إن توازن الطاقة في الأرض مفهوم أساسي لفهم نظام المناخ في كوكبنا، ويشير إلى التوازن بين الطاقة المتلقاة من الشمس والطاقة التي تشع مرة أخرى إلى الفضاء، وهذا التوازن حاسم للحفاظ على درجة حرارة الأرض ودعم الحياة، وعندما يكون النظام متوازنا، يظل متوسط درجة الحرارة في الكوكب مستقرا نسبيا على مدى فترات طويلة، ومع ذلك، فإن التغيرات الصغيرة في هذه الدراسة المتوازنة يمكن أن تحدث تحولات كبيرة في المناخ.

ما هو رصيد الطاقة؟

ويشتمل توازن الطاقة على عنصرين رئيسيين هما: مدخلات الطاقة وإنتاج الطاقة، ويأتي هذا المدخل أساسا من الإشعاع الشمسي، بينما يتألف الناتج من الطاقة التي تضيع من خلال عمليات مختلفة، ويقرر صافي الإشعاع في أعلى الغلاف الجوي ما إذا كان الماء يدفئ أو يبرد، أما الإشعاع الشمسي القصير المدى (الضوء المرئي أساسا) فيتم استيعابه بواسطة الغلاف الجوي والسطحي أو فيعكس في الفضاء، ثم ينجم عنه أشعة تحتية.

مدخل الطاقة: الإشعاع الشمسي

إن الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة في الأرض، إذ يصل الإشعاع الشمسي إلى الغلاف الجوي والسطح الأرضي حيث يتم امتصاصه أو التعبير عنه أو نقله، فهما لكيفية استيعاب هذه الطاقة أمر حاسم لفهم توازن الطاقة، حيث يبلغ إجمالي الإشعاع الشمسي في أعلى الغلاف الجوي حوالي ١٣٦١ واط لكل متر مربع )W/m2( المعروف باسم ]التداول غير المتساوي في الغلاف الجوي[.

الامتصاص

ويستوعب سطح الأرض جزءا كبيرا من الطاقة الشمسية، مما يدفئ الأرض والمحيطات والغلاف الجوي، إذ يستوعب حوالي 48 في المائة من الإشعاع الشمسي القادم على السطح، بينما يستوعب الغلاف الجوي 23 في المائة أخرى، أما الـ 29 في المائة المتبقية فتنعكس على الفضاء، وتستوعب الطاقة التي تستوعبها الدوافع السطحية، والارتطام، والانبعاثات الإشعاعية الطويلة.

Reflection

وتظهر بعض الطاقة الشمسية في الفضاء من خلال السحب والجسيمات الجوية (الهيروسول) وسطح الأرض، ولا سيما الجليد والثلوج، وتقاس هذه التأملات بـ albedo، ويظهر المتوسط العالمي للآلبدو حوالي 0.29، أي 29 في المائة من الإشعاع الشمسي القادم.

Transmission

ويمكن أيضا نقل الطاقة الشمسية عبر الغلاف الجوي دون أن يتم استيعابها أو تنعكس فيها، ومعظم الأشعة فوق البنفسجية والمرئية تمر عبر الغلاف الجوي للوصول إلى السطح، على الرغم من أن الأوزون يستوعب كثيرا من الأشعة فوق البنفسجية وبخار الماء يؤثر تأثيرا قويا على انتقالها، مع وجود سحابات سميكة تحجب جزءا كبيرا من ضوء الشمس وسور رقيق يسمح بالمزيد من خلاله، كما أن التوزيع الطيفي للإشعاع الشمسي يبرز أيضا:

ناتج الطاقة: الإشعاع الأرضي وفقدان الحرارة

وبمجرد أن تستوعب الأرض الطاقة الشمسية، فإنها تعيد في نهاية المطاف إشعاع هذه الطاقة إلى الفضاء في شكل إشعاع تحت الحمراء، وهذه العملية ضرورية للحفاظ على درجة حرارة الأرض، وأشعة الموجات الطويلة السطحية والغلاف الجوي التي تبعث على درجة حرارتها، بعد قانون ستيفان - بولتزمان، وينتج متوسط درجة الحرارة السطحية البالغ 288 كيلو (15 درجة مئوية) ذروتها عند حوالي 10 ميكرومترات في المنطقة التي تُحد فيها الأحواض الحراري.

الإشعاع تحت الحمراء

إن الأرض تبعث على الطاقة في شكل إشعاع تحت الحمراء، الذي يهرب إلى الفضاء، ويساعد على تهدئة الكوكب، غير أن غازات الدفيئة تستوعب وتعيد دمج بعض هذا الإشعاع الذي ينفجر، وتدفئة الحرارة في الغلاف الجوي الأدنى، وهذا التأثير الطبيعي للدفء يزيد متوسط درجة حرارة الأرض بنحو ٣٣ درجة مئوية، من توازن حرج - ١٨ درجة مئوية إلى ١٥ درجة مئوية الحالية، دون أن يكون هناك إشعاع، كما نعلم أن الحياة غير موجودة.

Convection and Latent Heat

إن الحرارة تنتقل من سطح الأرض إلى الغلاف الجوي من خلال التكفير، حيث ترتفع الهواء الدافئ و المصاريف الهوائية الباردة، وهذا التدفق الحراري المعقول ينقل الطاقة مباشرة إلى الغلاف الجوي، بالإضافة إلى التبريد التنافر الحراري (التدفق الحراري الحاد) ينقل كميات كبيرة من الطاقة عندما تزدهر المياه من المحيطات والبحيرات والنباتات، عندما تُحسب هذه العاصفة البخارية أعلى في الغلاف الجوي.

أسفل الموجة الطويلة

كما أن غازات الدفيئة وسحبها تبعث على الإشعاع بالأشعة تحت الحمراء نحو عملية الإشعاع السطحي المسما بالإشعاع الموجي الطويل إلى الأسفل، مما يضيف إلى الطاقة التي تم امتصاصها على السطح، مما يسهم في تأثير الاحتباس الحراري، وينطوي الغلاف الجوي الأكثر دفئاً ورطوبة على إشعاع منخفض بدرجة أكبر، ويزيد من دفء السطح، وهذه التغذية المرتدة آلية مركزية في حساسية المناخ.

دور غازات الدفيئة

إن غازات الدفيئة تؤدي دوراً هاماً في توازن الطاقة في الأرض، فهي تُخيّط بعض الإشعاعات التي تُطلق تحت الحمراء، وتمنعه من الفرار إلى الفضاء، وبالتالي تدفئ الكوكب، ولكل غاز طيف معين للاستيعاب وعمر الغلاف الجوي، وتؤثر على مساهمته في الإكراه الإشعاعي، وأكثر غازات الدفيئة البشرية أهمية هي ثاني أكسيد الكربون والميثان وأكسيد النيتروز بقوة.

Carbon Dioxide

ثاني أكسيد الكربون (CO2) مُنع من حرق الوقود الأحفوري وإزالة الغابات وغيرها من الأنشطة البشرية، وقد زاد تركيزه من حوالي 280 جزء من المليون في أوقات ما قبل الصناعة إلى أكثر من 420 جزء من المليون اليوم، أما ثاني أكسيد الكربون فهو الغاز المهيمن الذي يُحمّل فترة طويلة من العمر ويُحمّل حوالي 66 في المائة من إجمالي الإشعال من غازات الدفيئة المثبتة جيداً، وهو يظل في الغلاف الجوي منذ قرون وحتى الألفية الثانية، مما يُحدث له تأثيره المناخ.

Methane

وقد انبعث الميثان (CH4) أثناء إنتاج ونقل الفحم والنفط والغاز الطبيعي، وكذلك من الماشية وغيرها من الممارسات الزراعية، وقد زاد تركيزه في الغلاف الجوي أكثر من الضعف منذ زمن ما قبل الصناعة، وعلى الرغم من أن الميثان لديه عمر أقصر (حوالي 12 سنة) من ثاني أكسيد الكربون، فإن إمكاناته في الاحترار العالمي على مدى 100 سنة أكبر بنحو 28 مرة، ومن مصادر الطاقة الرئيسية في الازدرائية التي توفر حيواناًاًاً قوياً في الأجل القريب.

الماء

وثبات الماء هو أكثر غازات الدفيئة وفرة، وزيادات تركيزه مع ارتفاع درجة حرارة الأرض، وهذا يخلق حلقة تفاعلية مؤثرة من حيث الارتداد، حيث يُعد الهواء الدافئ أكثر بخاراً للمياه، مما يؤدي إلى زيادة الحرارة، وخلافاً لثاني أكسيد الكربون، فإن تركيزات بخار الماء تكيف بسرعة مع تغيرات الحرارة، وذلك بدلاً من اعتبارها مكررة أولية.

نترووس أوكسيد وغازات أخرى

أما أكسيد النيتروز فهو مبعثر من الأسمدة الزراعية والعمليات الصناعية، إذ تبلغ إمكاناته في الاحترار نحو 265 مرة من ثاني أكسيد الكربون على مدى 100 سنة، ويظل في الجو لأكثر من قرن، والغازات المفلورة، مثل كميات مركبات الكربون الهيدروفلورية المفصّلة والمركبات الكربونية البيرفلورية (PFCs)، فهي غازات اصطناعية وأقوى بكثير من الآلاف الحالية.

العوامل التي تؤثر على توازن الطاقة

وهناك عوامل عديدة تؤثر على توازن الطاقة في الأرض، بما في ذلك العمليات الطبيعية والأنشطة البشرية، مما يساعد على التنبؤ بالتغيرات في المناخ والأوضاع الجوية، ويمكن تجميعها في عمليات إشعاعية (تغير الإشعاع الصافي) وردود الفعل (الاستجابات التي تضخ أو تخفض التغير).

Albedo Effect

إن انعكاس سطح الأرض يؤثر على مدى امتصاص الطاقة الشمسية، وتستوعب السطحات المظلمة مزيدا من الطاقة، بينما تعكسها الأسطح الخفيفة، فالتغيرات في الغطاء الأرضي نتيجة إزالة الغابات أو الزراعة أو التحضر يمكن أن تعدل الطحالب الإقليمية والعالمية، مثلا، فإن تحويل الغابات إلى أرض زراعية يزيد الطلاء في بعض المناطق، ولكنه يقلصها في مناطق أخرى تبعا للغطاء الجليدي، ويظهر حرارة الثلج أعلى مستوى له.

كلود كوفر

ويمكن للأدوية أن تعكس الإشعاع الشمسي (أثر الإنشقاق) وحرارة الشراك (أثار الاحترار)، والتأثير على مدخلات الطاقة والناتج، فالأثر الصافي للسحب على توازن الطاقة هو مستوى مبرد طفيف، ولكن هذا هو نتيجة توازن دقيق بين انعكاس الموجات القصيرة وخط الموجات الطويلة.

الأنشطة البشرية

فالترميز الحضري وإزالة الغابات والتلوث يغير توازن الطاقة الطبيعية بتغيير استخدام الأراضي وزيادة انبعاثات غازات الدفيئة، وترفع الجزر الحرارة الحضرية درجات الحرارة المحلية عن طريق استبدال السطح النباتي بالمواد المظلمة والحرارية، كما أن الأيروسول الناجم عن الانبعاثات الصناعية وحرق الكتلة الأحيائية يمكن أن يبرد المناخ (تعكس الهباءات الحرارية على ضوء الشمس) أو أن يدفئه (تمتص الكربون الأسود الإشعاع).

عمليات الجبر الطبيعية

وتصيب الانفجارات البركانية ثاني أكسيد الكبريت في الغلاف الجوي الستراتي، وهي تشكل هوباء الكبريت الذي يعكس ضوء الشمس ويتسبب في التبريد المؤقت. كما أن الانفجارات الكبيرة، مثل جبل بيناتوبو في عام ١٩٩١، قلصت درجات الحرارة العالمية بنحو ٠,٥ درجة مئوية لعدة سنوات، كما أن التغيرات في الناتج الشمسي بسبب دورات البقع الشمسية تؤثر أيضا على توازن الطاقة، ولكن حجمها صغير )٠٠٠ ٢ متر مربع(

قياس توازن الطاقة في الأرض

ويقتضي التحديد الكمي لتوازن الطاقة في الكوكب مجموعة من الأدوات، وتظهر البعثات الساتلية مثل كلود ناسا ونظام الطاقة الإشعاعية في الأرض في أعلى الغلاف الجوي وفي السطح، أن أكثر من 90 في المائة من الطاقة الزائدة في الغلاف الجوي/الثانية في المحيط الواحد ترتفع إلى مستوى الحرارة.

آثار توازن الطاقة

الخلل في طاقة الأرض يمكن أن يؤدي إلى عواقب هامة، بما في ذلك تغير المناخ، والظواهر الجوية الشديدة، والتحولات في النظم الإيكولوجية، وقد أدى استمرار صافي المكاسب في الطاقة على مدى العقود العديدة الماضية إلى آثار ملحوظة.

الحرب العالمية

إن زيادة انبعاثات غازات الدفيئة تؤدي إلى زيادة الحرارة في الغلاف الجوي، مما يزيد من درجات الحرارة العالمية، وقد ارتفع متوسط درجة الحرارة السطحية العالمية بنحو ١,٢ درجة مئوية منذ أواخر القرن التاسع عشر، وستزيد الانبعاثات المستمرة من درجات الحرارة، مع توقعات تبلغ ١,٥ درجة مئوية إلى ٤ درجات مئوية بحلول عام ٢١٠٠، وذلك حسب جهود التخفيف، وهذا الاحترار ليس مناطق القطب الموحد تدفأ بسرعة عدة مرات من المتوسط العالمي، وهي ظاهرة معروفة بالتضخم القطبي.

طقس شديد

ويمكن أن تؤدي التغيرات في توازن الطاقة إلى حدوث ظواهر جوية أكثر تواتراً وشدة، مثل الأعاصير والجفاف والفيضانات، ويزيد الجو الدافئ من الرطوبة، ويكثف أحداث سقوط الأمطار الغزيرة والفيضانات، كما أن ارتفاع درجات حرارة المحيطات يوفر طاقة أكبر للأعاصير المدارية، وفي الوقت نفسه، يمكن أن يؤدي تزايد التهرب إلى تفاقم حالات الجفاف في المناطق التي سبق أن صبغت المياه.

الأثر على النظم الإيكولوجية

وقد تؤدي درجات الحرارة المصحوبة والأنماط الجوية إلى تعطيل الموائل وتهديد التنوع البيولوجي، كما أن تبيض الشعاب المرجانية، التي تحركها الموجات الحرارية للمحيطات، قد أضر بالنظم الإيكولوجية الشعابية في جميع أنحاء العالم، كما أن التحولات في نطاقات الأنواع، وزهرات الربيع السابقة، والمصابات بسوء توافر الأغذية ترتبط جميعها بتغير المناخ، كما أن النظم الإيكولوجية الأرضية تواجه أيضاً خطراً متزايداً على إطلاق النار، ووفيات من الجفاف والآفات، وتغيرات المواسم المتنامية.

Implications for Climate Science and Policy

إن فهم توازن الطاقة في الأرض أمر أساسي لمعالجة تغير المناخ وآثاره، ومن خلال الاعتراف بديناميات مدخلات الطاقة ونواتجها، يمكننا أن نتوقع بشكل أفضل السيناريوهات المناخية المستقبلية، وأن ننفذ استراتيجيات للتخفيف من الآثار الضارة، وتشمل الجهود الرامية إلى الحد من الإكراه الإشعاعي خفض انبعاثات غازات الدفيئة، وتعزيز مصارف الكربون (إعادة التحريج، وإدارة التربة)، وتطوير تكنولوجيات مثل احتجاز الكربون وتخزينه، بالإضافة إلى أن شبكات الرصد العالمية يجب أن تواصل تتبع ميزانية الطاقة من أجل تنقيح النماذج وإرشاد القرارات المتعلقة بالسياسات.