تحليل تأثير الشمس الإشعاع على المناخ الفرق

فهم الإشعاع الشمسي ومكوناته المستقطبة

إن الإشعاع الشمسي هو الطاقة الكهرومغناطيسية التي تنبعث منها الشمس، والتي تعمل كعامل أساسي في نظام المناخ الأرضي، وتنتقل هذه الطاقة عبر الفضاء وتصل إلى قمة الغلاف الجوي في المتوسط ويبلغ متوسطه 361 1 واطلاً لكل متر مربع (W/m2)، وهي قيمة معروفة بالثبات الشمسي، غير أن الكمية الفعلية التي تصل إلى النطاقات الإشعاعية السطحية نتيجة لتصلب الغلاف الجوي في المدارات.

الضوء المرئي

ويشكل الضوء المرئي )الموجات من ٣٨٠ إلى ٧٥٠ نانو متر( حوالي ٤٤ في المائة من مجموع الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض، وينتقل إلى حد كبير عبر الغلاف الجوي ويستوعبه السطح، ويقود الدفء النهاري، ويصبغ التثبيت الضوئي، ويبخر الماء، وتؤثر التغيرات في كثافة الضوء مباشرة على ردود الفعل من الطحالب السطحية، مثلا، عندما يستوعب الثلج والجليد، والأسطح المظلمة إشعاعات.

الاشعاع فوق الرافعة

ويزيد الإشعاع (Ultraviolet) (UV) (الموجات التي تقل عن 380 نانو متراً) من 7 في المائة من الطاقة الشمسية الجديدة ولكنه يتجاوز آثاره، ويستوعب ثاني أكسيد الكربون (80-315 نانو متراً) إلى حد كبير طبقة الأوزون الستراتوسفيرية، كما أن التباينات في مدخلات المركبات فوق البنفسجية يمكن أن تغير كيميائيات الأوزون وتدرجات درجة حرارة السترات في الغلاف الجوي.

الإشعاع تحت الحمراء

أما الإشعاع تحت الحمراء (الموجات فوق 750 نانو متر) فيشكل نحو 49 في المائة من الطاقة الشمسية، وبينما تبعث الشمس أساسا على الإشعاع الموجات القصيرة، فإن الأرض تعيد استخدام الطاقة كمفاعلات تعمل بالموجات الطويلة. غير أن التبخير المائي المباشر بالطاقة الشمسية يستوعبه بخار الماء وثاني أكسيد الكربون في الجو الأدنى، مما يسهم في تأثير الدفء، ويمكن أن يؤدي التغير في الطاقة الشمسية IR إلى التعبئة في الغلاف الجوي الغيوم.

ويعد القياس الدقيق لهذه المكونات الطيفية ونموذجها أمرا أساسيا لإثارة تغيرات المناخ الطبيعية والإكراهية، إذ توفر البعثات الساتلية مثل جهاز الاستشعار الشمسي الكلي والكهربائي (TSIS-1) الموجود على متن محطة الفضاء الدولية بيانات مستمرة عن الإشعاع الطيفي، مما يحسن من قدرتنا على ربط التقلبات الشمسية بالاستجابات المناخية.

آليات التقلبات الشمسية

إن الناتج الشمسي ليس ثابتا، بل يتغير على عدة فترات زمنية مدفوعا بالنشاط المغناطيسي الداخلي والتغييرات في هيكل الشمس، وأبرز إشارة هي الدورة الشمسية التي تمتد 11 عاما، والتي تميزت بارتفاع وهبوط أعداد الصبغة الشمسية، ويمكن أن تبعث الشمس خلال فترة الذروة الشمسية على طاقة أكثر قليلا (نحو 0.1 في المائة من التغيُّر الكلي للشمس، والتفريغ الصناعي)، وأكثر ارتفاعا بكثير (حتى 6 في المائة من التأثيرات).

"السيّارة الشمسية 11 سنة"

وتتم متابعة دورات البقع الشمسية من خلال مؤشرات مثل رقم البقعة الشمسية وتدفقات الترددات اللاسلكية من طراز F10.7 سم، وخلال النشاط العالي، تسخن موجات الأشعة فوق البنفسجية الستراتوسفير، وتقود تغييرات في تداول البهور - دوبسون، وتغير توزيع الأوزون، مما يحوّل مسارات الطائرات دون المدارية ويمكن أن يُقلل من أنماط الطقس في الشتاء الشمالي الأعلى، بما في ذلك منطقة شمال الأطلسي

الفرق الطويلة الأجل: الحد الأدنى للذكور ومتوسط العمر الكبير

فبعد الدورة التي تمتد ١١ سنة، تُظهر الشمس تغيرات تمتد من عقود إلى قرن، وكان الحد الأدنى للبنود )١٦٤٥-١٧١٥( فترة نشاط منخفض للغاية في مجال شروق الشمس يتزامن مع الجزء الأبرد من العصر الجليدي الصغير، وفي حين أن التخفيض المباشر في تكنولوجيا المعلومات خلال تلك الفترة يقدر بـ ٠,٢-٠,٣ W/m2، فإن عمليات إعادة البناء المحتملة من حلقات الأشجار و/أعمدة الجليد توحيها على أنه يبلغ سعة ١,٠,١٤.

الاتجاهات العلمانية والصناعات الشمسية

وعلى مر القرون وحتى آلاف السنين، تغيرات مدار الأرض )دورات ميلانكوفيتش( في توزيع الإشعاع الشمسي الذي يتم تلقيه في قمة الغلاف الجوي وكميته الإجمالية، وهذه التغيرات المدارية هي صانعي الجليد، مما يتسبب في تحولات تتراوح بين ٥ و ١٠ و/٢ في خطوط العرض العالية، وعلى النقيض من ذلك، فإن التغيرات في القدرة على التنبؤ بالأشعة الشمسية والنشاط المغنطيئي هي على أساس ١ و/م٢.

How Solar Radiation Influences Atmospheric Circulation and Weather Patterns

ويُستَغَطَّر تأثير الإشعاع الشمسي على المناخ من خلال التغذية المرتدة في الغلاف الجوي والمحيطي المعقد، ويتمثل أحد المسارات الرئيسية في آلية " التدفئة من الأرض " ، حيث يُغيِّر التدفئة المستحثة من الغلاف الجوي فوق البنفسجي في مستويات الحرارة وأنماط الرياح، ويمكن أن يُنعكس ذلك إلى الغلاف الجوي من أسابيع إلى أشهر.

طبقة الأوزون والدرجة الحرارة

ويعزز ارتفاع مستوى سطح الأرض إنتاج الأوزون في طبقة الغلاف الجوي المداري، ويستوعب المزيد من الأوزون المزيد من الأشعة فوق البنفسجية، ويدفئ الستراتوسفير ويعزز دودة القطبي الستراتوسفيري، ويميل دوامة القطب الأقوى إلى الحفاظ على الكتلة الهوائية المستقرة الباردة في القطب الشمالي، مما يقلل من تواتر أحداث التكسير في خط العرض المتوسط، وعلى العكس من ذلك، فإن دوامة البرودة الأضعف تسمح بمزيد من التكسيدات في القطبية القطبية الشمالية.

Effect on Jet Streams and Storm Tracks

فالتغيرات في درجة الحرارة في المناطق المدارية بين المناطق المدارية والأعمدة، التي تتأثر بالتدفئة الشمسية، تؤثر مباشرة على موقع وكمية تدفقات الطائرات، ويمكن أن تؤدي دورة شمسية أقوى إلى تحويل عمود الطائرات العمودية دون المدارية، مما يغير مسارات العواصف التي توفر التهوية إلى غرب أمريكا الشمالية وأوروبا وآسيا، مثلا، خلال فترات النشاط الشمسي المرتفع، تتجه مسارات عاصفة المحيط الهادئ نحو التحول إلى الشمال.

المحيطات والغلاف الجوي

كما أن الإشعاع الشمسي يرغم سطح المحيط، ويؤثر على درجات الحرارة السطحية البحرية وتيار المحيط، ويظهر النينيو - التذبذب الجنوبي استجابة ضعيفة ولكن يمكن كشفها لتقلبات الشمس، وتشير بعض الدراسات إلى أن المحيط الهادئ المداري، خلال فترة الذرة الشمسية، يبرد مثل لانيا، بينما يتحول نصف الكرة الأرضية إلى أنماط من الجفاف في العالم.

التأثيرات الملاحظـة على درجة الحرارة والتوقعات والأحداث البالغة

وتوفر السجلات التاريخية والملاحظة أدلة على أن تغيرات الإشعاع الشمسي تسهم في تقلب المناخ عبر مختلف المناطق والمواسم.

التقلبات

وعلى الصعيد العالمي، فإن الترابط بين مؤشر التكييف ودرجة الحرارة السطحية متواضع (المعدل 0.1-2 خلال السنوات الـ 400 الماضية)، ولكن الإشارات الإقليمية أكثر وضوحا، فعلى سبيل المثال، تظهر القطب الشمالي حساسية معززة للضغط الشمسي بسبب التغذية المرتدة بالجليد، ففي فترات النشاط الشمسي المرتفع، ترتفع درجات الحرارة القطبية بمقدار 1-2 مئوية مقارنة بالأشعة الشمسية المصغرة، وتتسارع في فقدان الجليد البحري.

أنماط التأمل

وقد تأثر الإشعاع الشمسي بدورة التبخير الهيدرولوجي أساساً من خلال تغيير معدلات التبخر ووضع منطقة التقارب بين المدارات، وقد ترتبط التحولات السياسية في المنطقة المتجمدة الجنوبية بالغاز الشمسي في السجلات البديلة من المحرقة، وقد تظهر النظم الموسمية في الهند وأفريقيا وجنوب شرق آسيا تفاوتاً متعدد الأبعاد يضاهي فترات الحرق الشمسية في عام 1980، رغم أن الإشارة إلى عام 1970 هي مثال على ذلك.

أحداث الطقس القاسية

ويمكن أن تؤدي التغييرات في أنماط التداول الجوي التي تحركها تقلبات الشمس إلى تغيير تواتر وشدة الأحداث المتطرفة:

• Heatwaves:] Positive phases of the NAO and weaker polar jetstreams during solar maxima can lead to persistent high-pressure ridges, increasing the risk of heatwaves in summer.
• Hurricanes:] Solar modulation of ocean heat content andرأس wind shear affects tropical cyclone formation. Some studies indicate that Atlanticعاصير frequency increases during solar maxima due to reduced wind shear over the main development region.
• Winter Storms:] In solar minima, a weaker stratospheric vortex can lead to sudden stratospheric warming events, which in turn favor cold-air outbreaks and severe winter storms in the eastern United States and Europe.
• Drought:] Persistent solar forcing may contribute to long-term drought patterns, such as the megadroughts observed in the southwestern US during the Medieval Warm Period, when solar output was relatively high.

دراسات الحالة التاريخية: البحث الشمسي في سجل الملوك

ويشهد تأثير الإشعاع الشمسي على المناخ بوضوح أكبر على النطاقات الزمنية التي تدوم كل سنة وعشر سنوات باستخدام بيانات بديلة.

العصر الجليدي الصغير (1300-1850)

وقد شملت هذه الفترة ثلاثة أمواج شمسية رئيسية (الذئب، والسكر، وماندر) وتزامنت مع درجات حرارة أقل من المتوسط في نصف الكرة الشمالي، كما أن عمليات إعادة البناء التي تستخدم حلقات الأشجار، والنواة الجليدية، وسجلات الرواسب تبين أن درجة الحرارة تتراوح بين 0.5 و1.0 درجة مئوية على الصعيد العالمي، مع زيادة التبريد في أوروبا وشمال المحيط الأطلسي، كما أن تقدم مراحيض الألب في نهر ثامب وتجمد حافة نهر ثامي.

فترة الحرب في العصور الوسطى (950-1250)

وقد شهدت هذه الفترة، متزامنة مع الحد الأقصى للنشاط الشمسي في العصور الوسطى، درجات حرارة مقارنة بمستويات القرن العشرين في بعض المناطق، ولا سيما شمال الأطلسي، وكثيرا ما يرتبط استعمار نورس غرينلاند وزيادة الإنتاجية الزراعية في أوروبا بهذا الاحترار، غير أن الدفء لم يكن متزامنا عالميا، مما يبرز الطابع الإقليمي المعقد للتسرب الشمسي.

الخلية الشمسية

على مدى الـ 10 آلاف سنة الماضية، أعيد بناء تغيرات في الإشعاع الشمسي من النظائر المسببة للتكتل مثل الكربون 14 وبريليوم-10، وتكشف هذه السجلات عن وجود دوريات تبلغ 90 (Gleissberg) و200 (de Vries) و400 2 سنة (دورة الهلوتات) وتشير المقارنة مع نباتات المناخ إلى أن ظروفاً أكثر دفئاً في شمالي نصف الكرة الأرضية(2).

Disentangling Solar Forcing from Anthropogenic Climate Change

وفي العصر الحديث، يهيمن على اتجاه الاحترار منذ منتصف القرن العشرين انبعاثات غازات الدفيئة، ولكن الضغط الشمسي لا يزال يخفض التباين القصير الأجل، لأن الزيادة الصافية في مؤشر التنس، نظراً لأن الحد الأدنى للحمض لا يتجاوز 0.3 و/م2 (مقارنة بضغط إشعاعي من ثاني أكسيد الكربون يزيد على 3 و/م2 اليوم)، لا يمكن أن تفسر التغيرات الشمسية آثار الاحترار العالمي الأخيرة.

دراسات الكشف والنسب

وتظهر محاكاة نموذج المناخ التي تشمل كلا من المحاور الطبيعية (السولة والبركانية) وعمليات الحرق البشرية المنشأ التي تُعاد إنتاجها، والتي لوحظت في القرن العشرين، تغيرات في درجة الحرارة أفضل بكثير من تلك التي تُفرض عليها دوافع طبيعية وحدها، وتستنتج دراسات الكشف والنسب أن البصمات التي تُفرض على الطاقة الشمسية (مثل أنماط الاحترار في الغلاف الجوي) موجودة ولكنها تُعَطِّفُر على أساس مؤشر غازات الدفيئة عند السطح.

Implications for Climate Sensitivity

تقديرات حساسية المناخ - ارتفاع درجة الحرارة إلى حد كبير بالنسبة لثاني أكسيد الكربون المبلّغ بالاستجابات للضغط الشمسي، وتُستخدم نسبة تغير درجة الحرارة إلى التلقيح الإشعاعي من الدورات الشمسية كقيود، والتوافق في الآراء على أن حساسية المناخ بالتوازن تكمن بين 2.5 درجة مئوية و4 درجات مئوية لكل ثاني أكسيد الكربون، بما يتسق مع المعايرة الشمسية.

حالياً: حدود البحوث ومصادر البيانات

وقد أحدثت شبكات المراقبة الحديثة والبعثات الساتلية ثورة في قدرتنا على رصد الإشعاع الشمسي وآثاره المناخية.

البعثات الساتلية الرئيسية

• Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE)] (2003-2020): Provided high-resolution spectral irradiance measurements.
• ]TSIS-1 (2018 - حتى الآن): تواصل تراث شركة SORCE مع تحسين الدقة، وتغطية المركبات فوق البنفسجية، والبصرية، وقربها.
• PICARD] (2010-2014): ستودييد شكل الشمس وتقلب الإشعاع.
• Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)] and ]Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES): Measure top-of-atmosphere energy fluxes, crucial for understanding radiative imbalances.

الشبكات الأرضية

وتوفر شبكة الإشعاع السطحي السطحي (BSRN) بيانات عالية الجودة عن الإشعاع الشمسي السطحي في أكثر من 70 محطة في العالم، وتضع نظام " آرونت " (AERONET) مقياساً للعمق البصري للهيروسيل، الذي تتأثر به الكيمياء الضوئية التي يسببها الأشعة فوق البنفسجية، وتساعد هذه الشبكات على التحقق من البيانات الساتلية وتحسين نماذج النقل الإشعاعي.

الاتجاهات المستقبلية

• تحسين تمثيل الإشعاع الشمسي في نماذج المناخ.
• (ج) التحقيق في دور التغذية السحابية المستحثة بالطاقة الشمسية باستخدام بيانات ساتلية جديدة.
• دراسة نظام الشمس الأرضي ككل، بما في ذلك التأثير المحتمل للأشعة الكونية المجرية على النواة السحابية - آلية مثيرة للجدل ولكنها مهمة.

الاستنتاج: الدور الثابت والمنخفض للترسب الشمسي

إن الإشعاع الشمسي يظل عاملاً أساسياً في تقلب المناخ عبر جميع الأوقات، وتأثيره على درجة الحرارة، والتهطال، والظواهر الشديدة، قابلة للقياس وذات أهمية علمية، لا سيما عند النظر في الأنماط الإقليمية والأرجحية المناخية الطبيعية، ولكن في سياق القرن الماضي، أصبح الضغط الصناعي الناجم عن غازات الدفيئة العامل المهيمن، ففهم التفاعلات التي تكتنف المناخ والتي تتحول إلى تغيرات مناخية أكثر دواماً، مما تحقق من نتائج في مجال تغير المناخ.

For further reading, see the NASA TSIS-1 mission page ], the NOA Climate.gov gate, and the IPCC Sixth Assessment Report (Working Group I).