Table of Contents
The Fundamental Role of Solar Radiation in Polar Climate
الإشعاع الشمسي هو المحرك الرئيسي لنظام المناخ الأرضي، وتأثيره واضح بشكل خاص في المناطق القطبية، القطب الشمالي والجنوبي يستقبلان الطاقة الشمسية في الزوايا البهرية، مما يؤدي إلى انخفاض تدفق الطاقة لكل منطقة من مناطق الوحدة مقارنة بالمناطق الاستوائية، وهذا العامل الثابت بالنسبة للأرض يُشكل بشكل أساسي ديناميات المناخ القطبية ويُحدِّد المرحلة اللازمة لآليات التغذية القوية التي تتميز بها هذه البيئات.
إن تقلب الإشعاع الشمسي في المناطق القطبية هو أمر بالغ، ففي الصيف، تظل الشمس فوق الأفق لمدة 24 ساعة في اليوم في خطوط العرض فوق القطب الشمالي ووسط القطب الجنوبي، حيث توفر الطاقة الشمسية المستمرة التي تدفع بالذوبان والإنتاجية البيولوجية، وفي الشتاء تختفي الشمس كلياً لعدة أشهر، وتغرق هذه المناطق في الظلام، وتسمح بخفض درجات الحرارة.
SONAL Extremes of Solar Input
The annual cycle of solar radiation in polar regions is uniquely asymmetric. At the North Pole, the sun rises around the vernal equinox in March and sets around the autumnal equinox in September, providing six months of continuous daylight. However, because the sun remains low on the light even at its highest contrast point, the total energy received per day is less than at mid-latitudes during summer.
وتؤثر هذه الدورة الشمسية المتطرفة تأثيرا مباشرا على درجات حرارة السطح، ففي أثناء الليل القطبي، يتجاوز الإشعاع الذي يمتد على الموجات الطويلة الإشعاعات الواردة، مما يتسبب في فقدان طاقة صافية يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة تحت - 40 درجة مئوية في مناطق كثيرة، وعندما يعود ضوء الشمس في الربيع، يتحول توازن الطاقة، ولكن ارتفاع الطلاء الجليدي والجليد يعكس في البداية الكثير من الإشعاعات الواردة، مما يؤدي إلى تأخير التداول في المناخ.
SONAL Extremes of Solar Input
إن حجم الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح القطب لا يتوقف على طول النهار فحسب، بل أيضا على الظروف الجوية، فالغطاء السحابي، والهباء الجوي، وبخار الماء في الغلاف الجوي، يُعدّل كل ذلك انتقال ضوء الشمس، وفي القطب الشمالي، كثيرا ما تقل الغيوم الصيفي من الإشعاع الشمسي السطحي بنسبة 30 إلى 50 في المائة، بينما يمكن للتزلج السحابي الواضح خلال الربيع أن يعزز الانهيار من خلال زيادة الإشعاعات المباشرة.
وقد أدت القياسات من منابر السواتل مثل قمائن ناسا ونظام الطاقة الإشعاعية للأرض إلى ثورة فهمنا لهذه العمليات، وتظهر البيانات المستمدة من نظام رصد الأرض أن القطب الشمالي يتلقى حوالي 80 إلى 100 و/م2 من الإشعاع الشمسي الصافي خلال حزيران/يونيه وتموز/يوليه، مقارنة بما يزيد على 400 و/م2 في المناطق المدارية، ومع ذلك فإن هذه المدخلات المتواضعة نسبياً تنطوي على تغييرات هائلة في الغطاء الجليدي.
آليات استيعاب الطاقة وتفكيرها
وعندما يصل الإشعاع الشمسي إلى السطح القطبي، يتوقف مصيره بشكل حاسم على الخواص السطحية، ففوق الثلج والجليد المشرقين، يعود إلى الفضاء ما يصل إلى 90 في المائة من الإشعاعات القصيرة الواردة، وعلى المحيط المفتوح، يستوعب الإشعاع نفسه إلى حد كبير، ولا يظهر إلا حوالي 6.8 في المائة، وهذا التناقض الصارخ في التأمل - albedo - هو العقار الأساسي الذي يُفتح الطاقة.
إن الامتصاص المباشر للإشعاع الشمسي بواسطة الأسطح المظلمة يؤدي إلى الانصهار عبر عدة مسارات، ويسخن الاستيعاب المباشر طبقة السطح، بينما يخترق الإشعاع المتنقل المياه السطحية والجليد، ويدفئها من الداخل، وفي الجليد البحري، تخلق هذه العملية طوابق مائلة على رقائق الدار السطحي تزيد من الحد من البيردو وتسرع في الارتداد.
الإشعاع الشمسي وعلم الجليد ملطخ
فالعلاقة بين الإشعاع الشمسي والثلج غير خطي وحساس للغاية، فالتغيرات الصغيرة في توقيت أو كثافة المدخلات الشمسية يمكن أن تحدث آثارا كبيرة غير متناسبة على مدى الجليد بسبب التغذية المرتدة من الطحالب، مثلا، فإن البقعة الربيعية السابقة تعرض أسطحا مظلمة عاجلا، مما يمدد فترة استيعاب الطاقة الصافية ويزيد من حجم الوجبات الموسمية الإجمالية.
تظهر الملاحظات من المركز الوطني لبيانات الثلج والثلج أن حجم الجليد البحري في القطب الشمالي قد انخفض بنسبة 13 في المائة تقريباً في العقد منذ بدء سجلات السواتل في عام 1979، وهذا الانخفاض مرتبط ارتباطاً مباشراً بزيادة استيعاب الإشعاع الشمسي خلال الأشهر الصيفية، وعندما تذوب الجليد، يستوعب المحيط المظلم طاقة أكبر، مما يدفئ المياه ويؤخر التجميد الخريفي، مما يؤدي إلى زيادة تعرض الجليد في فصل الصيف للآثار الجليدية.
The Albedo Effect: A Critical Climate Feedback
ويقال إن أثر الطلاء هو أهم التغذية المرتدة المناخية التي تعمل في المناطق القطبية، فالألبيدو، الذي يعرف بجزء من الإشعاع الشمسي الذي ينعكس على سطح سطح ما، يختلف اختلافا واسعا بين مختلف أنواع سطح الأرض، ويحتوي الثلج الطازج على مقياس 0.8 إلى 0.9، مما يعني أنه يعكس 80 إلى 90 في المائة من ضوء الشمس الوارد، ويعاني الجليد البحري دون غطاء ثلجي من 0.5 إلى 0.7 في المائة.
تحديد ألبو وتغييرها
فالألبيدو ليس ملكا ثابتا ولكنه يختلف بزاوية ثلج الشمس، وطول الموجات، والحالة السطحية، وفي المناطق القطبية، تعني الزوايا الشمسية العالية التي ترتفع فيها الزنث أن ضوء الشمس ينتقل عبر أجواء أكثر ويضرب السطح في زوايا سطحية، مما يزيد عموما من البيوتدو مقارنة بظروف الشمس العلوية، بالإضافة إلى أن الجليد والجليد يعتمد على الموجات:
فالتغيرات الموسمية في الألبدو هائلة، ففي القطب الشمالي، يتراوح متوسط الطحالب السطحية بين حوالي 0.8 في نيسان/أبريل، عندما يكون الغطاء الجليدي واسعا وحديثا، ونحو 0.3 في أيلول/سبتمبر، عندما تذوب معظم الجليد البحري وتعرض المحيط، ويمثل هذا التأرجح الموسمي البالغ 0.5 في الطبو تغييرا هائلا في ميزانية الطاقة في المنطقة، مما يعادل التحول من مستوى عال إلى مستوى عال من البؤوس.
"الـ "أيس ألبـدو فيدباك لووب
إن التغذية المرتدة بالجليد هي مثال لا يمكن تصوره على أي تردد إيجابي في المناخ، وهي تعمل على النحو التالي: إن الاحترار الأولي يسبب بعض الجليد للذوبان، ويقلل من مساحة سطح البطن المرتفع، وهذا يعرض أسطحاً أكثر ظلماً تستوعب إشعاعاً شمسياً، مما يؤدي إلى زيادة الاحترار وذوبان جليدي آخر، وتضاعف الحلقة الاضطرابات الأصلية ويمكن أن تدفع النظام نحو دولة جديدة.
وقد انطوت هذه التغذية المرتدة على الانخفاض السريع في الجليد البحري في القطب الشمالي الذي لوحظ خلال العقود الأخيرة، كما أن نماذج المناخ التي تتضمن تمثيلا واقعيا للتغذية المرتدة بالجليد، تُعرض باستمرار دفء المنطقة القطبية الشمالية بسرعة أكبر من تلك التي لا تُحمّل أهميتها، كما أن التغذية المرتدة تعمل عكسيا: إذا ما كانت تبرد المناخ، والأشكال الجليدية المتزايدة، وتظهر ضوءا أكثر شمسا، مما يجعل من التبريد المناخ أمرا حساسا.
الاختلافات الإقليمية: القطب الشمالي ضد أنتاركتيكا ألبيدو
وفي حين أن المناطق القطبية تشهد ترددات على الجليد، فإن هناك اختلافات هامة، حيث أن القطب الشمالي محيط محاصر بالقارات، كما أن الجليد البحري فيها رقيق نسبيا ومتنقل، كما أن الجليد البحري في أنتاركتيكا يحيط بقارة ويتأثر بصحيفة الجليد في شرق أنتاركتيكا الشاسعة التي تبلغ مساحتها 0.9، كما أن المحيط الجنوبي لديه رياح أقوى وتيارات محيطية تنقل الجليد الأفقي، وتؤثر على التوزيع المكاني.
ومن المثير للاهتمام أن درجة الجليد البحري في أنتاركتيكا قد أظهرت قدرا أكبر من التقلبات وازديادا طفيفا في عمق الحقبة الساتلية، على عكس الانخفاض الكبير في القطب الشمالي، ويُعزى هذا الفرق إلى عوامل من بينها زيادة قوة النقل الحراري للمحيطات في المحيط الجنوبي، وتأثير ثقب الأوزون على التداول الجوي، وجغرافيا مختلفة في منطقة أنتاركتيكا، غير أن السنوات الأخيرة شهدت انخفاضا قياسيا في الجليد البحري في أنتاركتيكا، مما يوحي بأن اتجاهات الاحترار قد تتغلب على هذا التأثير.
التفاعل بين الإشعاع الشمسي والبدو
والتفاعل بين الإشعاع الشمسي والطحالب ليس علاقة بسيطة من جهة واحدة، بل هو نظام دينامي ومقترن، وتؤثر التغييرات في المدخلات الشمسية على الظروف السطحية، التي تغير بدورها الطلاء، التي تحد من استيعاب الطاقة الشمسية، وتخلق هذه التقريبات حلقات تفاعلية تعمل على نطاق زمني متعدد، من دورات يومية من الذوبان والتجمد إلى اتجاهات متعددة الدكادل في نطاق الجليد.
اللوب الإيجابية والسلبية
إن التغذية المرتدة من الجليد هي التغذية المرتدة الإيجابية المهيمنة في نظام المناخ القطبي، ولكن هناك أيضا ردود فعل أخرى تعمل، فاستعراضات السحاب، مثلا، تنطوي على تغييرات في الغطاء السحابي تؤثر على كل من الموجات القصيرة والإشعاعات الطويلة، ففي القطب الشمالي، تميل الغيوم الصيفية إلى تهدئة السطح بتعكس ضوء الشمس، بينما تدفئ الغيوم الشتية السطح عن طريق السحب من الإشعاعات الطويلة.
وهناك أيضا ردود فعل سلبية تعمل على تثبيت النظام، وعلى سبيل المثال، مع تدهور الجليد البحري ودفء المحيطات، يزداد التبخر، مما يؤدي إلى زيادة التكوين السحابي، ويمكن لزيادة الغطاء السحابي أن تقلل من الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى السطح خلال الصيف، مما يبطئ معدل الذوبان، وقد تعوض هذه التغذية العكسية السلبية جزئيا عن التغذية المرتدة من الجليد، ولكن حجمها وأهميتها الإقليمية لا تزال غير مؤكدة.
Impact on Global Climate Systems
إن تأثير ديناميات الألبدة القطبية يتجاوز بكثير القطب الشمالي والجنوبي، وتؤثر التغيرات في الغطاء الجليدي القطبي على أنماط التداول في الغلاف الجوي، بما في ذلك مسارات الطائرات والعواصف، ويمكن أن يؤدي دفء القطب الشمالي الذي يقل فيه الجليد البحري إلى إضعاف درجة الحرارة بين القطبين والخط العرضي، مما قد يؤدي إلى تدفق أكثر عواطفاً يجلب أحداث الطقس القصوى إلى خطوط العرض السفلى.
بالإضافة إلى ذلك، فإن استيعاب الطاقة الشمسية في المناطق القطبية يؤثر على تداول المحيطات، فالمياه العذبة من الجليد المذوب يمكن أن تغير هيكل كثافة المحيطات، مما قد يؤثر على تداول حراري عالمي، كما أن فقدان الغطاء الجليدي المعكس يقلل أيضا من الطلاء العام للأرض، ويزيد من كمية الطاقة الشمسية التي يستوعبها الكوكب ويسهم في الاحترار العالمي، وقد قام مرصد الأرض التابع للرابطة بتوثيق هذه الروابط على نطاق واسع.
Implications for Future Climate Scenarios
إن فهم التفاعل بين الإشعاع الشمسي والطحالب أمر أساسي للتنبؤ بتغير المناخ في المستقبل، ويجب أن تمثل نماذج المناخ هذه العمليات بدقة في عرض مدى الجليد البحري، وتغيرات درجة الحرارة، والآثار المناخية العالمية.() وقد حدد الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ() () باستمرار ردود الفعل على الجليدية باعتبارها مصدرا رئيسيا لعدم اليقين في التوقعات المناخية، ولا سيما بالنسبة إلى القطب الشمالي، الذي يدفئ في المتوسط العالمي.
تحديات النماذج وأوجه التقدم
ويستلزم تمثيل التغذية المرتدة من الطحالب الجليدية في نماذج المناخ تحفيز سميك الجليد، والغطاء الجليدي، وتكوين البركة المذوبة، وآثارها على الألبية السطحية، وقد استخدمت النماذج المبكرة قيماً بسيطة من الطلاء، ولكن النماذج الحديثة تتضمن اختلالات متطورة تتطور مع الظروف السطحية، أما النماذج المشاركة في المشروع النموذجي المختلط للمسحوق فتشمل الآن مخططات التي تُحسِّن تطوراًاً للثلج ومتوسطة.
ورغم هذه التطورات، لا تزال هناك تحديات كبيرة، إذ يصعب تمثيل العمليات الصغيرة التي تنظم تكوين البركة المميتة وديناميات الجليد البحري في نماذج تحتوي على عشرات الكيلومترات عبر الشبكة، ويجري وضع نماذج عالية الاستبانة ومواصفات قائمة على العمليات لمعالجة ذلك، ولكن القيود الحسابية تحد من تطبيقها، ولا تزال عمليات الرصد الساتلية تؤدي دورا حاسما في التحقق من التمثيل النموذجي للوالدو وتحسينه، وما يرد من تعليقات.
الاعتبارات السياساتية والبيئية
إن آثار تغيرات الطحالب القطبية على المناخ العالمي لها آثار مباشرة على السياسات العامة، إذ يمكن أن يؤدي تخفيض انبعاثات غازات الدفيئة إلى إبطاء الاحترار الذي يدفع إلى فقدان الجليد، ولكن نقص نظام المناخ يعني أن بعض التغييرات قد أُغلقت بالفعل، فـإن اتفاق بشأن أسعار الصرف يرمي في كثير من الأحيان إلى الحد من الاحترار العالمي إلى أقل بكثير من درجتين، بل وحتى في إطار هذا السيناريو، فإن الخسائر الكبيرة في الجليد في المنطقة القطبية الشمالية لا تُتوقع.
وفيما عدا التخفيف من حدة المناخ، يجب أن تُعزى استراتيجيات التكيف إلى آثار التغير القطبي، إذ تواجه المجتمعات الساحلية في ألاسكا وكندا وغرينلاند تآكلاً وضراراً في البنية التحتية مثل معتكفات الجليد البحري ورواسب المحيط، وتُعطل النظم الإيكولوجية من الدببة القطبية إلى العوالق بسبب التغيرات في الغطاء الجليدي والمدخلات الشمسية.() ويُعَد التعاون الدولي من خلال منظمات مثل المجلس القطبي.[1]
خاتمة
إن الإشعاع الشمسي وتأثير الطلاء هما المحركان التوأم اللذان يدفعان ديناميات المناخ القطبية، فالتنوع الموسمي المتطرف للمدخلات الشمسية يخلق ظروفا تغذي فيها حلقات التغذية المرتدة، ولا سيما التغذية المرتدة بالجليد، وتزيد من حدة الاضطرابات الصغيرة إلى تغيرات واسعة النطاق، ويتجلى الانخفاض السريع في الجليد البحري القطبي في العقود الأخيرة في مظاهرة صارخة لهذا التوسع، وتبرز العلامات الناشئة لتغير القارة القطبية الجنوبية الأهمية العالمية لهذه العمليات.
إن استمرار رصد الطحالب القطبية والإشعاع الشمسي من خلال النظم الساتلية والحملات الميدانية وجهود النماذج أمر أساسي لتحسين فهمنا لهذه العمليات الحرجة، وبما أن المناخ لا يزال دافئا، فإن التفاعلات بين الإشعاع الشمسي والتفكير السطحي ستظل محور تركيز رئيسي لعلوم المناخ، وإسقاطات مستنيرة عن ارتفاع مستوى سطح البحر، والأنماط الجوية، وتغير المناخ العالمي، فالأهداف عالية، والحاجة إلى معرفة دقيقة وقابلة للتنفيذ لم تكن أبدا أكبر.