الممكن أبدًا حساب كل شيء حقًا. أدت الرؤى المكتسبة من النموذج أحادي البعد إلى تطوير نموذج مناخي ثلاثي الأبعاد، والذي نشره مانابا في عام 1975؛ لقد كان مجرد علامة فارقة أخرى على طريق فهم أسرار المناخ.

الطقس فوضوي

بعد حوالي عشر سنوات من نشر مانابا، تمكن كلاوس هاسيلمان من ربط الطقس بالمناخ من خلال إيجاد طريقة تعتمد على التغيرات السريعة والفوضوية في الطقس التي كان من الصعب للغاية حسابها. يتمتع كوكبنا بتغيرات واسعة في طقسه، حيث أن إشعاع الشمس يتوزع بشكل غير متساوٍ للغاية، جغرافيًا وزمنيًا. أرضنا كروية، لذا فإن كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى الأماكن المرتفعة أقل من تلك التي تصل إلى الأماكن المنخفضة عند خط الاستواء. وليس هذا فحسب، بل إن محور دوران الأرض مائل، وهي حقيقة تسبب تغيرات موسمية في الإشعاع الواصل إلى الأرض. تؤدي اختلافات الكثافة بين الهواء الأكثر دفئًا والبرودة إلى زيادة نقل الحرارة بين ارتفاعات مختلفة، بين البحر واليابسة، بين الكتل الهوائية الأكبر والأقل، وهي العوامل التي تحرك الطقس على كوكبنا.

وكما نعلم جميعا، فإن صياغة تنبؤات جوية موثوقة قبل أكثر من عشرة أيام يشكل تحديا خطيرا. قبل مائتي عام، لاحظ العالم الفرنسي بيير سيمون لابلاس أنه إذا عرفنا فقط موقع وسرعة جميع الجسيمات في الكون، فسيكون من الممكن حساب ما حدث وما يمكن أن يحدث في عالمنا. في الأساس، قد تكون هذه هي الحقيقة؛ قوانين نيوتن للحركة، والتي تصف أيضًا الحمل الحراري للهواء في الغلاف الجوي، هي حتمية تمامًا، فهي ليست عشوائية.

ومع ذلك، لا يوجد شيء خاطئ أكثر عندما يتعلق الأمر بالطقس. وذلك في ضوء حقيقة أنه، جزئيًا وعمليًا، من المستحيل أن تكون دقيقًا بدرجة كافية لحساب درجة حرارة الهواء أو الضغط أو الرطوبة أو ظروف الرياح لكل نقطة في الغلاف الجوي. بالإضافة إلى ذلك، فإن المعادلات ليست خطية - فالتغييرات الصغيرة في القيم الأولية يمكن أن تؤدي إلى نظام طقس مختلف تمامًا. واستنادا إلى سؤال ما إذا كان رفرفة جناحي الفراشة في البرازيل يمكن أن يسبب إعصارا في تكساس، فقد سميت هذه الظاهرة "تأثير الفراشة". في الواقع، القصد هو أنه من المستحيل إجراء تنبؤات جوية طويلة المدى - فالطقس فوضوي؛ تم هذا الاكتشاف في الستينيات من قبل عالم الأرصاد الجوية الأمريكي إدوارد لورينز، الذي وضع الأساس لنظرية الفوضى الحالية.  

المنطق وراء البيانات الصاخبة

كيف يمكننا إنتاج نماذج موثوقة للمناخ بعد عدة عقود أو قرون في المستقبل، على الرغم من أن الطقس هو مثال كلاسيكي للنظام الفوضوي؟ في عام 1980، أوضح كلاوس هاسيلمان كيف يمكن وصف الظواهر الجوية المتغيرة والفوضوية بأنها ضوضاء سريعة التغير، أي تطوير تنبؤات مناخية طويلة المدى على أساس علمي متين. علاوة على ذلك، قام بتطوير طرق للكشف عن تأثير الإنسان على درجة الحرارة العالمية المرصودة. عندما كان طالب دكتوراه شابًا في الفيزياء في هامبورج بألمانيا، في الخمسينيات من القرن الماضي، عمل هاسيلمان على ديناميكيات الموائع، ثم بدأ في تطوير الملاحظات والنماذج النظرية لأمواج المحيط وتياراته. انتقل إلى كاليفورنيا واستمر في مجال علم المحيطات، حيث عمل مع زميله تشارلز ديفيد كيلينغ، الباحث الأسطوري الذي بدأ في عام 1958 أطول سلسلة من قياسات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في هاواي. يمكن إثبات الحصول على نموذج مناخي من بيانات الطقس الصاخبة من خلال وصف جري كلب ضال: يركض الكلب ذهابًا وإيابًا، جنبًا إلى جنب، وحول قدم صاحبه. كيف يمكنك استخدام تتبع الكلاب لمعرفة ما إذا كنت تمشي أم واقفًا؟ أو إذا كنت تمشي بسرعة أو ببطء؟ آثار الكلب تشبه تغيرات الطقس، ومشي صاحبه بجانب الكلب هو المناخ المحسوب. هل من الممكن حتى استخلاص استنتاجات حول الاتجاهات المناخية طويلة المدى باستخدام بيانات الطقس الصاخبة والفوضوية؟

وتكمن صعوبة أخرى في حقيقة أن التغيرات التي تؤثر على المناخ تتغير بشكل جذري مع مرور الوقت - فقد تكون سريعة، كما هو الحال في قوة الرياح ودرجة حرارة الهواء، أو بطيئة للغاية، مثل

تذوب الأنهار الجليدية، وترتفع درجة حرارة المحيطات. على سبيل المثال، يمكن أن يستمر التسخين الموحد لدرجة مئوية واحدة فقط لآلاف السنين بالنسبة للمحيطات، ولكن لبضعة أسابيع فقط بالنسبة للغلاف الجوي. وكانت الفكرة البارعة للباحثين هي إدراج التغيرات السريعة في الطقس في الحسابات باعتبارها ضوضاء، وإظهار كيفية تأثير هذه الضوضاء على المناخ. طور هاسيلمان نموذجًا مناخيًا عشوائيًا واحتماليًا (عشوائيًا)، مما يعني أن التغيير مضمن في النموذج. جاء إلهامه من نظرية ألبرت أينشتاين المسماة "الحركة البراونية"، والتي تسمى أيضًا "الحركة العشوائية". وباستخدام هذا النموذج، أثبت هاسيلمان أن الغلاف الجوي سريع التغير يمكن أن يسبب في الواقع تغيرات بطيئة في المحيط.

لملاحظة آثار التأثير البشري

بمجرد اكتمال نموذج تغير المناخ، طور هاسيلمان طرقًا للكشف عن التأثير البشري على النظام المناخي. ووجد أن النماذج، إلى جانب الملاحظات والاعتبارات النظرية، تتضمن في داخلها معلومات مناسبة عن خصائص الضوضاء والإشارات. على سبيل المثال، فإن التغيرات في الإشعاع الشمسي أو الجزيئات البركانية أو مستويات الغازات الدفيئة تترك إشارات وبصمات فريدة يمكن فصلها وتمييزها. يمكن أيضًا تطبيق طريقة أخذ البصمات هذه لقياس تأثير البشرية على النظام المناخي. اتضح أن هاسيلمان وجد طريقة لإجراء مزيد من التحقيق في التغيرات المناخية، والتي أظهرت آثار التأثير البشري على المناخ باستخدام عدد كبير من الملاحظات المستقلة.

أصبحت النماذج المناخية أكثر دقة، حيث يتم رسم خرائط العمليات التي تنطوي عليها العلاقات المتبادلة المعقدة للمناخ بشكل أكثر دقة، وذلك أيضًا بفضل قياسات الأقمار الصناعية وملاحظات الطقس. تُظهر النماذج بوضوح تسارع ظاهرة الاحتباس الحراري؛ منذ منتصف القرن التاسع عشر، ارتفعت مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بنسبة أربعين بالمائة. لم يكن الغلاف الجوي للأرض يحتوي على مثل هذه الكمية الكبيرة من ثاني أكسيد الكربون منذ مئات الآلاف من السنين. وبناء على ذلك، أظهرت قياسات درجات الحرارة أن العالم قد ارتفع بمقدار درجة مئوية واحدة خلال المائة والخمسين عاما الماضية.

ساهم سوكورو مانابا وكلاوس هاسيلمان بأكبر فائدة للإنسانية، بروح ألفريد نوبل، من خلال توفير أساس مادي متين لفهمنا لمناخ الأرض. والآن لم يعد بوسعنا أن نقول إننا لم نكن نعرف، فالنماذج المناخية لا لبس فيها.

• هل ترتفع حرارة الأرض؟ نعم.       
• هل السبب هو تزايد كميات الغازات الدفيئة في الغلاف الجوي؟ نعم.
• هل يمكن تفسير ذلك بالعوامل الطبيعية فقط؟ لا.
• هل الانبعاثات البشرية هي سبب ارتفاع درجة الحرارة؟ نعم.

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• أزمة المناخ تصل إلى جائزة نوبل في الفيزياء: اثنان من مطوري النماذج المناخية وباحث في التعقيد يفوزان بجائزة نوبل 2021
• بحث: الضغوط الدولية على إسرائيل لخفض انبعاثات الغازات الدفيئة – تؤثر على خطاب السياسة المحلية