دور الإشعاع الشمسي في نظم المناخ

إن نظام المناخ في الأرض هو شبكة معقدة ومتشابكة من العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية، من بين العوامل العديدة التي تؤثر على هذا النظام، يُعتبر الإشعاع الشمسي مصدر طاقة أساسي يدفع جميع الديناميات المناخية تقريباً، وبدون طاقة الشمس، ستكون الأرض كوكباً مجمّداً لا حياة له، فهم دور الإشعاع الشمسي ليس مجرد تمرين أكاديمي، ومن الضروري فهم كيفية عمل النظم المناخية، وكيف تغيرت

ما هو الإشعاع الشمسي؟

الإشعاع الشمسي هو الطاقة الكهرومغناطيسية التي انبعثت من الشمس نتيجة لتفاعلات الإندماج النووي في قلبها، هذه الطاقة تسافر عبر فراغ الفضاء بسرعة الضوء،

إن الغلاف الجوي للأرض يستوعب بشكل انتقائي ويبعث أشتعال مختلفة من الإشعاع الشمسي، على سبيل المثال، يستوعب الأوزون في الغلاف الجوي العلوي المؤذي معظم الإشعاع فوق البنفسجي والأشعة فوق البنفسجية، بينما يستوعب بخار الماء وثاني أكسيد الكربون بعض الإشعاعات ذات الأشعة تحت الحمراء، أما الإشعاع المتبقي فيصل إلى السطح حيث يتم امتصاصه أو عكسه.

أنواع الإشعاع الشمسي

تصنيف الإشعاع الشمسي كما يتفاعل مع الغلاف الجوي للأرض و سطحها هو أمر أساسي لفهم ميزانيات الطاقة ونماذج المناخ.

الاشعاع الشمسي المباشر

الإشعاع الشمسي المباشر يتكون من ضوء الشمس الذي ينتقل من الشمس إلى سطح الأرض بدون أن يتم تقطيعه أو امتصاصه من مكونات الغلاف الجوي، هذا العنصر المسؤول عن الظلال الحادة والحرارة الشديدة التي تُشعر بها في يوم واضح، كمية الإشعاع المباشر إلى موقع ما تعتمد على ارتفاع الشمس (الزاوية فوق الأفق)، طول مسار الإشعاع الجوي المرتفع، وتركيز التلوث الحضري.

Diffuse Solar Radiation

الإشعاع الشمسي هو ضوء الشمس الذي تفرقت به الجزيئات والهيروسولات و قطرات السحاب في الغلاف الجوي قبل الوصول إلى الأرض، وهذات الرايليه التي تبعث من جزيئات الهواء تبعث على التفضيل في سلاسل الموجات الأقصر (الضوء الأسود) وتعطي السماء لونها السماوية، إلى جانب تحطم مي بواسطة إشعاعات أكبر، فإن هذه العملية تخلق تشنجات كبيرة.

الترسب الشمسي

إن الإشعاع الشمسي المُنبثق يشير إلى ضوء الشمس الذي يُرجَع من سطح الأرض أو من الغيوم دون أن يُستَمَد، فجزء الإشعاع الشمسي الجديد الذي ينعكس على سطح ما يُعرف بـ " ألبودو " ، والسطح ذات الصبغة العالية مثل الثلج الطازج (البيتدو حتى 0.9) والجليد الأبيض، يعكس معظم الإشعاعات الخفيفة، مثل الغابات والمحيطات، 0.05.

وهذه العناصر الثلاثة مجتمعة، متجهة، موزعة، وعكست تحديد الإشعاع الشمسي الصافي الذي تم امتصاصه من سطح الأرض وجوها، وهو المحرك الرئيسي للطقس والمناخ.

The Importance of Solar Radiation in Climate Systems

الإشعاع الشمسي هو محرك نظام المناخ ويمكن تقسيم أهميته إلى عدة مهام رئيسية:

المصدر

نظام الأرض المناخي هو نظام مفتوح يتلقى الطاقة باستمرار من الشمس تقريباً 30% من الإشعاع الشمسي القادم ينعكس إلى الفضاء من الغيوم والهباء والسطح

نظام التأديب

إن كمية الإشعاع الشمسي التي يتم تلقيها في مكان معين تؤثر مباشرة على درجة حرارته، حيث يستقبل خط الاستواء ضوء الشمس أكثر كثافة وتركيزا من القطبين، مما يؤدي إلى تدرج حرارة حرارة أقل، وهذا التدرج هو المحرك الأساسي للرياح العالمية وتيار المحيط، الذي يعيد توزيع الحرارة من المناطق المدارية نحو القطب، والتغيرات الموسمية في الإشعاع الشمسي، نظرا لدرجات الحرارة في موسم الأرض.

التليفزيون والبيولوجيا

والإشعاع الشمسي هو مصدر الطاقة للصور التوليبية، وهي العملية التي تحول بها النباتات والطحالب والبوكتيريا ثاني أكسيد الكربون والمياه إلى مادة عضوية وأكسجين، وهذه العملية هي أساس كل شبكات الأغذية الأرضية والمائية تقريباً، ويؤثر الغلاف الحيوي بدوره على المناخ من خلال تدوير الكربون، وتغيرات الطحالب السطحية (مثلاً، تغيرات الإشعاعات في الأراضي الرطبة) والانبعاثات الحرارية.

الإشعاع الشمسي وأثر غرينهاوس

إن تأثير الدفء هو عملية طبيعية تحافظ على سطح الأرض بحوالي 33 درجة مئوية أكثر من أن يكون بدون جو، الإشعاع الشمسي يؤدي دوراً محورياً في هذه العملية، ويمر الإشعاع الشمسي القصير القادم عبر الغلاف الجوي دون عائق نسبياً ويستوعبه السطح، ويحدثه بعد ذلك الإشعاع الذي يمتد على الموجات الطويلة، ويحدث في الغالب زهرة الماء، وثاني أكسيد الكربون، وثبان، وثوبريد

غير أن الأنشطة البشرية قد زادت كثيرا من تركيزات غازات الدفيئة منذ الثورة الصناعية، مما عزز أثر الدفيئة الطبيعية، وهذا الأثر المعزز هو المحرك الرئيسي للاحترار العالمي الحديث، وفي حين أن النطاق الطبيعي لتقلبات الإشعاع الشمسي له تأثير قابل للقياس على المناخ، خلص الفريق الحكومي الدولي إلى أن الاحترار الملاحظ منذ منتصف القرن العشرين يعزى إلى حد كبير إلى زيادات ناجمة عن الإنسان في غازات الدفيئة، وليس إلى تغيرات في الناتج الشمسي.

Key Greenhouse Gases

أكسيد الكربون (CO2)

وثاني أكسيد الكربون هو أهم غازات الدفيئة البشرية المنشأ، وتشمل المصادر الطبيعية التنفس والانفجارات البركانية والعزلة، ولا سيما حرق الوقود الأحفوري وإزالة الغابات والعمليات الصناعية مثل إنتاج الإسمنت - التي أحدثت تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من مستويات ما قبل الصناعة تبلغ نحو ٢٨٠ جزءاً في المليون )صفر( إلى أكثر من ٤٢٠ جزءاً في اليوم.

الميثان (CH4)

والميثان أكثر من 25 مرة من غاز الدفيئة من ثاني أكسيد الكربون خلال فترة 100 سنة، وإن كان له عمر أقصر في الغلاف الجوي (حوالي 12 سنة)، وتشمل المصادر الرئيسية الأراضي الرطبة، وحفر الماشية (التخمير الداخلي)، وزراعة الأرز، واستخراج الوقود الأحفوري، ومدافن القمامة، وقد زادت تركيزات الميثان أكثر من الضعف منذ زمن ما قبل الصناعة.

نترووس أوكسيد (N2O)

ويزيد أكسيد النيتروز بمقدار 300 مرة عن ثاني أكسيد الكربون ويظل في الغلاف الجوي لأكثر من 100 سنة، ويُطلق أساساً من الأسمدة الزراعية، ومناورة الماشية، والعمليات الصناعية مثل إنتاج حامض النيتريك، وحرق الوقود الأحفوري والكتلة الأحيائية، كما أن أكسيد النيتروز هو المادة المهيمنة المستنفدة للأوزون التي انبثقت اليوم، ويستلزم خفض انبعاثات أكسيد النيتروز استخداماً أكثر كفاءة وتحسين إدارة النفايات.

إن التفاعل بين الإشعاع الشمسي وغاز الدفيئة هذا معقد، فعلى سبيل المثال، حيث يدفئ الكوكب، فإن المزيد من بخار المياه يدخل الغلاف الجوي (التغذية القوية)، والتحول في أنماط السحب، الذي يغير بدوره كمية الإشعاع الشمسي التي تنعكس أو تستوعب، وفهم هذه التعليقات أمر حاسم بالنسبة لنموذج المناخ الدقيق.

تفاوت الإشعاع الشمسي

إن الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض ليس ثابتاً بمرور الوقت، إذ تحدث تغيرات طبيعية على عدة فترات زمنية، من دقائق إلى آلاف السنين، وتؤثر هذه التباينات على المناخ، ومن المهم التمييز بين التغيرات في مجموع الإشعاع الشمسي (ناتج الطاقة للشمس) والتغيرات في توزيع تلك الطاقة على الأرض بسبب عوامل مدارية وجوية.

العُقد الشمسية

وتشهد الشمس دورة نشاط مدتها 11 سنة تقريبا، تميزت بتغيرات في عدد البقع الشمسية، والمناورات الشمسية، والطلقات الجماعية الكورونية، وخلال أقصى فترة من الشمس، تبعث الشمس على طاقة أكبر قليلا (بحوالي 0.1 في المائة) من خلال الحد الأدنى من الطاقة الشمسية، وفي حين أن هذا التباين صغير، فإنه يمكن أن يتضخم من خلال التفاعلات بين الأوزون والأشعة فوق البنفسجية في الستراتوسفير، مما يؤدي إلى آثار مناخية الإقليمية مثل التحولات في مسارات العواصفية في التسعينات.

(التغيرات المدارية للأرض (المركبات الميلانكوفيتش

في حدود عشرات إلى مئات الآلاف من السنين تغيرات في مدار الأرض و تيار محوري يغير كمية وتوزيع الإشعاع الشمسي المتلقاة في خطوط عرض مختلفة

الظروف الجوية

إن الغلاف الجوي ليس ثابتا، إذ إن الانفجارات البركانية تحقن كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكبريت في الغلاف الجوي، حيث يشكل هواسول الكبريت التي تبعث على الإشعاع الشمسي الذي يعود إلى الفضاء، وقد أدت الانفجارات الكبيرة، مثل ماونت بيناتوبو في عام ١٩٩١، إلى حدوث تبريد عالمي قابل للقياس لمدة سنة إلى سنتين، وبالمثل، فإن التباينات في الغطاء السحابي )الأشعة الطبيعية والصناعية( يمكن أن تتغير إلى حد بعيد.

أثر الإشعاع الشمسي على أنماط الطقس

الإشعاع الشمسي هو المحرك النهائي لظواهر الطقس، التدفئة المختلفة لسطح الأرض إلى خط العرض، الموسم، نوع السطح، وغطاء السحابة يُحدث مستويات ضغط تسبب الرياح، وهذه الرياح تنقل الحرارة، والرطوبة، والزخم في جميع أنحاء العالم، وتشكل أنماط الطقس الدينامية التي نشهدها.

التقلبات المزمنة

وتقود دورة الحرارة الحادية التناوب اليومي للأرض، وأثناء النهار، يدفأ الإشعاع الشمسي السطح؛ وفي الليل، تبرد السطح عن طريق الإشعاع بالأشعة تحت الحمراء، ويتوقف حجم هذا التذبذب على عوامل مثل خط العرض، والموسم، ورطوبة التربة، والغطاء السحابي.

أنماط التأمل

إن الهواء الدافئ يمكن أن يحمل بخار مياه أكثر من الهواء البارد، لذا فإن المناطق التي ترتفع فيها الإشعاع الشمسي والرطوبة (مثل المحيطات الاستوائية) تشهد معدلات مرتفعة للتبخر، وعندما ترتفع هذه الأمطار المدارية الدافئة والثبات، تتحول بخار الماء إلى غيوم وتهطل، وتتسبب منطقة التقارب بين المناطق المدارية في ارتفاع الشمس

شتات الرياح

إن التدفئة غير المتساوية لسطح الأرض تنتج خلايا تداولية كبيرة في الغلاف الجوي، وتداول هادلي، مدفوعا بتسخين الشمس الشديد عند خط الاستواء، يميز ارتفاع الهواء، وتدفقات القطب، وهواء الهواء في المناطق الفرعية، ورياح التجارة الاستوائية على السطح، وهذا النمط يُشكل الطقس المداري ويخلق تواتراً للأشعة الريحية المتطرفة المتوسطة.

Solar Radiation and Climate Change

إن فهم دور الإشعاع الشمسي في سياق تغير المناخ البشري أمر حيوي، وفي حين أن التقلب الشمسي قد أثر على المناخات السابقة، فإن اتجاه الاحترار الحديث لا يمكن أن يعزى إلى الشمس، فالمقاييس الساتلية منذ عام 1978 لا تظهر أي اتجاه طويل الأجل في الأشعة الشمسية الإجمالية يمكن أن يشكل الاحترار الملاحظ على مدى السنوات الخمسين الماضية، بل إن الأثر المحسن للدفء من الانبعاثات البشرية هو المذنب الرئيسي.

غير أن الإشعاع الشمسي ليس سلبياً في هذه القصة، فالاحترار العالمي يغير ألبودو الأرض من خلال إنصهار الجليد والثلوج، ويكشف عن أسطح أكثر ظلماً تستوعب مزيداً من المعلومات المستقاة من الإشعاع الشمسي، كما أن التغيرات في الغطاء السحابي والنوع يمكن أن تتضخم أو تضعف الاحترار تبعاً للإشعاعات البصرية والإشعاعات المجهرية

استراتيجيات التخفيف

تخفيض الانبعاثات

إن أكثر الطرق مباشرة لمعالجة تغير المناخ الذي يسببه الإنسان هي الحد من انبعاثات غازات الدفيئة، فالانتقال إلى مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والريحية يقلل من الاعتماد على الوقود الأحفوري، والطاقة الشمسية نفسها هي استخدام مباشر للإشعاع الشمسي، وتجاوز دورة الكربون كلية، وتشمل التدابير الأخرى المركبات الكهربائية، وكفاءة الطاقة، والتغيرات في الممارسات الزراعية لخفض انبعاثات ثاني أكسيد النيتروز.

تعزيز كفاءة الطاقة

إن تحسين كفاءة المباني والنقل والصناعة يقلل من الطلب الكلي على الطاقة، مما يجعل من الأسهل تلبية هذا الطلب بالمصادر النظيفة، كما أن تكنولوجيات الشبكة الذكية، والعزل الأفضل، والإضاءة بالأشعة المميتة، والأجهزة العالية الكفاءة، كلها حلول مثبتة، كما أن كفاءة الطاقة تقلل من أثر جزيرة الحرارة الحضرية، الذي يُعزى جزئيا إلى إدخال تعديلات على استيعاب الإشعاع الشمسي في المدن.

تشجيع حبس الكربون

ويمكن أن تزيل أساليب عزل الكربون الطبيعي والتكنولوجي ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، كما أن إعادة التحريج والتحريج تزيد من استيعاب الإشعاع الشمسي من قبل النباتات لتصنيع الصور وتخزين الكربون بصورة فعالة في الكتلة الحيوية والتربة، كما أن ممارسات إدارة التربة، مثل الزراعة غير المزروعة، تعزز تخزين الكربون، ويجري تطوير تكنولوجيات مباشرة لاستخلاص الهواء وتخزين الكربون للتعجيل بهذه العملية.

قياس الإشعاع الشمسي

(ب) إنَّ قياسات الإشعاع الشمسي ضرورية لعلوم المناخ والتنبؤ بالطقس وتخطيط الطاقة المتجددة، وتقيس أدوات مثل أجهزة قياس الإشعاع الشمسي العالمي (مجموعات المواد المباشرة والمنتشرة) على سطح أفقي، في حين أنَّ مقاييس الحرارة تُقيس الإشعاع العادي المباشر (الشعاع المباشر من الشمس) (الأجهزة الساتلية، مثل تلك الموجودة في أجهزة سوهو وسواتل تيرا، تقدم ملاحظات مستمرة بشأن مجمل الآلات الشمسية).

Albedo and Surface Feedbacks

كما أن البقايا السطحية للأرض هي عامل دينامي ينظم كمية الإشعاع الشمسي الممتص، كما أن الجليد والثلج يحتوي على ألبدو عالية، مما يعكس ما يصل إلى 90 في المائة من ضوء الشمس القادم، ومع ارتفاع درجات الحرارة العالمية، وورقات الجليد، وهبوط الجليد البحري، مما يقلل من مساحة سطح الأرض مع ارتفاع الطحالب، وهذا يكشف عن مياه المحيطات المظلمة أو الأراضي التي تستوعب أكثر من الإشعاع الشمسي ويؤدي إلى زيادة التسخين.

خاتمة

إن الإشعاع الشمسي هو شدة الحياة في نظام المناخ في الأرض، إذ يوفر الطاقة التي تقود التداول في الغلاف الجوي والمحيطات، وينظم أنماط الحرارة، ويقوى الدورة الهيدرولوجية، ويديم الحياة من خلال التلقاح الضوئي، ويراعي تفاوت الإشعاع الشمسي، من دورات قصيرة الأجل إلى تغيرات مدارية طويلة الأجل، ويضع المناخ على نطاق واسع من التفاعلات الإشعاعية.