ديناميكات الغلاف الجوي ودورها في المناخ المادة

ما هو الغلاف الجوي؟

ويشمل الغلاف الجوي كل المياه التي وجدت في سطح الأرض أو بالقرب منها، وشكلت 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 المائية.

ومن مجموع المياه على الأرض، يوجد حوالي 97.5 في المائة من المياه المالحة، وهي تحتوي أساسا على المحيطات، وتشكل نسبة الـ 2.5 في المائة المتبقية مياها طازجة، ولكن 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 الحساسة.

إن الغلاف المائي بعيد عن الساكنة؛ وهو نظام دائري باستمرار يقوده الدورة الهيدرولوجية، وينقل المياه بين مختلف خزاناته، ويعيد توزيع الحرارة عبر تيارات المحيط، 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 الجوي، يحتوي على نحو ١,٣٣٢ بليون كيلومتر مكعب من المياه، وتؤدي دورا محوريا في نظام المناخ الأرضي باستيعاب نحو ٩٠ في المائة من الحرارة الزائدة المحصورة من غازات الدفيئة، وتعمل بفعالية كغزال حراري رئيسي للكوكب، وتخفف هذه القدرة درجات الحرارة العالمية في الغلاف الجوي ولكنها تؤدي إلى دفء المحيطات، وتسهم في ارتفاع مستوى النظم الإيكولوجية البحرية وتبدلها.

فالتيارات البحرية التي تحركها مزيج من أنماط الرياح، وتدرجات 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 تنظيمه.

بيد 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 وفي أنتاركتيكا وحدها بمياه مجمدة كافية لرفع مستويات البحر العالمي بما يزيد على ٦٠ مترا إذا ما أذوبت بالكامل، 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.

فالمياه السطحية - بما فيها البحيرات والأنهار والأراضي الرطبة - التي تقل عن 0.3 في المائة من المياه العذبة العالمية ولكنها تدعم أغلبية النظم الإيكولوجية المائية واستخدام المياه البشرية، وتوزيع المياه العذبة متفاوت إلى حد كبير: فالحوض الأمازون، مثلا، غني بموارد المياه السطحية، في حين تعتمد المناطق القاحلة مثل الشرق الأوسط اعتمادا كاملا تقريبا على المياه الجوفية، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى زيادة الاستغلال والتحديات المتعلقة بالاستدامة.

آليات تنظيم المناخ

Thermal Inertia and Heat Storage

المياه عالية التحديد القدرة الحرارية 184 4 جولات لكل كيلوغرام من كل درجة من حرارة كليسيس - يمكن للمحيطات أن تستوعب وتطلق كميات هائلة من الحرارة مع الحد الأدنى من درجات الحرارة، وهذا النزلاق الحراري يزيل تقلبات الحرارة اليومية والموسمية، خاصة في المناطق الساحلية، مما يؤدي إلى وجود مناخ أكثر اعتدالا مقارنة بالمناطق الداخلية.

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

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 (الذروة) والملوحة (المحلية) - وتتدفق المياه السطحية المالحة من المناطق الاستوائية نحو القطبين، حيث يتسبب التبريد وزيادة الملوحة في أن تصبح المياه كثافة 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 بالرطب الرجعي في المحيط الأطلسي (البحرية) يوصل المياه الحارة إلى شمال أوروبا، ويعرض شتاءه، ومع ذلك، فإن المياه العذبة من صحيفة ثلج غرينلاند قد تضعف هذا النظام من خلال تهدئة المياه السطحية، مما قد يؤدي إلى التبريد الإقليمي المفاجئ.

التنظيف الاختراقي و دورة المياه

إن الإجلاء من سطح المحيط يستوعب الحرارة الكامنة، ويبرد الماء بشكل فعال بينما ينقل الطاقة إلى الغلاف الجوي، فمع ارتفاع بخار الماء وارتداده إلى الغيوم، يُطلق هذا الحرارة المخزنة، التي تغذي التداول الجوي وتنمية العواصف، وهذا التدفق الخافت يمثل 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 تقلل من الامتصاص الحراري من سطح الأرض، ولذلك 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.

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 تسريع 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 عبر الغلاف الجوي والغلاف الجوي 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 التهرب من أجساد المياه مع التحول من النباتات، التي تنقل بخار المياه إلى الغلاف الجوي، ويتجاوز التهرب عادة، على المحيطات، التهطال، بينما يتجاوز التهطال، التهطال التهرب، ويقابل هذا الخلل نقل جوي من المحيط إلى الأرض، وهو أمر حيوي لتجديد إمدادات المياه العذبة الأرضية.

التهطال والهروب

ويحدث التهطال عندما يرتعد الرطوبة في الغلاف الجوي إلى سهول 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 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، وتتدفق المياه الجوفية بصورة طبيعية إلى المجاري والينابيع، وتحافظ على تدفقات قاعدية أثناء تعاويذ الجفاف، وتحافظ على صحة النظم الإيكولوجية، غير أن استخراج المياه الجوفية المفرط للزراعة والاستخدام الحضري كثيرا ما يتجاوز معدلات التغذية الطبيعية، مما يؤدي إلى انخفاض جداول المياه، وتخريب الأراضي، وتسرب المياه المالحة في المناطق الساحلية، وتدهور النظم الإيكولوجية.

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

أجهزة تغذية في نظام الهيدرولوسفير - المناخ

التراجع الإيجابي

وتعجل عدة آليات إيجابية للتغذية المرتدة داخل النظام الكهرمائي - المناخ، فبعد أن تُنتج عن ذلك ردود فعل على الجليد، فإن حرق الأحجار الميثانية، وهو غاز الدفيئة يزيد بقوة على ثاني أكسيد الكربون بحوالي 25 مرة خلال فترة 100 سنة، وهذا الإطلاق يكثف الاحترار، مما يتسبب في مزيد من التدهور في دورة تعزيز الذات.

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 الاحتباس الحراري، وتزيد هذه التعليقات من خطر عبور نقاط التصفيق الحرجة، مما قد يؤدي إلى حدوث تحولات مناخية مفاجئة لا رجعة فيها.

التغذية 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) وتضخ الإشعاعات التي تنجم عن الموجات الحمراء (تدفُّر الموجات الطويلة) وتُعدّ الآثار الصافية للسحب معقدة ولا تزال أحد أكبر مصادر عدم اليقين 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 جزئيا 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 الناجمة عن 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 تقريبا منذ الثورة الصناعية.

ويهدد التصحيح بحساب الكائنات 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 الملطخ والزئبق البحرية

وتتراجع جميع الدول الجزرية على الصعيد العالمي بمعدلات غير مسبوقة، فقد فقدت صحيفة غرينلاند الجليدية ما متوسطه 279 بليون طن سنويا بين عامي 2002 و 2020، بينما فقدت أنتاركتيكا حوالي 148 بليون طن سنويا خلال نفس الفترة، وتسهم مياه الذراع هذه إسهاما مباشرا في ارتفاع مستويات البحر، التي تزيد حاليا بنحو 3.3 ملليمترات سنويا.

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

وتغير المناخ يغيّر أنماط التهطال العالمية، مما يجعل المناطق الرطبة والمناطق الجافة أكثر جفافاً، 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، بينما نتجت الفيضانات المدمرة التي حدثت في باكستان في عام 2022 عن أمطار مهبية ثقيلة غير عادية.

وهذه التحولات تضغط على موارد المياه لأغراض الزراعة 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 مع تناقص 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 لإدارة إمدادات المياه، وتوليد الطاقة الكهرمائية، والتخفيف من الفيضانات، وفي حين أن هذه التدخلات توفر منافع، فإنها تؤدي أيضا إلى تعطيل تدفقات المياه الطبيعية، ومستودعات الشظايا، ونقل الرواسب.

فقد تغيرت سد غورخيز الثلاثة في الصين، على سبيل المثال، إلى حد كبير في تسليم الرواسب في المجرى المائي، مما أسهم في تآكل السواحل وأثر على النظم الإيكولوجية المائية، وبالمثل، أدى ضخ المياه الجوفية المكثفة للري في مناطق مثل شبه القارة الهندية إلى خفض جداول 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 يضر بالحياة المائية والصحة البشرية، ويؤدي تلوث المغذيات إلى تغذيتها، مما يؤدي إلى انخفاض مستويات الديوكسين في المناطق الميتة حيث تتجاوز مستويات الأوكسجين أكثر من اللازم لدعم معظم الكائنات البحرية، وتزيد منطقة خليج المكسيك الميتة التي تغذيها كميات كبيرة من مياه نهر ميسيسيبي بحجم مربي.

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 إبطاء 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.

وتوفر التكنولوجيات الناشئة مثل إعادة استخدام المياه وإزالة المياه، ولا 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 تعزز الإدارة المتكاملة لموارد المياه التوازن المستدام بين الاحتياجات البشرية والإيكولوجية من المياه.