Table of Contents
نظام المناخ الأرضي 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، الأرض ستكون كوكباً مجمّداً لا حياة له، فهم دور الإشعاع الشمسي ليس مجرد تمرين أكاديمي، بل هو أمر أساسي لمعرفة كيف تعمل النظم المناخية، وكيف تغيرت
ما هو الإشعاع الشمسي؟
الإشعاع الشمسي هو الطاقة الكهرومغناطيسية التي انبعثت من الشمس نتيجة لتفاعلات الإندماج النووي المستمرة في قلبها هذه الطاقة تسافر عبر الفراغ من الفضاء بسرعة الضوء
إن الغلاف الجوي للأرض يستوعب بشكل انتقائي ويبعث أشواطاً مختلفة من الإشعاع الشمسي، على سبيل المثال، الأوزون في الغلاف الجوي العلوي يستوعب معظم الإشعاعات الفوق البنفسجية الضارة، والإشعاع فوق البنفسج، 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 السطح 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 دون أن يتم تفريقه أو امتصاصه من مكونات الغلاف الجوي، وهذا هو العنصر المسؤول عن الظلال الحادة والحرارة الشديدة التي تُشعر بها في يوم واضح، وحجم الإشعاع المباشر الذي يصل إلى موقع ما يتوقف على ارتفاع الشمس (الزاوية فوق الأفق)، وطول مسار الإشعاع الجوي المرتفع، وتركيز التلوث الحضري.
Diffuse Solar Radiation
الإشعاع الشمسي هو ضوء الشمس الذي تحطمت بواسطة الجزيئات والهيروسولات و قطرات السحاب في الغلاف الجوي قبل الوصول إلى الأرض، وهى تبعث على الرايليه التي تبعث من جزيئات جوية، وتعطي كل هذه الموازين الوراثية السماوية لونها السماوية، بالإضافة إلى تحطمها جسيمات أكبر، فإن هذا العنصر من الصور يخلق دواماً مهماً.
الترسب الشمسي
إن الإشعاع الشمسي المُنعكس يشير إلى ضوء الشمس الذي يُرجَم من سطح الأرض أو من الغيوم دون أن يُستَمَد، فجزء الإشعاع الشمسي الجديد الذي ينعكس على سطح الأرض معروف بـ " ألبيدو " ، فالأرض 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 استيعابه من سطح الأرض وجوها، وهو المحرك الرئيسي للطقس والمناخ.
The Importance of Solar Radiation in Climate Systems
الإشعاع الشمسي هو المحرك الذي يعمل به النظام المناخي 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 قبل 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، ويحدث تغيرات في الإشعاع الشمسي، بسبب درجة حرارة الأرض السنوية.
التليفزيون والبيوس
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 الحرارية)، والانبعاثات من الكبريتات الحرارية.
الإشعاع الشمسي وأثر غرينهاوس
إن تأثير الدفء هو عملية طبيعية تحافظ على سطح الأرض على نحو 33 درجة مئوية أكثر من أن يكون بدون جو، فالإشعاع الشمسي يؤدي دوراً محورياً في هذه العملية، ويمر الإشعاع الشمسي القصير الوافد عبر الغلاف الجوي دون عائق نسبياً ويستوعبه السطح، ويحدث السطح بعد ذلك الإشعاع الذي يمتد على الموجات الطويلة، وينتج عنه بخار الماء الخفي، وثاني أكسيد الكربون، وثبان.
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 الملحوظ منذ منتصف القرن العشرين يعزى بصورة ساحقة 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 أثارت تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من مستويات ما قبل الصناعة تبلغ حوالي 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 النتريك، 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.
فالتفاعل بين الإشعاع الشمسي وغازات الدفيئة هذه معقد، فعلى سبيل المثال، حيث يدفئ الكوكب، يدخل المزيد من بخار المياه الغلاف الجوي (التغذية القوية)، وتغير الأنماط السحابية، مما يغير بدوره كمية الإشعاع الشمسي التي تنعكس أو تستوعب، ويعتبر فهم هذه التعليقات أمرا بالغ الأهمية بالنسبة لنموذج المناخ الدقيق.
تفاوت الإشعاع الشمسي
إن الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض ليس ثابتا بمرور الوقت، فالتغيرات الطبيعية تحدث على فترات زمنية متعددة، 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 ومتوسطة.
العُقد الشمسية
وتشهد الشمس دورة نشاط مدتها 11 سنة تقريبا، تميزت بتغيرات في عدد البقع الشمسية، والمناورات الشمسية، والطرد الجماعي التراكمي للكورون، وخلال أقصى فترة شمسية، تبعث الشمس على طاقة أكبر بقليل (بحوالي 0.1 في المائة) من خلال الحد الأدنى للشمس، 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 الفترة الأخيرة(90).
(التغيرات المدارية للأرض) (المركبات ميلانكوفيتش)
في حدود عشرات إلى مئات الآلاف من السنين تغيرات في مدار الأرض و تيار محوري يغير كمية وتوزيع الإشعاع الشمسي المتلقاة في خطوط العرض المختلفة
الظروف الجوية
فالجو ليس ثابتا، إذ أن الانفجارات البركانية تحقن كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكبريت في الغلاف الجوي، حيث يشكل هوسول الكبريت الذي ينشر 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 تغير بدرجة كبيرة.
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 يولد مستويات ضغط تسبب الرياح، وهذه الرياح تنقل الحرارة، والرطوبة، والزخم حول العالم، وتشكل أنماط الطقس الدينامية التي نشهدها.
التقلبات المزمنة
وتقود دورة الحرارة الدوارة يومياً إلى التناوب اليومي للأرض، وأثناء النهار، يدفئ الإشعاع الشمسي السطح؛ وفي الليل، تبرد السطح عن طريق الإشعاع بالأشعة تحت الحمراء، ويتوقف حجم هذا التقلب على عوامل مثل خط العرض، والموسم، ورطوبة التربة، والغطاء السحابي.
أنماط التأمل
إن الهواء الطلق 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، وتدفق القطب، وهواء الهواء في المناطق دون المدارية، ورياح التجارة الاستوائية على السطح، وهذا النمط يُشكل الطقس المداري ويخلق تردد أحزمة الريح.
Solar Radiation and Climate Change
إن فهم دور الإشعاع الشمسي في سياق تغير المناخ البشري أمر حيوي، ففي حين أن التقلب الشمسي قد أثر على المناخات السابقة، فإن الاتجاه الحديث للاحترار لا يمكن أن يعزى إلى الشمس، فالمقاييس الساتلية منذ عام 1978 لا تظهر اتجاها طويل الأجل في الإشعاع الشمسي الكلي الذي 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، وهي حلقة إيجابية تُعرف بعلامة التردّد الجليدي، كما أن التغيرات في الغطاء السحابي والنوع يمكن أن تُضخم أو تُبطل الاحترار تبعاً للارتفاع والسمك الفيديو والإشعاع الوميض والإشعاعي والأشعة المجه
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 تدابير أخرى المركبات الكهربائية، وكفاءة الطاقة، والتغيرات في الممارسات الزراعية لخفض انبعاثات ثاني أكسيد النيتروز.
تعزيز كفاءة الطاقة
ويؤدي تحسين كفاءة المباني والنقل والصناعة إلى خفض الطلب الكلي على الطاقة، مما يسهل تلبية هذا الطلب بالمصادر النظيفة، كما أن تكنولوجيات الشبكة الذكية، والعزل الأفضل، والإضاءة باستخدام الأجهزة المتفجرة المرتجلة، والأجهزة العالية الكفاءة هي 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 التقاط الهواء المباشر وتخزين الكربون للتعجيل بهذه العملية.
قياس الإشعاع الشمسي
(أ) إنَّ قياس الإشعاع الشمسي ضروريٌ لعلوم المناخ والتنبؤ بالطقس وتخطيط الطاقة المتجددة، وتقيس أدوات مثل أجهزة قياس الإشعاع الشمسي العالمية (مجموعات المواد المشعة) على سطح أفقي، بينما تقيس أجهزة قياس الغلاف الجوي المباشرة (الشعاع المباشر من الشمس) أدوات قائمة على السواتل، مثل تلك الموجودة في أجهزة التبديل الترددي (SSOHO) وسواتل " Terras " ، تقدم ملاحظات مستمرة بشأن مجمل الآفاق الشمسية.
Albedo and Surface Feedbacks
كما أن الأشعة 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، وسقوط 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 دوامة نظام المناخ في الأرض، وهو يوفر الطاقة التي تقود التداول في الغلاف الجوي والمحيطات، وينظم أنماط الحرارة، ويقوى الدورة الهيدرولوجية، ويديم الحياة من خلال التلخيص الضوئي، ويراعي تفاوت الإشعاع الشمسي من دورات قصيرة الأجل إلى تغيرات مدارية طويلة الأجل، ويضع المناخ على نطاق واسع من الاتّباع الإشعاعي.