أسباب تغير المناخ على سطح الأرض

ما المقصود بتغير المناخ على الأرض؟

من الأسهل بكثير توثيق الأدلة على تقلبية المناخ وتغير المناخ في الماضي، وذلك من تحديد الآليات الكامنة وراءها، يتأثر المناخ بالعديد من العوامل التي تعمل في نطاقات زمنية تتراوح من ساعات إلى مئات الملايين من السنين، إن العديد من أسباب تغير المناخ خارجية بالنسبة لنظام الأرض، البعض الآخر جزء من نظام الأرض ولكنه خارج الغلاف الجوي، لا يزال البعض الآخر ينطوي على تفاعلات بين الغلاف الجوي ومكونات أخرى لنظام الأرض ويتم وصفها بشكل جماعي على أنها ردود فعل داخل نظام الأرض.

وردود الفعل هي من بين أحدث العوامل السببية التي تم اكتشافها وصعوبة دراستها، ومع ذلك يتم التعرف على هذه العوامل بشكل متزايد على أنها تلعب أدواراً أساسية في تغير المناخ، تم وصف الآليات الأكثر أهمية في هذا القسم.

أسباب تؤدي إلى تغير المناخ على سطح الأرض:

1. تقلبية الطاقة الشمسية: يتزايد لمعان أو سطوع الشمس باطراد منذ تكوينها، وهذه الظاهرة مهمة لمناخ الأرض، لأن الشمس توفر الطاقة لتحريك دوران الغلاف الجوي وتشكل المدخلات لميزانية حرارة الأرض، إن انخفاض لمعان الشمس خلال فترة ما قبل الكامبري يكمن وراء مفارقة الشمس الباهتة الموصوفة في قسم مناخات الأرض المبكرة.

الطاقة الإشعاعية من الشمس متغيرة في نطاقات زمنية صغيرة جداً، بسبب العواصف الشمسية والاضطرابات الأخرى، ولكن الاختلافات في النشاط الشمسي، لا سيما تواتر البقع الشمسية موثقة أيضاً على فترات زمنية من العقد إلى الألفية، وربما تحدث في فترات زمنية أطول أيضاً، وتم اقتراح الحد الأدنى من (Maunder)، وهي فترة تقلص نشاط البقع الشمسية بشكل كبير بين عامي 1645 و1715، كعامل مساهم في العصر الجليدي الصغير.

2. النشاط البركاني: يمكن أن يؤثر النشاط البركاني على المناخ بعدة طرق في نطاقات زمنية مختلفة، ويمكن للانفجارات البركانية الفردية إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكبريت، والهواء الجوي الأخرى في الستراتوسفير، مما يقلل من شفافية الغلاف الجوي، وبالتالي كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى سطح الأرض والتروبوسفير.

ومن الأمثلة الحديثة على ذلك اندلاع جبل بيناتوبو في الفلبين عام 1991، والذي كان له تأثيرات قابلة للقياس على دوران الغلاف الجوي وميزانيات الحرارة، وكان لثوران جبل تامبورا عام 1815 في جزيرة سومباوا عواقب أكثر مأساوية، حيث كان ربيع وصيف العام التالي (1816 المعروف باسم عام بلا صيف)، بارداً بشكل غير عادي في معظم أنحاء العالم، وشهدت نيو إنجلاند وأوروبا تساقط الثلوج والصقيع طوال صيف عام 1816.

إن البراكين والظواهر ذات الصلة، مثل صدع المحيطات والاندساس، تطلق ثاني أكسيد الكربون في كل من المحيطات والغلاف الجوي، والانبعاثات منخفضة حتى الثوران البركاني الهائل مثل جبل بيناتوبو، يطلق جزءاً بسيطاً فقط من ثاني أكسيد الكربون المنبعث من احتراق الوقود الأحفوري في غضون عام، ومع ذلك في النطاقات الزمنية الجيولوجية، يمكن أن يكون لإطلاق غاز الدفيئة تأثيرات مهمة.

ويمكن أن تؤدي الاختلافات في إطلاق ثاني أكسيد الكربون، بواسطة البراكين وصدوع المحيطات على مدى ملايين السنين إلى تغيير كيمياء الغلاف الجوي، من المحتمل أن تكون قابلية التغيير هذه في تركيزات ثاني أكسيد الكربون مسؤولة عن الكثير من التغيرات المناخية التي حدثت خلال دهر دهر الحياة.

3. النشاط التكتوني: كان للحركات التكتونية لقشرة الأرض آثار عميقة على المناخ في فترات زمنية تراوحت بين الملايين وعشرات الملايين من السنين، لقد غيرت هذه الحركات شكل وحجم وموقع وارتفاع الكتل القارية بالإضافة إلى قياس الأعماق في المحيطات، وكان للتغيرات الطبوغرافية وقياسات الأعماق بدورها تأثيرات قوية على دوران كل من الغلاف الجوي والمحيطات.

فعلى سبيل المثال أثر ارتفاع هضبة التبت خلال حقبة حقب الحياة الحديثة على أنماط دوران الغلاف الجوي، مما أدى إلى ظهور الرياح الموسمية في جنوب آسيا والتأثير على المناخ في معظم أنحاء آسيا والمناطق المجاورة، يؤثر النشاط التكتوني أيضاً على كيمياء الغلاف الجوي، وخاصة تركيزات ثاني أكسيد الكربون، وينبعث ثاني أكسيد الكربون من البراكين وفتحات التهوية في مناطق الصدع ومناطق الاندساس.

وأثرت الاختلافات في معدل الانتشار في مناطق الصدع ودرجة النشاط البركاني، بالقرب من هوامش الصفائح على تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي عبر تاريخ الأرض، وحتى التجوية الكيميائية للصخور تشكل حوضاً مهماً لثاني أكسيد الكربون، (حوض الكربون هو أي عملية تزيل ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، عن طريق التحويل الكيميائي لثاني أكسيد الكربون إلى مركبات كربون عضوية أو غير عضوية).

إن حمض الكربونيك الذي يتكون من ثاني أكسيد الكربون والماء، هو مادة متفاعلة في إذابة السيليكات والمعادن الأخرى، ترتبط معدلات التجوية بكتلة الصخور الأساسية وارتفاعها والتعرض لها، ويمكن أن يؤدي الارتفاع التكتوني إلى زيادة كل هذه العوامل، وبالتالي يؤدي إلى زيادة امتصاص العوامل الجوية وثاني أكسيد الكربون، على سبيل المثال ربما لعبت التجوية الكيميائية لهضبة التبت الصاعدة، دوراً مهماً في استنفاد الغلاف الجوي لثاني أكسيد الكربون، خلال فترة التبريد العالمي في أواخر عصر حقب الحياة الحديثة.

دور الاختلافات المدارية (ميلانكوفيتش) في تغير المناخ:

تتأثر الهندسة المدارية للأرض بطرق يمكن التنبؤ بها بتأثيرات الجاذبية للكواكب الأخرى في النظام الشمسي، كما تتأثر ثلاث سمات أساسية لمدار الأرض، كل منها بطريقة دورية أو متكررة بشكل منتظم، أولاً يختلف شكل مدار الأرض حول الشمس من دائري تقريباً إلى بيضاوي الشكل (غريب الأطوار)، ومع فترات دورية تتراوح بين 100،000 وبين 413،000 سنة، وثانياً إن ميل محور الأرض بالنسبة للشمس، وهي المسؤولة بشكل أساسي عن المناخات الموسمية للأرض، يختلف بين 22.1 درجة و 24.5 درجة من مستوى دوران الأرض حول الشمس.

ويحدث هذا الاختلاف في دورة مدتها 41000 سنة، وبشكل عام كلما زاد الميل زاد الإشعاع الشمسي الذي يتلقاه نصفي الكرة الأرضية في الصيف وأقل تلقيه في الشتاء، ينتج التغيير الدوري الثالث في الهندسة المدارية للأرض عن ظاهرتين مدمجتين، فالظاهرة لأولى هي تذبذب محور دوران الأرض وتغيير اتجاه المحور فيما يتعلق بالشمس، أما الظاهرة الثانية هي اتجاه القطع الناقص المداري للأرض يدور ببطء.

تخلق هاتان العمليتان دورة مدتها 26000 عام، وتسمى بدائية الاعتدالات، حيث يتغير موقع الأرض عند الاعتدالات والانقلابات، اليوم الأرض هي الأقرب إلى الشمس (الحضيض الشمسي) بالقرب من انقلاب الشمس في ديسمبر، في حين حدث الحضيض قبل 9000 عام بالقرب من انقلاب الشمس في يونيو.

تسبب هذه الاختلافات المدارية تغييرات في التوزيع العرضي والموسمي للإشعاع الشمسي، والتي بدورها تؤدي إلى عدد من التغيرات المناخية، وتلعب الاختلافات المدارية أدواراً رئيسية في إيقاع الأنماط الجليدية بين الجليدية والرياح الموسمية، وتم تحديد تأثيراتهم في التغيرات المناخية على جزء كبير من دهر الحياة، على سبيل المثال (cyclothems) (وهي طبقات بحرية ونهرية وفحم متداخلة مميزة لفترة شبه بنسلفانيا منذ 318.1 مليون إلى 299 مليون سنة)، تبدو لتمثيل التغيرات التي يقودها ميلانكوفيتش في متوسط ​​مستوى سطح البحر.

دور غازات الاحتباس الحراري في تغير المناخ على الأرض:

غازات الاحتباس الحراري هي جزيئات غاز لها خاصية امتصاص الأشعة تحت الحمراء (صافي الطاقة الحرارية)، المنبعثة من سطح الأرض وإعادة إشعاعها إلى سطح الأرض، مما يساهم في الظاهرة المعروفة باسم ظاهرة الاحتباس الحراري، ويعد ثاني أكسيد الكربون والميثان وبخار الماء من أهم غازات الدفيئة، ولها تأثير عميق على ميزانية الطاقة لنظام الأرض على الرغم من أنها تشكل جزءاً صغيراً فقط من جميع غازات الغلاف الجوي، وتباينت تركيزات غازات الدفيئة بشكل كبير خلال تاريخ الأرض، وقد أدت هذه الاختلافات إلى تغيرات مناخية كبيرة على نطاق واسع من النطاقات الزمنية.

وبشكل عام كانت تركيزات غازات الاحتباس الحراري مرتفعة بشكل خاص خلال الفترات الدافئة ومنخفضة خلال المراحل الباردة، يؤثر عدد من العمليات على تركيزات غازات الاحتباس الحراري، حيث يعمل بعضها مثل الأنشطة التكتونية، على فترات زمنية تمتد لملايين السنين، في حين أن البعض الآخر مثل النباتات والتربة والأراضي الرطبة ومصادر وأحواض المحيطات، يعمل في نطاقات زمنية تتراوح بين مئات إلى آلاف السنين، إن الأنشطة البشرية (وخاصة احتراق الوقود الأحفوري منذ الثورة الصناعية) مسؤولة عن الزيادات المطردة في تركيزات الغازات الدفيئة المختلفة في الغلاف الجوي، وخاصة ثاني أكسيد الكربون والميثان والأوزون ومركبات الكلوروفلوروكربون (CFCs).

ربما يكون الموضوع الأكثر مناقشة وبحثاً في تقلبية المناخ، هو دور التفاعلات والتغذية المرتدة بين المكونات المختلفة لنظام الأرض، وتتضمن التغذية المرتدة مكونات مختلفة تعمل بمعدلات ونطاقات زمنية مختلفة، تتأثر الصفائح الجليدية والجليد البحري والنباتات الأرضية ودرجات حرارة المحيطات ومعدلات التجوية ودوران المحيطات وتركيزات غازات الاحتباس الحراري بالغلاف الجوي بشكل مباشر أو غير مباشر، ومع ذلك فإنها تتغذى جميعها أيضاً على الغلاف الجوي، وبالتالي تؤثر عليه بطرق مهمة، فعلى سبيل المثال تؤثر الأشكال والكثافات المختلفة للغطاء النباتي على سطح الأرض على البياض، أو الانعكاسية لسطح الأرض مما يؤثر على الميزانية الإجمالية للإشعاع على المستويات المحلية والإقليمية.

في الوقت نفسه يتم نقل جزيئات الماء من التربة إلى الغلاف الجوي عن طريق الغطاء النباتي، سواء بشكل مباشر (من النتح من خلال ثغور النبات)، أو بشكل غير مباشر (من تأثيرات التظليل ودرجة الحرارة على التبخر المباشر من التربة)، يمكن أن يؤثر تنظيم التدفق الحراري الكامن بواسطة الغطاء النباتي على المناخ على المستويات المحلية والعالمية.