ديناميكات الغلاف الجوي ودورها في المناخ المادة

ما هو الغلاف الجوي؟

إن الغلاف المائي يشمل جميع المياه التي توجد في سطح الأرض أو بالقرب منه، ويشكل شبكة معقدة ودينامية أساسية لمناخ الكوكب ونظمه الإيكولوجية، وتشمل هذه الطبعة الواسعة والمنقطعة المحيطات والبحار والبحيرات والأنهار والجليد والمياه الجوفية والرطوبة الجوية، وحتى المياه التي تحتويها الكائنات الحية، وتغطية حوالي 71 في المائة من مساحة الأرض، وتنظم الغلاف الجوي العالمي عملياته في الغلاف الجوي.

ومن مجموع المياه على الأرض، يوجد حوالي 97.5 في المائة من المياه المالحة، وهي متضمنة أساسا في المحيطات، وتشكل نسبة الـ 2.5 في المائة المتبقية من المياه العذبة، غير أن هذا لا يمكن الوصول إليه على نحو متساو: فهناك ما يقرب من 68.7 في المائة من المياه العذبة في أعالي الجليد وأقطاب الجليد، و 30.1 في المائة في المياه الجوفية، ولا يوجد سوى 1.2 في المائة في شكل مياه سطحية ورطوبة في المياه العذبة اليسرة، مما يبرز أهمية النظم الإيكولوجية في الغلاف الجوي.

إن الغلاف المائي بعيد عن الساكنة؛ وهو نظام دائري مستمر تحركه الدورة الهيدرولوجية، وينقل المياه بين مختلف خزاناته، ويعيد توزيع الحرارة عبر تيارات المحيطات، ويخزن كميات كبيرة من الطاقة الحرارية، وكل عنصر من مكوناته - المحيطات، والغلاف الجوي (الآيس والجليد)، ومستودعات المياه الجوفية، وملاعب المياه السطحية - دور فريد في تنظيم المناخ، والتنوع البيولوجي.

تكوين وتوزيع المياه

المحيطات: خزان الدومينيك

فالمحيطات تمثل أكبر مستودع داخل الغلاف المائي، حيث تحتوي على حوالي ١,٣٣٢ بليون كيلومتر مكعب من المياه، وتؤدي دورا محوريا في نظام المناخ في الأرض باستيعاب نحو ٩٠ في المائة من الحرارة الزائدة التي تحاصرها غازات الدفيئة، وتعمل بفعالية كغزال حراري رئيسي للكوكب، وتخفف هذه القدرة درجات الحرارة العالمية في الغلاف الجوي، وتؤدي إلى دفء المحيطات، وتسهم في ارتفاع مستوى النظم الإيكولوجية البحرية وتغييرها.

فالتيارات البحرية، التي تحركها مزيج من أنماط الرياح، ودرجات الحرارة، واختلافات الملوحة، تعمل بمثابة ناقلات للحرارة من المناطق الاستوائية إلى القطبين، وعلى سبيل المثال، تنقل خط الاستواء الخليجي المياه الدافئ إلى أوروبا الغربية، وتبقي مصباحها المناخي أكبر من المناطق الأخرى في خطوط العرض المماثلة، ولا تؤثر هذه التيارات على درجات الحرارة فحسب بل أيضا على أنماط التهطال، وطرق العواصف، بل وحتى على صحة مصائد الأسماك.

Cryosphere: Frozen Water Storage

ويشمل الغلاف الجليدي جميع المياه المجمدة على الأرض، بما في ذلك الأنهار الجليدية، وورقات الجليد (لا سيما في غرينلاند وأنتاركتيكا)، والجليد البحري، والغطاء الجليدي، والبرمفروست، ويخزن حوالي 69 في المائة من المياه العذبة في العالم، وهو خزان حرج للمياه العذبة، وتحتوي أسطح الغلاف الجليدي على ألبودو عالية، مما يعني أنها تعكس جزءا كبيرا من الحرارة الشمسية الجديدة في الفضاء، مما يساعد على تنظيم الفضاء.

غير أن ارتفاع درجات الحرارة العالمية يسبب تصعيد الجليد، والحد من الألبدو، وكشف أسطح المحيطات أو الأراضي المظلمة التي تستوعب طاقة شمسية أكبر، وتضاعف آلية التغذية هذه الاحترار وتزيد من فقدان الجليد، وتحتفظ صحائف الجليد في غرينلاند وأنتاركتيكا وحدها بمياه مجمدة كافية لرفع مستويات البحر العالمي بما يزيد على ٦٠ مترا إذا ما ذبت تماما، مما يبرز أهمية الغلاف الجليدي في الأنظمة المتعلقة بمستوى البحر.

المياه الجوفية والمياه السطحية

المياه الجوفية تسكن تحت سطح الأرض في طبقات المياه الجوفية، وتزود مياه الشرب والري الزراعي للمليارات على الصعيد العالمي، وتستأثر بما يقرب من 30 في المائة من المياه العذبة على الأرض، ولكنها كثيرا ما تُعادل بمعدلات بطيئة جداً بحيث تضاهي الخلاص الحالي، مما يجعل العديد من طبقات المياه الجوفية غير قابلة للتجديد على نطاقات الإنسان.

إن المياه السطحية - بما في ذلك البحيرات والأنهار والأراضي الرطبة - التي تقل عن 0.3 في المائة من المياه العذبة العالمية، تدعم أغلبية النظم الإيكولوجية المائية واستخدام المياه البشرية، وتوزع المياه العذبة متفاوتة إلى حد كبير: فالحوض الأمازون، مثلا، غني بموارد المياه السطحية، في حين أن المناطق القاحلة مثل الشرق الأوسط تعتمد كليا تقريبا على المياه الجوفية، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى زيادة الاستغلال والتحديات في مجال الاستدامة.

آليات تنظيم المناخ

درء حراري وخزان الحرارة

إن الطاقة الحرارية العالية والمتطاولة للماء تبلغ 184 4 جولات لكل كيلوغرام من كل درجة من حرارة كليسيوس - يمكن للمحيطات أن تستوعب وتطلق كميات هائلة من الحرارة مع الحد الأدنى من درجات الحرارة، وهذا التخلف الحراري يزيل تقلبات الحرارة اليومية والموسمية، لا سيما في المناطق الساحلية، مما يؤدي إلى وجود مناخات أكثر اعتدالا مقارنة بالمناطق الداخلية.

ونظراً لهذا التخلف الحراري، فإن المحيطات، حتى لو توقفت انبعاثات غازات الدفيئة على الفور، ستستمر في الاحترار لقرون، وتؤثر تدريجياً على درجات الحرارة الجوية والأنماط المناخية، وهذا يعقِّد جهود التخفيف من حدة المناخ ويستلزم التخطيط على المدى الطويل.

دائرة حرارة حرارة (الحزام العالمي)

إن تداول حراري اللهب، الذي يشار إليه في كثير من الأحيان باسم حزام النقل العالمي، يتألف من تيارات عميقة المحيط تنجم عن اختلافات في كثافة المياه بسبب الحرارة (الترمو) والملوحة (المحلية) - وتتدفق المياه السطحية المالحة من المناطق الاستوائية نحو القطبين، حيث يتسبب التبريد والملوحة المتزايدة في أن تصبح المياه كثيفة وغرقة، وتشكل تيارات عميقة تعود إلى القطب.

هذا التداول يعيد توزيع الحرارة في جميع أنحاء العالم ويؤثر تأثيراً عميقاً على المناخات الإقليمية، على سبيل المثال، التداول عبر المحيط الأطلسي المميت يوصل المياه الدافئ إلى شمال أوروبا، ويُعتدّل شتاءه، لكن الماء الطازج من صحيفة ثلج غرينلاند قد يضعف هذا النظام من خلال تهدئة المياه السطحية، مما قد يؤدي إلى التبريد الإقليمي المفاجئ.

التبريد الاختراقي و دورة المياه

إن الإجلاء من سطح المحيط يستوعب الحرارة الكامنة، ويبرد الماء بشكل فعال، وينقل الطاقة إلى الغلاف الجوي، فمع ارتفاع بخار الماء وارتفاعه إلى الغيوم، يُطلق هذا الحرارة المخزنة، التي تغذي التداول الجوي وتنمية العواصف، ويعزى هذا التدفق اللاحق إلى نحو 50 في المائة من مجموع نقل الطاقة من سطح الأرض إلى الغلاف الجوي، مما يجعل دورة المياه عاملا رئيسيا في أنماط الطقس والمناخ.

Albedo Feedback

وللثلوج والثلوج قيم عالية من الطلاء، تعكس ما يصل إلى 80-90% من الإشعاع الشمسي القادم، ومن ثم تخفض درجة الاستيعاب الحراري من سطح الأرض، وبالتالي فإن مدى الغلاف الجليدي له تأثير كبير على المناخ العالمي، ومع ارتفاع درجات الحرارة العالمية، فإن تقلص الغطاء الجليدي يكشف عن المحيطات والأرض المظلمة، التي تستوعب قدرا أكبر من الحرارة وتزيد من حدة الاحترار - وهو ما يُعرف بتغذية الارتجاعية من الجليد.

وتتجلى هذه التغذية المرتدة بشكل خاص في القطب الشمالي حيث انخفض حجم الجليد البحري الصيفي بنسبة 13 في المائة تقريبا في العقد منذ بدء التسجيلات الساتلية في عام 1979، ولا يؤدي فقدان الجليد البحري إلى تعجيل الاحترار الإقليمي فحسب، بل يؤثر أيضا على أنماط التداول في الغلاف الجوي، مثل تيار الطائرات، مما يؤثر على المناخ المتطرف على المناطق الكبيرة من نصف الكرة الشمالي.

دورة المياه: العملية والمهمة

إن دورة المياه، أو دورة المياه الهيدرولوجي، هي استمرار حركة المياه من خلال الغلاف الجوي والجو والغلاف الحيوي، وتشمل هذه الدورة عدة عمليات رئيسية تعيد توزيع المياه والطاقة على الصعيد العالمي، مع الحفاظ على التوازن اللازم للحياة والاستقرار المناخي.

عملية الإجلاء

ويجمع التحلل بين التهرب من أجساد المياه وتحولها من النباتات، وكلتاهما ينقلان بخار المياه إلى الغلاف الجوي، وعلى المحيطات، يتجاوز التبخر عادة التهطال، بينما يتجاوز التهطال على الأرض، ويقابل التهطال التهرب، ويقابل هذا الخلل نقل جوي للرطوبة من المحيط إلى الأرض، وهو أمر حيوي لتجديد إمدادات المياه العذبة الأرضية.

التهطال والهروب

ويحدث التهطال عندما يتحول الرطوبة في الغلاف الجوي إلى سقوط أو بلورات جليدية تسقط كالهطول أو الثلج أو الكمي أو الهش، ويتغير المناخ في أنماط التهطال: يُحمل الهواء الدافئ قدراً أكبر من الرطوبة (تُصبح العلاقة بين كلوسوس وكلابيرون)، مما يمكن أن يكثف أحداث سقوط الأمطار في بعض المناطق ويتسبب في جفاف مطول في مناطق أخرى.

ويحمل المجرى الماء من التهطال على الأرض إلى المحيطات، ويعيد تشكيل المناظر الطبيعية من خلال التآكل ونقل المغذيات التي تدعم النظم الإيكولوجية المائية، وتُعدل الأنشطة البشرية مثل إزالة الغابات والتحضر وبناء السدود تغييرا كبيرا أنماط المياه، مما يقلل في كثير من الأحيان من توافر المياه ويزيد من مخاطر الفيضانات.

إعادة تغذية المياه الجوفية وإزالتها

ويتيح التسلل التهطال من خلال التربة والصخور، وإعادة شحن طبقات المياه الجوفية التي تخزن المياه الجوفية على فترات طويلة، وتصريف المياه الجوفية في المجاري والينابيع، والحفاظ على تدفقات القاعدة خلال النوبات الجافة، والحفاظ على صحة النظام الإيكولوجي، غير أن استخراج المياه الجوفية المفرط للزراعة والاستخدام الحضري كثيرا ما يتجاوز معدلات التغذية الطبيعية، مما يؤدي إلى انخفاض جداول المياه، وهبوط الأراضي، واقتحام المياه المالحة في المناطق الساحلية، وتدهورها.

وتبرز هذه مواطن الضعف الحاجة الماسة إلى الإدارة المتكاملة لموارد المياه التي توازن بين مطالب الإنسان والاستدامة الإيكولوجية.

أجهزة تغذية في نظام الهيدرولوجي - المناخ

التراجع الإيجابي

وتعجل عدة آليات إيجابية للتغذية المرتدة داخل النظام المائي - المناخ، فبعد أن تتسارع التغذية المرتدة بالجليد، تُطلق الميثان غازاً للثديين، وهو غاز للدائن يزيد بقوة على ثاني أكسيد الكربون بحوالي 25 مرة على مدى 100 سنة، مما يضاعف الاحترار، ويتسبب في مزيد من التدهور في دورة دعم ذاتي.

وبالمثل، فإن المحيطات الأكثر دفئاً تستوعب أقل من ثاني أكسيد الكربون، مما يقلل من دورها كبواليع الكربون، حيث ترتفع تركيزات الغلاف الجوي الأقل عزلاً، مما يزيد من تعزيز تأثير الدفيئة، وهذه التعليقات تزيد من خطر عبور نقاط التصفير الحرجة، مما قد يؤدي إلى حدوث تحولات مناخية مفاجئة لا رجعة فيها.

العوده السلبية التي تستقر

وعلى العكس من ذلك، فإن بعض التعليقات تعمل على استقرار المناخ، فعلى سبيل المثال، قد يؤدي تزايد التهرب من المحيطات الأكثر دفئا إلى زيادة التكوين السحابي، إذ أن للكلاود دورا مزدوجا: فهي تعكس الإشعاع الشمسي القادم (تبريد الموجات) وتفخخ الإشعاعات التي تُطلق تحت الحمراء (تدفُّر الموجات الطويلة) ويُعد الأثر الصافي للسحب معقدا ويظل واحدا من أكبر مصادر عدم التيق في التوقعات المناخية.

وثمة رد آخر مثبت للاستقرار ينطوي على تعزيز نمو النباتات بسبب ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون، المعروفة باسم تخصيب ثاني أكسيد الكربون، مما يمكن أن يزيد من كمية الكربون التي تستهلكها النباتات، ويقلل جزئياً من الانبعاثات، غير أن هذا الأثر يحده القيود المفروضة على توافر المياه ومغذيات التربة، ولا سيما في ظل الإجهاد المناخي المستمر.

Climate Change Impacts on the Hydrosphere

حرق المحيطات والتحصين

وقد امتصت المحيطات أكثر من 90 في المائة من الحرارة الزائدة من الاحترار العالمي الاصطناعي، مما أدى إلى ارتفاع درجات حرارة سطح البحر، مما يؤدي إلى التوسع الحراري في مياه البحر، مما أسهم في حدوث نحو ثلث الارتفاع الملحوظ في مستوى سطح البحر منذ عام 1993، وبالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة استيعاب ثاني أكسيد الكربون تقلل من مستوى سطح المحيط، وهي عملية تعرف باسم تحمض المحيطات، مما أدى إلى انخفاض في كمية مياه المحيط السطحي بمقدار 0.1 وحدة منذ الثورة الصناعية.

ويهدد التحصين بالكائنات الحية مثل المرجان والفولوسك وبعض الألواح المسببة للاضطرابات في شبكات الأغذية البحرية، وقد أدى، بالاقتران مع الاحترار، إلى حدوث أحداث تبيض المرجان أكثر تواترا وشدّة، وإلى إلحاق أضرار بالنظم الإيكولوجية للشعاب المرجانية التي تدعم التنوع البيولوجي ومصائد الأسماك في جميع أنحاء العالم.

الجليد المُلطخ والزئبق البحرية

وتتراجع جميع المصابين بالزلازل على الصعيد العالمي بمعدلات غير مسبوقة، فقد فقدت صحيفة ثلج غرينلاند ما متوسطه 279 بليون طن سنويا بين عامي 2002 و 2020، في حين فقدت أنتاركتيكا حوالي 148 بليون طن سنويا خلال نفس الفترة، وتساهم مياه الذراع هذه بشكل مباشر في ارتفاع مستويات سطح البحر، التي ترتفع حاليا بحوالي 3.3 مليمترات في السنة.

وتختلف التوقعات المتعلقة بارتفاع مستوى سطح البحر بمقدار ٠٠٢ ١٢ تباينا كبيرا من ٣,٠ إلى ٢ مترا - يتناقص بدرجة كبيرة على انبعاثات غازات الدفيئة وديناميات الغطاء الجليدي في المستقبل، وتهدد البحار الناشئة المجتمعات المحلية الساحلية والهياكل الأساسية والنظم الإيكولوجية من خلال زيادة الفيضانات والتحات واقتحام المياه المالحة.

التهطال المُعدّل وإتاحة المياه

ويتغير تغير المناخ في أنماط التهطال العالمية، مما يجعل المناطق الرطبة والمناطق الجافة أكثر جفافا، وقد زادت الأحداث الشديدة مثل الفيضانات والجفاف في التواتر والكثافة، فعلى سبيل المثال، تفاقم الجفاف الذي طال أمده في كاليفورنيا في الفترة من عام 2012 إلى عام 2016 بسبب ارتفاع حرارة السجلات، في حين أن الفيضانات المدمرة التي وقعت في باكستان في عام 2022 نتجت عن أمطار مبشرة غير عادية.

وهذه التحولات تضغط على موارد المياه للزراعة ومياه الشرب والصناعة، مما قد يؤدي إلى انعدام الأمن الغذائي والصراعات الاجتماعية، وتواجه المناطق التي تعتمد على مصهر الثلج في المياه العذبة، مثل أجزاء من الولايات المتحدة الغربية والهمالايا، تحديات خاصة، حيث تتناقص أكياس الثلج.

التفاعلات البشرية: إدارة المياه وحفظها

الهياكل الأساسية والتدخلات

وقد قام البشر بتعديلات واسعة النطاق في نصف الكرة الأرضية من خلال الهياكل الأساسية مثل السدود والمستودعات والكنال ومحطات تحلية المياه من أجل إدارة إمدادات المياه، وتوليد الطاقة الكهرمائية، والتخفيف من الفيضانات، وفي حين أن هذه التدخلات توفر فوائد، فإنها تؤدي أيضا إلى تعطيل تدفقات المياه الطبيعية، ومستودعات الشظايا، ونقل الرواسب.

فقد غير سد غورخيز الثلاثة في الصين، على سبيل المثال، كثيراً تسليم الرواسب في المجرى المائي، مما أسهم في تآكل السواحل وأثر على النظم الإيكولوجية المائية، وبالمثل، أدى ضخ المياه الجوفية المكثف للري في مناطق مثل شبه القارة الهندية إلى خفض طاولات المياه، مما يشكل مخاطر على الأمن الغذائي وصحة النظام الإيكولوجي.

تدهور التربة والنظم الإيكولوجية

ويتسبب تلوث المياه من المياه المهددة بالزراعة (الخامات، ومبيدات الآفات)، والتصريفات الصناعية، والنفايات البلاستيكية في تدهور نوعية المياه، مما يلحق الضرر بالحياة المائية والصحة البشرية، ويؤدي تلوث المغذيات إلى تغذيتها، ويخلق مناطق متوفية حيث تكون مستويات الأكسجين منخفضة للغاية لدعم معظم الكائنات البحرية، وتتجاوز منطقة خليج المكسيك الميتة، التي يغذيها ارتفاع حراري في حجمها المغذيات من نهر ميسيسيبي، 000 5 ميل مربع.

وتتطلب معالجة هذه التحديات تحسين معالجة المياه المستعملة، والممارسات الزراعية المستدامة، والحد من التلوث البلاستيكي، والتعاون الدولي لحماية هيئات المياه العابرة للحدود.

استراتيجيات الحفظ

وتتطلب الحماية الفعالة لغطاء المياه نهجا شاملا يجمع بين التخفيف من حدة المناخ، واستعادة الموائل، واستخدام المياه المستدام، ويكتسي الحد من انبعاثات غازات الدفيئة أهمية حاسمة في تباطؤ الاحترار وآثاره على شبكات المياه، ويعزز استعادة الأراضي الرطبة والفيضانات استيعاب الفيضانات الطبيعية وتدفق المياه، بينما تؤدي أساليب الري الفعالة، مثل الري بالتنقيط، إلى الحد من النفايات المائية.

فالتكنولوجيات الناشئة مثل إعادة استخدام المياه وتحليتها، لا سيما عندما تكون الطاقة المتجددة قادرة على إيجاد حلول واعدة لندرة المياه العذبة، وتوفر الأطر الدولية مثل اتفاق باريس منابر للعمل المنسق في مجال المناخ، بينما تعمل الإدارة المتكاملة لموارد المياه على تحقيق التوازن المستدام بين الاحتياجات البشرية والإيكولوجية من المياه.