إن الإشعاع الشمسي هو مصدر الطاقة الرئيسي الذي يقود نظام المناخ في الأرض، فكل نمط الطقس، وحال المحيطات، والعملية البيولوجية يعتمد في نهاية المطاف على تدفق الطاقة من الشمس، ويفهم تماما كيف تصل هذه الطاقة إلى الكوكب، وكيف يتم امتصاصها أو عكسها، وكيف تتفاعل مع الغلاف الجوي والمحيطات وأسطح الأرض، هي أساسية لفهم تقلبات المناخ الطبيعي والتغيرات المتضخمة التي تسببها الأنشطة البشرية.

The Fundamentals of Solar Radiation

طبيعة الطاقة الشمسية

The Sun emits energy across the electromagnetic spectrum, from high —energy gamma rays to long-wavelength radio waves. However, the vast majority of energy that reaches Earth’s surface falls within three broad categories: ultraviolet (UV[FLT:]) radiation (about 8% of incoming energy), light (red 44%)

وينتج الإشعاع الشمسي من ردود فعل الاندماج النووي في قلب الشمس، حيث تتدفق ذرات الهيدروجين إلى الهيليوم، وتطلق كميات هائلة من الطاقة، وتشع هذه الطاقة إلى الخارج وتستغرق حوالي ثماني دقائق لسفر 150 مليون كيلومتر إلى الأرض.

The Solar Constant

والثبات الشمسي هو متوسط كمية الإشعاع الكهرومغناطيسي الشمسي )العزل( المتلقاة في قمة الغلاف الجوي للأرض على منظار سطحي لأشعة الشمس، وتبلغ قيمتها تقريبا ]1361 واتس لكل متر مربع )W/m2( ].

External reference:] ]NASA Earth Observatory – The Earth’s Energy Balance]

عزل وتوزيعه

إن العزل - كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى منطقة معينة - تختلف بحجم العرض والوقت والفصل، ولأن الأرض هي ظاهرة متقطعة، فإن أشعة الشمس تصيب خط الاستواء مباشرة )زاوية أعلى( أكثر من القطبين )زاوية أقل( وهذا التوزيع غير المتساوي هو المحرك الأساسي لدرجات الحرارة العالمية والتداول الجوي، كما أن كمية الإشعاعات المتباعدة تتوقف على سطح البحر.

ميزانية الطاقة الأرضية: مدى تردي الشمس على الكوكب

الإشعاع الشمسي القادم

ومن بين 1361 دبليو/م2 في قمة الغلاف الجوي، يُعكس نحو 30 في المائة على الفور إلى الفضاء من خلال الغيوم والجسيمات الجوية والسطح المشرقة (البيلودو)، ويُستوعب 20 في المائة أخرى من الغلاف الجوي، ولا سيما من خلال الأوزون (UV)، وبخار الماء، والسحب، أما بقية 50 في المائة ، فتصل الحرارة إلى السطح.

الانبعاثات ذات الحمراء وأثر غرينهاوس

The Earth’s surface, warmed by solar radiation radiation, emits energy in the form of infrared radiation. However, not all of this IR escapes directly to space. Greenhouse gases — mainly water vapor (H2O), carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O) — absorb and re-emit IR in all directions, including back to effect surface59.

وقد زادت الأنشطة البشرية كثيرا من تركيزات ثاني أكسيد الكربون والميثان وثاني أكسيد النيتروز، مما أدى إلى تحسين أثر الدفيئة ويؤدي إلى الاحترار العالمي، وقد تم فهم الفيزياء لهذه العملية جيدا وتم التحقق منها على مدى عقود من القياسات الساتلية والأرضية.

External reference:] ]NASA - Climate Change Evidence]

رصيد ميزانية الطاقة

وفي مناخ مستقر، يعادل حجم الطاقة الشمسية التي يستوعبها نظام الأرض كمية الطاقة التي تُنقل تحت الحمراء إلى الفضاء، وأي اختلال - بسبب التغيرات في الناتج الشمسي، أو الألبدو، أو تركيزات غازات الدفيئة - يدفع المناخ نحو توازن جديد، وتظهر القياسات الحالية أن الأرض تستوعب نحو 0.6 W/m2 [FLT: 1].

Albedo: How Surface Type Affects Temperature

فالألبيدو هو جزء من الإشعاع الشمسي القادم الذي ينعكس على سطح ما، وهو رقم لا يبعد عن البعد يتراوح بين صفر (الممتص العادم، مثلا الأسفلت الأسود) وواحد (المعاكس المؤثر، مثل الثلج الطازج) وتختلف أسطح الأرض اختلافا كبيرا في الألبدو، مما يؤثر تأثيرا مباشرا على درجات الحرارة المحلية والعالمية.

Surface Type Typical Albedo Effect on Temperature
Fresh snow 0.80–0.90 Cools the surface by reflecting most incoming energy
Ice (e.g., sea ice) 0.50–0.70 Moderate cooling effect
Desert sand 0.30–0.45 Warms because much energy is absorbed
Forest (coniferous) 0.08–0.15 Low albedo; absorbs most solar energy
Open ocean 0.06–0.10 Very low albedo; absorbs heat strongly
Urban surfaces (asphalt, roofs) 0.05–0.20 Low albedo contributes to urban heat islands

Ice-Albedo Feedback

ومن أهم حلقات التغذية المرتدة المناخية الثلوج والجليد، وعندما ترتفع درجات الحرارة، تذوب الجليد، وتكشف الأرض المظلمة أو المحيط، ويستوعب سطح الظلام إشعاعا شمسيا أكثر، مما يتسبب في مزيد من الاحترار، مما يذيب المزيد من الجليد - وهو أمر إيجابي، وهذه الآلية تغذي الاحترار في المناطق القطبية، مما يؤدي إلى ظاهرة معروفة بالتكاثر القطبي، وعلى سبيل المثال، فإن المنطقة القطبية الشمالية قد حررت أكثر من ضعف المتوسط.

إزالة الغابات وتغير استخدام الأراضي

إن الأنشطة البشرية التي تعدل الغطاء الأرضي لها تأثير كبير على الطلاء ودرجات الحرارة المحلية، إذ أن إزالة الغابات، لا سيما في المناطق المدارية، تحل محل الغابات المظلمة والمعقدة التي تحتوي على أراض محصولية أو المراعي، وهذا التغير ] يمكن أن يؤدي إلى تهدئة السطح، غير أن فقدان الأشجار يقلل أيضا من تأثير التقلبات السطحية، مما يوفر في وقت متأخر.

Seasonal and Latitudinal Variations: Why Climate Zones Exist

Axial Tilt and Seasons

ويمتد محور الأرض نحو ٢٣,٥ درجة بالمقارنة مع طائرته المدارية، مما يؤدي إلى تبدل زاوية الإشعاع الشمسي القادم على مدار السنة مع مدار الكوكب الشمس، وخلال الصيف في نصف الكرة الشمالي، تميل القطب الشمالي نحو الشمس، مما يؤدي إلى مزيد من الضوء الشمسي المباشر والأيام الطويلة، ويحدث العكس خلال الشتاء، وتكون هذه التباينات الموسمية في درجة الحرارة المحيطة بالفصل مسؤولة عن

ويتوقف حجم التغير الموسمي على خط العرض، فقرب خط الاستواء، لا تزال زاوية الشمس مرتفعة نسبياً في السنة، مما يؤدي إلى الحد الأدنى من درجات الحرارة الموسمية (وإن كان التهطال يمكن أن يتفاوت تفاوتاً كبيراً) وفي خطوط العرض المتوسطة (مثل الولايات المتحدة وأوروبا والصين)، تنطق المواسم، وفي المناطق القطبية، ينتج النمو الأقصى درجة حرارة طولها 24 ساعة في الصيف والظلام الشاّاسع.

Climate Zones

ويؤدي التوزيع غير المتكافئ للإشعاع الشمسي عبر خطوط العرض إلى إنشاء مناطق مناخية متميزة:

  • Tropical zone] (0°-23.5°): ارتفاع مستوى عزلة الغلاف الجوي؛ درجات الحرارة الدافئة (متوسط 18 درجة مئوية)؛ سقوط الأمطار المرتفعة بالقرب من منطقة التقارب بين المدارات.
  • Subtropical zone] (23.5°-35°): High pressure belts; clear skyes; arid or semi-Southarid conditions (e.g.,Saharan, Arabian Desert).
  • Temperate zone] (35°-55°): Moderate insolation with strong seasonal variation; mixed precipitation; home to most of the world’s population.
  • Polar zone] (66.5°-90°): منخفض جداً في التحلل؛ والهواء البارد والجاف؛ والجليد ونبات التوندرا.

وتستخدم نظم تصنيف المناخ (مثلاً، كوبين - غيغر) درجات الحرارة وعتبات التهطال التي تنجم في نهاية المطاف عن نمط الأشعة الشمسية المتباعد بين الزمن.

Solar Variability and its Influence on Climate

Cyclespot and Total Solar Irradiance

إن إنتاج الشمس ليس ثابتا تماما، فخلال دورة مدتها ١١ سنة، يلاحظ أن نشاط الشمس - الذي يقاس بحسابات البقع الشمسية - يختلف، خلال فترة الطاقة الشمسية القصوى، حيث تستمد الشمس طاقة أكبر بقليل )حوالي ١,١ في المائة من إجمالي الإشعاع الشمسي( من خلال الحد الأدنى للطاقة الشمسية، وفي حين أن هذا التباين صغير، فإنه يمكن أن يؤثر على الغلاف الجوي العلوي للأرض وأنماط الطقس الإقليمية، وعلى سبيل المثال، فإن دورة التذبذبذب في شمال الأطلسي ودرج في الشتاء في أوروبا قد أظهرت.

وتتزامن التباينات الشمسية الطويلة الأجل، مثل الحد الأدنى للأشعة (أثناء فترة النشاط المتدني جداً في البقع الشمسية بين 1645 و1715)، مع درجات الحرارة العالمية الأكثر برودة (السن الأدنى للثلج الصغير)، غير أن حجم الحرق الشمسي خلال تلك الفترة لا يقدر إلا بنحو 0.2 W/m2، وهو أقل بكثير من الانبعاث البشري الحالي البالغ +2.7 W/m2 (IPCC AR6).

External reference:] ]NOA Space Weather Prediction Center – Solar Cycle Progression

أوربيتال (ميلانكوفيتش)

وعلى مدى عشرات الآلاف من السنين، تتغير مدار الأرض في ثلاثة بارامترات: التركة )شكل المدار(، والهدوء )الإطار الضريبي(، والارتباك )القابلية للارتطام(، وهذه الدورات، التي يحسبها ميلوتين ميلانكوفيتش أولا، تغير توزيع وكمية الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى الكوكب، ولا سيما في خطوط العرض المرتفعة، وهي المحرك الرئيسي للدورات الجليدية الماضية.

التعديلات البشرية على الإشعاع الشمسي والمناخ

انبعاثات غازات الدفيئة

وأهم تأثير بشري على ميزانية الطاقة في الأرض هو الزيادة في غازات الدفيئة، ومنذ الثورة الصناعية، ارتفعت تركيزات ثاني أكسيد الكربون من 280 جزء من المليون إلى أكثر من 420 جزء من المليون، أي بزيادة 50 في المائة، وقد زاد الميثان بأكثر من الضعف، وتستوعب هذه الغازات الإشعاعات التي تتجاوزها الأشعة تحت الحمراء، وتخفض الكمية التي تفلت من الفضاء، وهذا التخصيب الإضافي للحرارة يعادل زيادة في الناتج [2.7]

الأيروسولات والثورة

إن الأيروسولات البشرية المبعثرة (الكربون الأسود والغبار) لها آثار التبريد والاحترار على حد سواء، كما أن الأيروسولات الكبريتية تعكس الإشعاع الشمسي القادم (الجبر السلبي) ويمكن أن تشرق الغيوم ( " تأثير الالبدو الأسود " )، مما يؤدي إلى التبريد الصافي، وعلى النقيض من ذلك، فإن الكربون الأسود (سووت) يستوعب الإشعاع الشمسي ويدفئ الغلاف الجوي.

تغيرات سطح الأرض

وكما نوقش في إطار الألبدو، فإن تغيرات استخدام الأراضي تغير مقدار ما يتم استيعابه أو التعبير عنه من الإشعاع الشمسي.() فالتحضر والزراعة وإزالة الغابات تعدل أرصدة الطاقة المحلية ويمكن أن تؤثر على المناخ الإقليمي، بما في ذلك أنماط التهطال.

External reference:] ]IPCC Sixth Assessment Report — Working Group I]

آليات التغذية التي تُضفي على تغير المناخ أو سده

برنامج التغذية المغذية

فخار المياه هو أكثر غازات الدفيئة وفرة، حيث يدفأ الغلاف الجوي، تزداد قدرته على تحمل بخار الماء (علاقة كلوزوس - كلابيرون)، ويزيد من فخاخ بخار المياه من الإشعاع تحت الحمراء، ويزيد من دفء الكوكب - وهو رد فعل إيجابي قوي، ويضاعف من الاحترار من ثاني أكسيد الكربون وحده.

Cloud Feedback

وتلعب السحابات دورا مزدوجا: فهي تعكس الإشعاع الشمسي القادم (الاشتعال) ولكنها تلتقط أيضا الإشعاعات التي تُستخرج بالأشعة تحت الحمراء (التحليل) وما إذا كانت التغذية السحابية إيجابية أو سلبية عموما تتوقف على نوع السحب وارتفاعها وتغطيتها، وتميل السحب المنخفضة والسمكية (مثلا، الإجهاد) إلى البرودة؛ وتميل السحب العالية والرق (مثل، السير) إلى الدفء.

Ice —Albedo Feedback (revisited)

وهذا ما ورد وصفه بالفعل، هو رد إيجابي واضح يعجل بالاحترار في المناطق الغنية بالغلاف الجوي.

Cycle Feedbacks

ويمكن أن يطلق الإنذار الكربون المخزن في البرموفرت والتربة، مما يضيف المزيد من ثاني أكسيد الكربون والميثان إلى الغلاف الجوي - أي تغذية إيجابية أخرى، وهذه التعليقات تجعل من الضروري الحد من الاحترار.

Implications for Climate Models and Future Projections

Simulating Solar Radiation in Climate Models

ويجب أن تحفز نماذج التداول العام (GCMs) ونماذج نظام الأرض بدقة نقل الإشعاع الشمسي عبر الغلاف الجوي وتفاعله مع السحب والهباء والخصائص السطحية، وتقسم هذه النماذج الأرض إلى خلايا الشبكة وتحسب تدفق الطاقة في كل خطوة، وقد تحسن تمثيل العمليات الإشعاعية بشكل كبير، ولكن لا تزال هناك شكوك في الاتجاه السحابي والهيروسولي المستخدم في المستقبل.

مقترحات إدارة الإشعاعات الشمسية

وتهدف بعض استراتيجيات الهندسة الجيولوجية المقترحة إلى خفض كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى السطح بصورة مصطنعة، مثلا عن طريق الحقن الأيروسولات المعكسة في الغلاف الجوي (حقنة الغلاف الجوي) أو عن طريق تضخيم الغيوم البحرية، وفي حين أن هذه الأساليب قد تقابل بعض الاحترار مؤقتا، فإنها تنطوي على مخاطر كبيرة، مثل أنماط التهطال المتغيرة، واستنفاد الأوزون، والاحترار السريع المفاجئ إذا توقف التدخل.

The Bottom Line for Future Climate

إن فهم الإشعاع الشمسي ليس مجرد عملية أكاديمية، فالطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض هي المحرك الأساسي لمناخنا، وقد غيرت الأنشطة البشرية التوازن الطبيعي عن طريق تعزيز تأثير الدفيئة وتغيير الطلاء السطحي، ويتوقف الاحترار في المستقبل على مدى زيادة ثاني أكسيد الكربون وغيره من غازات الدفيئة التي ننشدها، ولكنه يعتمد أيضا على التغذية المرتدة التي يمكن أن تضخ أو تضعف التسبب في التسبب في حدوث حرجات الأولية.

خاتمة

إن الإشعاع الشمسي هو محرك مناخ الأرض، إذ إن تركيبه الطيفي وتوزيعه على الفضاء والزمن، والطريقة التي يتفاعل بها مع الغلاف الجوي والسطح تحدد كل جانب من درجات الحرارة والمناخ من النطاق العالمي إلى الطقس المحلي، ومن الفيزياء التي تتسم بها الأرض الثابتة والرطوبة إلى العواطف المعقدة للجليد والسحب والبخار المائي، فإن قصة الإشعاع الشمسي هي قصة تولد المناخ في الأرض نفسها.