27قراءة المناخات الماضية

في دوم C، على ارتفاع $3233\,\mathrm{m}$ فوق الغطاء الجليدي لشرق القارة القطبية الجنوبية، يبلغ متوسط درجة حرارة الهواء نحو $-55{}^{\circ}\mathrm{C}$ على مدار السنة. وقد توقف حفّار يعمل هناك عند عمق $3260\,\mathrm{m}$، على بعد نحو $15\,\mathrm{m}$ فوق الصخر الذي تحت الجليد. ويحوي أعمق جليد استخرجه فقاعات صغيرة من هواء يبلغ عمره نحو $800\,000$ سنة: عينة من الغلاف الجوي من زمن يسبق كثيرًا المزارعين الأوائل. يقرأ هذا الفصل مناخ الماضي في الجليد، وفي وحل البحيرات وقاع المحيط، وفي الصخور، ويسأل عما يقوله عن حاضرنا.

ما تعرفه من قبل

النهر الجليدي كتلة من الجليد تبقى من سنة إلى سنة وتنساب تحت ثقلها؛ والغطاء الجليدي يغطي جزءًا كبيرًا من قارة؛ والعصر الجليدي زمن بارد طويل تمتد فيه الأغطية الجليدية بعيدًا وراء القطبين (الكتاب 1، الصف 8). وفي العينات الجليدية من القارة القطبية الجنوبية، يسجل الثلج درجة حرارة الهواء وتحفظ الفقاعات الهواء نفسه، ويرتفع السجلان وينخفضان معًا (الكتاب 1، الصف 9). وقد تختلف ذرات العنصر الواحد في عدد نيوتروناتها: فهذه النظائر تتصرف تصرفًا متشابهًا في الكيمياء لكنها تختلف في الكتلة (كتب الفيزياء). وثاني أكسيد الكربون غاز دفيئة (كتب الكيمياء). وقد بدأ العصر الرابعي قبل 2.58 مليون سنة (الكتاب 1، الصف 7).

27.1 الأرشيفات والمؤشرات البديلة

لم يقس أحد درجة حرارة الهواء قبل $20\,000$ سنة. لكن الأرض احتفظت بسجلات دون قصد: طبقات من الجليد والوحل، وأصداف وجذوع أشجار، تغيّر كل منها مع المناخ الذي تكوّن فيه.

تعريف 27.1 (الأرشيف المناخي؛ المؤشر البديل)

الأرشيف المناخي مادة طبيعية تترسب في طبقات، واحدة تلو الأخرى، فتحتفظ بأثر من مناخ الزمن الذي تكوّنت فيه: الجليد القطبي، ورسوبيات البحيرات وقاع المحيط، وحلقات الأشجار، والمرجان، ورواسب الكهوف. والمؤشر البديل كمية تُقاس في أرشيف وتقوم مقام متغير مناخي لم يُقس: حصة النظائر الثقيلة في الثلج القديم بدلًا من درجة حرارة الهواء، وحصة كل نوع من حبوب اللقاح في وحل البحيرات بدلًا من الغطاء النباتي ومن ثم المناخ.

الأرشيف	المؤشر البديل	ما يخبر عنه
الجليد القطبي	النظائر الثقيلة في الجليد	درجة حرارة الهواء فوق الجليد
	الهواء في الفقاعات	ثاني أكسيد الكربون، والميثان
رسوبيات البحيرات، والخث	حبوب اللقاح	الغطاء النباتي، ثم المناخ
رسوبيات المحيطات	نظائر الأكسجين في الأصداف	حجم الجليد، ودرجة حرارة المياه العميقة
حلقات الأشجار	عرض الحلقة	ظروف النمو، سنة بسنة
المرجان، ورواسب الكهوف	النظائر، وأشرطة النمو	درجة حرارة البحر أو الهواء، والمطر

كل مؤشر بديل يحتاج إلى أمرين قبل أن يمكن قراءته. فهو يحتاج إلى ساعة: عمر كل طبقة، بعدّ الطبقات السنوية حيث يمكن رؤيتها، أو بالتأريخ الإشعاعي (الفصل 25)، أو بمطابقة السجل مع سجل آخر مؤرَّخ من قبل. ويحتاج إلى معايرة: أي الصلة بين ما يُقاس والمتغير المناخي، تُستخرج اليوم، حيث يمكن قياس الاثنين معًا.

طريقة 27.2 (قراءة سجل مؤشر بديل)

1. جد الأرشيف والمؤشر البديل: ماذا قيس، وفي أي مادة؟
2. جد الاتجاه الذي يجري فيه الزمن على المحور، وبأي وحدة؛ وتحقق مما إذا كان محور المؤشر البديل معكوسًا.
3. ترجم المؤشر البديل: هل القيمة الأعلى تعني أدفأ أم أبرد، وجليدًا أكثر أم أقل؟
4. لاحظ تباعد العينات: فالسجل الذي تتباعد نقاطه $2000$ سنة لا يستطيع أن يُظهر تغيرًا دام قرنًا.
5. اقرأ القيم عند التواريخ المطلوبة، أو المتوسطات على فترة، واحسب التغيرات والمعدلات.
6. قل ما يُظهره السجل في موقعه، ثم بعد ذلك فقط هل يمثل الأرض كلها.

27.2 العينات الجليدية

تعريف 27.3 (العينة الجليدية)

العينة الجليدية أسطوانة من الجليد تُستخرج بالحفر من غطاء جليدي أو نهر جليدي. يعطي عمقها عمر الجليد، فكلما كان أعمق كان أقدم؛ ويسجل الجليد درجة حرارة الهواء الذي سقط فيه ثلجه، وتحفظ فقاعاته عينات من هواء ذلك الزمن.

الثلج الطازج في معظمه هواء. وحين يُدفن تحت ثلج السنوات التالية، يُضغط فيصير فِرنًا، وهو ثلج متراص لا تزال مسامه تمرر الهواء. وعند كثافة تبلغ نحو 820 إلى $830\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$، تُبلغ على عمق 50 إلى $120\,\mathrm{m}$، تنغلق المسام ويُحبس الهواء في فقاعات. وهكذا يحفظ الجليد سجلين مختلفين. فالهواء في الفقاعات عينة من الغلاف الجوي، يُقاس ما فيها من ثاني أكسيد الكربون والميثان في المختبر. أما الجليد نفسه فيحفظ درجة الحرارة: فجزيئات الماء التي تحوي نظيرًا ثقيلًا (الديوتيريوم أو الأكسجين-18) تتكاثف أسهل من الخفيفة، فكلما برد الهواء في طريقه إلى القطب، فقُر الثلج بالنظائر الثقيلة.

حُوّل ديوتيريوم عينة دوم C إلى درجة حرارة فوق الجليد، تُعطى تغيرًا مقارنةً بمتوسط الألف سنة الأخيرة. أما ثاني أكسيد الكربون فمأخوذ من فقاعات عدة عينات جليدية من القارة القطبية الجنوبية، جُمعت في سجل واحد. وكلاهما مرسوم أدناه على محور زمني واحد.

يشترك المنحنيان في نمط واحد: انزلاق بطيء متعرج نحو البرد على مدى عشرات آلاف السنين، ثم صعود سريع إلى الدفء، ثم الانزلاق من جديد.

تعريف 27.4 (الفترة الجليدية؛ الفترة بين الجليدية؛ الدورة الجليدية)

الفترة الجليدية فترة باردة داخل عصر جليدي، تنمو فيها الأغطية الجليدية إلى ما يتجاوز حجمها الحالي بكثير. والفترة بين الجليدية فترة دافئة بين فترتين جليديتين، تكون فيها الأغطية الجليدية قريبة من حجمها اليوم أو أصغر؛ ونحن نعيش في إحداها، وقد بدأت قبل نحو $11\,000$ سنة. والدورة الجليدية فترة جليدية واحدة مع الفترة بين الجليدية التي تنهيها.

على امتداد السجل كله، تتراوح درجة الحرارة في دوم C بين $-10.6{}^{\circ}\mathrm{C}$، قبل نحو $24\,000$ سنة، و$+5.5{}^{\circ}\mathrm{C}$، قبل نحو $129\,000$ سنة؛ ويتراوح ثاني أكسيد الكربون بين $174\,\mathrm{ppm}$ و$299\,\mathrm{ppm}$. والشكل، الذي تُحسب متوسطاته على $2000$ سنة، يُنعّم هذه القيم القصوى قليلًا. وعدّ قمم الدفء يعطي ثماني أو تسع دورات جليدية، وأقوى إيقاع في سجل درجة الحرارة، محسوبًا من بياناته، دورته نحو $98\,000$ سنة.

قضية 27.5 (درجة الحرارة وثاني أكسيد الكربون يتغيران معًا)

على مدى $800\,000$ السنة الأخيرة، تغيرت درجة حرارة القارة القطبية الجنوبية وثاني أكسيد الكربون في الهواء معًا. ومزاوجة كل قياس من قياسات ثاني أكسيد الكربون البالغة 1639 والأقدم من $2000$ سنة مع درجة حرارة دوم C عند العمر نفسه تعطي معامل ارتباط $r = 0.92$، وخط المربعات الصغرى

$$\mathrm{CO_2} \approx 267\,\mathrm{ppm} + 7.8\,\mathrm{ppm}/{}^{\circ}\mathrm{C} \times \Delta T ,$$

حيث $\Delta T$ تغير درجة الحرارة في دوم C.

الارتباط لا يقول أيهما تغيّر أولًا، ولا هل حرّكهما سبب ثالث: فالمعامل يكون هو نفسه لو كانت درجة الحرارة هي التي تقود ثاني أكسيد الكربون، أو كان ثاني أكسيد الكربون هو الذي يقود درجة الحرارة، أو كان كل منهما يدفع الآخر. أما ما يضبط الإيقاع الذي يقارب $100\,000$ سنة فيُروى في القسم الخاص بالمحيط أدناه، وأما كيف يؤثر ثاني أكسيد الكربون في درجة الحرارة ففي الفصل 28.

27.2.1 الذروة الجليدية الأخيرة

تعريف 27.6 (الذروة الجليدية الأخيرة)

الذروة الجليدية الأخيرة هي الزمن، قبل نحو $23\,000$ إلى $19\,000$ سنة، الذي بلغت فيه الأغطية الجليدية للفترة الجليدية الأخيرة أكبر امتداد لها.

في الذروة الجليدية الأخيرة، غطت الأغطية الجليدية معظم أمريكا الشمالية وشمال غرب أوراسيا، وكان المناخ أجف وأكثر غبارًا مما اليوم. وتقدّر التقييمات أن درجة الحرارة العالمية عند السطح كانت أدنى بمقدار $5{}^{\circ}\mathrm{C}$ إلى $7{}^{\circ}\mathrm{C}$ مما كانت في 1850–1900 (بثقة متوسطة)، وكان ثاني أكسيد الكربون من 188 إلى $194\,\mathrm{ppm}$. والماء المحبوس في الأغطية الجليدية جاء من المحيط: فقد كان المتوسط العالمي لمستوى سطح البحر أدنى بمقدار 125 إلى $134\,\mathrm{m}$ من مستواه اليوم.

البحر الأدنى يكشف القاع الضحل المحيط بالقارات. والخريطة أدناه تخفض البحر بمقدار $130\,\mathrm{m}$، وهو منتصف ذلك المدى، فوق قاع جنوب شرق آسيا كما هو اليوم.

تصير بورنيو وسومطرة وجاوة يابسة واحدة مع شبه جزيرة الملايو والهند الصينية: فجرف سوندا، المغمور اليوم تحت بحر ضحل، كان يابسة جافة. وعلى الخريطة، يكفي انخفاض لا يتجاوز نحو $36\,\mathrm{m}$ لوصل بورنيو بآسيا، وتتصل سومطرة وجاوة قبل ذلك. وعلى الخريطة، تزداد اليابسة فوق البحر من 4.11 إلى 7.16 مليون كيلومتر مربع، أي 1.74 ضعفًا. وعلى الأرض كلها، يرفع الانخفاض نفسه البالغ $130\,\mathrm{m}$ حصة السطح الواقعة فوق البحر من $29.0\,\%$ إلى $33.5\,\%$، أي نحو 23 مليون كيلومتر مربع من اليابسة الجديدة.

مثال 27.7 (آخر انحسار للجليد)

يُسمّى الاحترار الذي أعقب الذروة الجليدية الأخيرة مرحلة انحسار الجليد الأخيرة؛ وتضعها التقييمات بين نحو $18\,000$ و$11\,000$ سنة مضت. وفي سجل دوم C، متوسط درجة حرارة الذروة الجليدية الأخيرة (من $23\,000$ إلى $19\,000$ سنة مضت) $-9.4{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ ومتوسط الفترة التالية من $11\,000$ إلى $9000$ سنة مضت $-0.4{}^{\circ}\mathrm{C}$. فقد ارتفعت حرارة الهواء فوق القارة القطبية الجنوبية بمقدار $9.0{}^{\circ}\mathrm{C}$، بينما ارتفع ثاني أكسيد الكربون فيه من $190\,\mathrm{ppm}$ إلى $264\,\mathrm{ppm}$، أي بمقدار $74\,\mathrm{ppm}$. وعلى الأرض كلها، كان الاحترار هو التبرد المقدَّر من 5 إلى $7{}^{\circ}\mathrm{C}$، أي نحو $6{}^{\circ}\mathrm{C}$، موزعًا على $7000$ سنة هي مدة المرحلة:

$$\frac{6{}^{\circ}\mathrm{C}}{7000\ \text{سنة}} \approx 0.86{}^{\circ}\mathrm{C} \text{ لكل ألف سنة.}$$

وفي أثناء ذلك ارتفع مستوى سطح البحر من نحو $-120\,\mathrm{m}$ إلى $-50\,\mathrm{m}$، أي نحو $10\,\mathrm{mm}$ في السنة في المتوسط.

27.3 حبوب اللقاح

في كل ربيع، تطلق النباتات سحبًا من حبوب اللقاح. يضيع معظمها، لكن بعضها يسقط على البحيرات والمستنقعات، فيغوص ويُدفن في الوحل، حيث يحفظ سجلًا للغطاء النباتي الذي نما حولها. ولحبوب كل نوع من النباتات شكلها وحجمها الخاصان.

تعريف 27.8 (تحليل حبوب اللقاح)

تحليل حبوب اللقاح هو قراءة الغطاء النباتي الماضي من حبوب اللقاح المحفوظة في الرسوبيات: ففي كل طبقة من عينة لبية، تُعرَّف الحبوب وتُعدّ، وتُرسم حصة كل نوع من النباتات، بالنسبة المئوية من الحبوب المعدودة، بدلالة العمق في مخطط حبوب اللقاح.

بدأ عدّ حبوب اللقاح على هذا النحو مع الجيولوجي السويدي لينارت فون بوست، الذي قدّم أول مخطط حديث لحبوب اللقاح، بالأرقام، في عام 1916؛ ويُظهر مثل هذا المخطط العمق نزولًا على الصفحة ومنحنى لكل نوع من النباتات. والغطاء النباتي بدوره يحدّث عن المناخ: فالحشائش وغيرها من الأعشاب مع شبه انعدام الأشجار تعني منظرًا مفتوحًا باردًا، بينما يحتاج البلوط والبندق إلى صيف دافئ.

طريقة 27.9 (قراءة مخطط حبوب اللقاح)

1. اقرأ المحور الرأسي: العمق، والطبقات الأقدم في الأسفل؛ وحوّل الأعماق إلى أعمار بتواريخ العينة.
2. لكل طبقة، جد النباتات ذات الحصص الأكبر.
3. قسّم العينة إلى نطاقات، لكل منها مجموعتها الخاصة من النباتات السائدة؛ وضع الحدود حيث تتغير المنحنيات أسرع ما يكون.
4. سمِّ الغطاء النباتي لكل نطاق (أعشاب مفتوحة، أو غابة بتولا، أو غابة صنوبر، أو غابة عريضة الأوراق) والمناخ الذي يحتاج إليه.
5. اقرأ النطاقات من الأسفل إلى الأعلى تاريخًا للمنظر الطبيعي.

في المخطط أعلاه، النطاق 1 منظر من الأعشاب، مع قليل من أشجار البتولا: البلاد المفتوحة الباردة التي خلّفها الجليد. وفي النطاق 2، ينتشر البتولا أولًا، وهو شجرة متحمّلة؛ ويتبعه الصنوبر في النطاق 3؛ وفي النطاق 4 يسود البندق والبلوط، اللذان يحتاجان إلى صيف دافئ. وإذا قُرئت العينة من الأسفل إلى الأعلى، روت نهاية الفترة الجليدية وقدوم دفء الفترة بين الجليدية، إذ عادت الغابة إلى البلاد.

27.4 رسوبيات المحيطات والإيقاع الفلكي

على قاع المحيط المفتوح، يتراكم الوحل ببطء ودون انقطاع، طبقة فوق طبقة، ملايين السنين. وهو مليء بأصداف المنخربات: كائنات وحيدة الخلية صدفتها، التي لا يبلغ عرضها إلا جزءًا من الملّيمتر، كثيرًا ما تكون من الكالسيت. بعضها يطفو قرب السطح؛ وبعضها يعيش على قاع البحر.

يأتي أكسجين الصدفة من ماء البحر. فالماء المكوّن من النظير الخفيف الأكسجين-16 يتبخر أسهل، والثلج الذي يبني الأغطية الجليدية لذلك فقير بالأكسجين-18. وحين تنمو الأغطية الجليدية، تخزن هذا الماء الخفيف، فيصير المحيط الباقي أغنى بالأكسجين-18؛ وكذلك الأصداف التي تنمو فيه، وأكثر كلما كان الماء أبرد. وحصة الأكسجين-18 في أصداف منخربات قاع البحر، التي تُكتب $\delta^{18}\mathrm{O}$ وتُعطى بأجزاء من الألف، هي إذن مؤشر بديل لحجم الجليد على اليابسة ولدرجة حرارة المحيط العميق: فكلما ارتفعت، زاد الجليد وبرد الماء.

السجل أدناه، المسمّى LR04، يجمع قياسات 57 عينة لبية من جميع المحيطات في منحنى واحد يغطي 5.3 مليون سنة.

يقول السجل، إذا قُرئ بالطريقة السابقة، ثلاثة أشياء.

• لقد بردت الأرض ونما جليدها. فالقيمة المتوسطة ترتفع من $3.03\,\text{‰}$ بين 5.3 و3 ملايين سنة مضت إلى $4.15\,\text{‰}$ على مدى المليون سنة الأخيرة.
• لقد كبرت التذبذبات. فالأزمنة الجليدية والبين جليدية تتعاقب على امتداد السجل كله، لكن تذبذبها يتسع أكثر فأكثر: ففي الذروة الجليدية الأخيرة كانت القيمة $4.92\,\text{‰}$، مقابل $3.23\,\text{‰}$ اليوم.
• لقد تغيّر الإيقاع. فبين 2.6 و1.3 مليون سنة مضت، أقوى دورة في السجل، محسوبةً من بياناته، هي $41\,000$ سنة؛ وعلى مدى $700\,000$ السنة الأخيرة هي نحو $98\,000$ سنة، وهو إيقاع العينات الجليدية. وقد حدث التحول بين نحو 1.25 و0.7 مليون سنة مضت.

هذه الدورات ليست مصادفة. ففي عام 1976 وجد جيمس هايز وجون إمبري ونيكولاس شاكلتون في رسوبيات المحيطات الجنوبية ثلاثة إيقاعات، دوراتها $23\,000$ و$42\,000$ ونحو $100\,000$ سنة، وهي دورات التغيرات البطيئة في مدار الأرض ومحورها: مبادرة المحور، وميل المحور (نحو $41\,000$ سنة)، وشكل المدار (نحو $100\,000$ سنة). وهذه التغيرات تبدّل ضوء الشمس الذي يتلقاه كل خط عرض في كل فصل، وتضبط إيقاع الدورات الجليدية. أما كيف تفعل ذلك، ولماذا ساد الإيقاع البطيء ذو $100\,000$ سنة، فهو موضوع مقرر جامعي.

أرقام عام 2025

في يناير 2025، أعلن مشروع بيوند إبيكا أن عينة لبية حُفرت في ليتل دوم C، على بعد نحو $35\,\mathrm{km}$ من محطة كونكورديا في دوم C، تحوي سجلًا متصلًا يعود إلى نحو 1.2 مليون سنة في أعلى $2480\,\mathrm{m}$ منها. وهي تغطي الزمن الذي تحوّل فيه الإيقاع الجليدي من $41\,000$ إلى $100\,000$ سنة، ويجري تحليل الجليد وهوائه.

27.5 مناخات الزمن السحيق

قبل زمن العينات الجليدية، تُقرأ مناخات الماضي من الرسوبيات، والأوراق والتربات الأحفورية، والنظائر. وقد اختارت الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ بضع فترات مرجعية، مدروسة جيدًا، تساعد مناخاتها على تقدير تغيرات اليوم والغد. ويعطي المخطط أدناه درجة حرارتها العالمية عند السطح، مقارنةً بالفترة 1850–1900.

الفترة	درجة الحرارة (${}^{\circ}\mathrm{C}$)	ثاني أكسيد الكربون (ppm)	مستوى البحر (m)
PETM، 56 مليون سنة	من $+10$ إلى $+25$	نحو 900، يرتفع إلى 2000	—
EECO، 53–49 مليون سنة	من $+10$ إلى $+18$	من 1150 إلى 2500	من $+70$ إلى $+76$
MPWP، 3.3–3.0 مليون سنة	من $+2.5$ إلى $+4.0$	من 360 إلى 420	من $+5$ إلى $+25$
LIG، 129–116 ألف سنة	من $+0.5$ إلى $+1.5$	من 266 إلى 282	من $+5$ إلى $+10$
LGM، 23–19 ألف سنة	من $-7$ إلى $-5$	من 188 إلى 194	من $-134$ إلى $-125$
MH، 6.5–5.5 ألف سنة	من $+0.2$ إلى $+1.0$	من 260 إلى 268	من $-3.5$ إلى $+0.5$

كان الحد الأقصى الحراري للباليوسين–الإيوسين احترارًا مفاجئًا، حين بلغت دفعة كبيرة من الكربون المحيط والهواء: فصار المحيط أكثر حمضية وأفقر بالأكسجين، وانقرضت أنواع كثيرة من أعماق البحار. وفي الأمثل المناخي للإيوسين المبكر، بقي ثاني أكسيد الكربون فوق $1000\,\mathrm{ppm}$ ملايين السنين، ولم يكن هناك جليد قطبي، ونمت غابات قريبة من الغابات المدارية عند خط العرض $70{}^{\circ}$ جنوبًا. والفترة الدافئة في منتصف البليوسين هي آخر مرة كان فيها ثاني أكسيد الكربون قريبًا من مستواه اليوم: فقد كان القطب الشمالي أدفأ بكثير مما هو الآن، وكان البحر أعلى. وفي آخر فترة بين جليدية، كان الغطاءان الجليديان لغرينلاند ولغرب القارة القطبية الجنوبية أصغر والبحر أعلى مما اليوم، وعاشت أفراس النهر في بريطانيا.

تضع هذه الأرشيفات الحاضر في منظوره، والهيئة الحكومية الدولية تعقد المقارنة بنفسها. ففي عام 2019 كان ثاني أكسيد الكربون في الهواء أعلى مما كان في أي وقت خلال مليوني سنة على الأقل (بثقة عالية)، والزيادات في ثاني أكسيد الكربون والميثان منذ عام 1750 تتجاوز بكثير التغيرات الطبيعية بين الفترات الجليدية والبين جليدية على مدى $800\,000$ سنة على الأقل (بثقة عالية جدًا). وقد ارتفعت درجة الحرارة العالمية عند السطح منذ عام 1970 أسرع مما ارتفعت في أي فترة أخرى من 50 سنة خلال $2000$ السنة الأخيرة على الأقل (بثقة عالية). وكان العقد 2011–2020 أدفأ من أدفأ قرون الفترة بين الجليدية الحالية، قبل نحو $6500$ سنة، وقريبًا من دفء آخر فترة بين جليدية، قبل نحو $125\,000$ سنة (بثقة متوسطة).

ويمكن مقارنة سرعة التغير أيضًا. فمن 1970 إلى 2025، يبلغ اتجاه سجل درجة الحرارة العالمية $0.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل عقد، أي نحو $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل ألف سنة لو استمر؛ أما الاحترار الخارج من الفترة الجليدية الأخيرة فكان متوسطه نحو $0.86{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل ألف سنة. وأسباب تغير اليوم، وما قد يصير إليه، موضوع الفصل 28.

27.6 تمارين

تمرين 27.1 ★

أعطِ المصطلح: (أ) كمية تُقاس في أرشيف وتقوم مقام متغير مناخي لم يُقس؛ (ب) أسطوانة من الجليد تُستخرج بالحفر من غطاء جليدي؛ (ج) فترة دافئة بين فترتين جليديتين؛ (د) قراءة الغطاء النباتي الماضي من حبوب اللقاح الأحفورية؛ (ه) الزمن، قبل نحو $23\,000$ إلى $19\,000$ سنة، الذي كانت فيه آخر الأغطية الجليدية في أكبر امتداد لها.

حل

حل التمرين 27.1.

(أ) مؤشر بديل؛ (ب) عينة جليدية؛ (ج) فترة بين جليدية؛ (د) تحليل حبوب اللقاح؛ (ه) الذروة الجليدية الأخيرة.

تمرين 27.2 ★

لكل مؤشر بديل، سمِّ أرشيفه وما يخبر عنه: (أ) الهواء في الفقاعات؛ (ب) حصة حبوب لقاح البلوط؛ (ج) الأكسجين-18 في أصداف منخربات قاع البحر؛ (د) عرض حلقات الأشجار.

حل

حل التمرين 27.2.

(أ) الجليد القطبي: ثاني أكسيد الكربون والميثان في هواء ذلك الزمن. (ب) رسوبيات البحيرات أو الخث: الغطاء النباتي، وهنا أشجار تحتاج إلى صيف دافئ. (ج) رسوبيات المحيطات: حجم الجليد على اليابسة ودرجة حرارة المحيط العميق. (د) الأشجار: ظروف النمو، سنة بسنة.

تمرين 27.3 ★

في أثناء مرحلة انحسار الجليد الأخيرة، من نحو $18\,000$ إلى $11\,000$ سنة مضت، ارتفع مستوى سطح البحر من نحو $-120\,\mathrm{m}$ إلى $-50\,\mathrm{m}$. (أ) احسب متوسط معدل الارتفاع، بالملّيمترات في السنة. (ب) من 2006 إلى 2018، ارتفع مستوى سطح البحر بمقدار $3.7\,\mathrm{mm}$ في السنة. قارن.

حل

حل التمرين 27.3.

(أ) $-50 - (-120) = 70\,\mathrm{m}$ في $7000$ سنة: $70\,000\,\mathrm{mm}/7000 = 10\,\mathrm{mm}$ في السنة. (ب) $10/3.7 \approx 2.7$: كان متوسط ارتفاع البحر في انحسار الجليد أسرع بنحو 2.7 مرة من ارتفاعه في 2006–2018.

تمرين 27.4 ★

ارتفعت درجة الحرارة العالمية بمقدار $0.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل عقد من 1970 إلى 2025. عبّر عن هذا المعدل لكل قرن ولكل ألف سنة.

حل

حل التمرين 27.4.

القرن عشرة عقود: $2.0{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل قرن. والألف سنة مئة عقد: $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل ألف سنة.

تمرين 27.5 ★

وجد هايز وإمبري وشاكلتون ثلاثة إيقاعات في رسوبيات المحيطات: $23\,000$ و$42\,000$ ونحو $100\,000$ سنة. (أ) طابق كلًّا منها مع مبادرة المحور، وميل المحور، وشكل المدار. (ب) كم دورة من $41\,000$ سنة تتسع لها $1\,000\,000$ سنة؟ وكم دورة من $100\,000$ سنة؟

حل

حل التمرين 27.5.

(أ) $23\,000$ سنة: مبادرة المحور؛ و$42\,000$ سنة: ميل المحور؛ ونحو $100\,000$ سنة: شكل المدار. (ب) $1\,000\,000/41\,000 \approx 24$ دورة؛ و$1\,000\,000/100\,000 = 10$ دورات.

تمرين 27.6 ★★

خط المربعات الصغرى في الفصل هو $\mathrm{CO_2} \approx 266.6 + 7.83\,\Delta T$ (بوحدة ppm، و$\Delta T$ بوحدة ${}^{\circ}\mathrm{C}$). (أ) تنبأ بثاني أكسيد الكربون لمتوسط درجة حرارة الذروة الجليدية الأخيرة في دوم C، $-9.4{}^{\circ}\mathrm{C}$، وقارن بالقيمة المقيسة $190\,\mathrm{ppm}$. (ب) تنبأ به لأدفأ نقطة، $+5.5{}^{\circ}\mathrm{C}$، وقارن بأعلى قيمة مقيسة، $299\,\mathrm{ppm}$. (ج) استعمل الخط لتقدير درجة حرارة دوم C التي توافق $427\,\mathrm{ppm}$، وهي قيمة عام 2025 في ماونا لوا. لماذا لا يكون هذا الاستعمال الأخير للخط مسوَّغًا؟

حل

حل التمرين 27.6.

(أ) $266.6 + 7.83 \times (-9.4) \approx 266.6 - 73.6 = 193\,\mathrm{ppm}$: أي أعلى بمقدار $3\,\mathrm{ppm}$ فقط من القيمة المقيسة $190\,\mathrm{ppm}$. (ب) $266.6 + 7.83 \times 5.5 \approx 310\,\mathrm{ppm}$، أي أعلى بمقدار $11\,\mathrm{ppm}$ من أعلى قيمة مقيسة: فأدفأ نقطة تقع تحت الخط. (ج) $\Delta T = (427 - 266.6)/7.83 \approx 20{}^{\circ}\mathrm{C}$. فالخط لا يصف إلا كيف تغيرت الكميتان معًا، في دورات طبيعية، داخل مدى البيانات (من $-11{}^{\circ}\mathrm{C}$ إلى $+6{}^{\circ}\mathrm{C}$، ومن 174 إلى $299\,\mathrm{ppm}$)؛ وهو ليس قانونًا، ولا يمكن أن تُقرأ منه قيمة بعيدة جدًا عن ذلك المدى.

تمرين 27.7 ★★

استعمل مخطط حبوب اللقاح لبحيرة تلال فاردن. (أ) ما حبوب اللقاح السائدة عند $580\,\mathrm{cm}$، وأي منظر طبيعي تدل عليه؟ (ب) السؤال نفسه عند $340\,\mathrm{cm}$. (ج) أي شجرة تنتشر أولًا بعد البرد، وأي الأشجار تصل أخيرًا؟ (د) لماذا قد يتأخر وصول شجرة عن الاحترار الذي سمح به؟

حل

حل التمرين 27.7.

(أ) الأعشاب، $84\,\%$: منظر مفتوح يكاد يخلو من الأشجار، بارد. (ب) البلوط ($42\,\%$) والبندق ($34\,\%$): غابة عريضة الأوراق، صيفها دافئ. (ج) ينتشر البتولا أولًا، ثم الصنوبر؛ ويصل البندق والبلوط أخيرًا. (د) لا تنتشر الأشجار إلا بسرعة انتقال بذورها ونمو صغارها، انطلاقًا من الأماكن التي نجت فيها من البرد؛ ويجب أيضًا أن تتكوّن تربة. فقد تتأخر الغابة عن المناخ.

تمرين 27.8 ★★

في العينة نفسها، عمر الوحل عند $600\,\mathrm{cm}$ $14\,000$ سنة، وعمره عند $300\,\mathrm{cm}$ $6000$ سنة، بمعدل ترسيب ثابت. (أ) احسب هذا المعدل بالملّيمترات في السنة. (ب) جد عمر الحد بين النطاقين 2 و3، عند $470\,\mathrm{cm}$. (ج) كم سنة تمثل شريحة سمكها $1\,\mathrm{cm}$؟

حل

حل التمرين 27.8.

(أ) $300\,\mathrm{cm}$، أي $3000\,\mathrm{mm}$، في $8000$ سنة: $3000/8000 = 0.375\,\mathrm{mm}$ في السنة. (ب) $6000 + (470 - 300)/300 \times 8000 \approx 6000 + 4530 \approx 10\,500$ سنة. (ج) $10/0.375 \approx 27$ سنة.

تمرين 27.9 ★★

على خريطة جنوب شرق آسيا، تزداد اليابسة فوق البحر من 4.11 إلى 7.16 مليون كيلومتر مربع حين يُخفض البحر بمقدار $130\,\mathrm{m}$. (أ) احسب الزيادة ونسبتها المئوية. (ب) على الخريطة، يكفي انخفاض بنحو $36\,\mathrm{m}$ لوصل بورنيو بآسيا. هل كانت الجزيرة متصلة طوال الذروة الجليدية الأخيرة؟ فسّر. (ج) لماذا خط ساحل الخريطة تقريبي فقط؟

حل

حل التمرين 27.9.

(أ) $7.16 - 4.11 = 3.05$ مليون كيلومتر مربع، و$3.05/4.11 \approx 74\,\%$ من اليابسة الإضافية. (ب) نعم: ففي الذروة الجليدية الأخيرة كان البحر أدنى من مستواه اليوم بمقدار 125 إلى $134\,\mathrm{m}$، وهذا أكثر بكثير من $36\,\mathrm{m}$ التي تكفي لوصل بورنيو بآسيا على الخريطة. (ج) تستعمل الخريطة قاع البحر الحالي، الذي لم يبق على حاله تمامًا منذ ذلك الحين (فقد ترسبت عليه رسوبيات، وتحركت الأرض قليلًا)؛ والشبكة أيضًا خشنة، نقطة واحدة كل 0.1 درجة، ولا يُعرف انخفاض البحر إلا في حدود نحو عشرة أمتار.

تمرين 27.10 ★★

في سجل LR04، القيمة في الذروة الجليدية الأخيرة $4.92\,\text{‰}$ وقيمة اليوم $3.23\,\text{‰}$. (أ) أيهما الأعلى، وهل هذا ما تتوقعه؟ فسّر بالأغطية الجليدية. (ب) لماذا يُرسم المحور الرأسي للسجل معكوسًا؟

حل

حل التمرين 27.10.

(أ) قيمة الذروة الجليدية الأخيرة، $4.92\,\text{‰}$، هي الأعلى. وهذا متوقع: فالأغطية الجليدية الكبيرة في ذلك الزمن خزنت ماءً فقيرًا بالأكسجين-18، فغادر المحيط، وترك المحيط والأصداف التي نمت فيه أغنى بالأكسجين-18؛ وكان الماء العميق أبرد أيضًا. (ب) كي تُرسم الأزمنة الباردة الجليدية في الأسفل والأزمنة الدافئة في الأعلى، كما في منحنى درجة الحرارة.

تمرين 27.11 ★★

يقول صديق: «الارتباط البالغ 0.92 بين درجة حرارة القارة القطبية الجنوبية وثاني أكسيد الكربون يثبت أن ثاني أكسيد الكربون هو الذي تحكّم في العصور الجليدية». (أ) ماذا يُظهر الارتباط، وماذا لا يُظهر؟ (ب) أعطِ تفسيرين آخرين يعطيان الارتباط نفسه. (ج) أي نوع من المعلومات عن السجلين يساعد على الحسم؟

حل

حل التمرين 27.11.

(أ) يُظهر الارتباط أن السجلين يرتفعان وينخفضان معًا، قريبًا من خط مستقيم؛ ولا يُظهر أيهما سبّب الآخر، ولا أن أحدهما سبّبه أصلًا. (ب) ربما أطلق مناخ أدفأ ثاني أكسيد الكربون في الهواء؛ أو ربما حرّك سبب ثالث، كتغيرات مدار الأرض، الاثنين معًا؛ أو ربما دفع كل منهما الآخر. (ج) توقيت التغيرات، أي أيها جاء أولًا، بتأريخ دقيق للجليد ولهوائه؛ وفهم كيف يؤثر ثاني أكسيد الكربون في إشعاع الأرض (الفصل 28).

تمرين 27.12 ★★★

أقوى دورة في سجل LR04 هي $41\,000$ سنة بين 2.6 و1.3 مليون سنة مضت، و$98\,500$ سنة على مدى $700\,000$ السنة الأخيرة. (أ) كم دورة تحوي كل نافذة؟ (ب) أي تغير في مدار الأرض أو محورها يوافق كل دورة؟ (ج) فسّر لماذا يستطيع سجل فيه عينة واحدة كل $2000$ سنة أن يُظهر هذه الإيقاعات، لكن لا يستطيع أن يُظهر تغيرًا دام قرنًا.

حل

حل التمرين 27.12.

(أ) $1\,300\,000/41\,000 \approx 32$ دورة بين 2.6 و1.3 مليون سنة مضت؛ و$700\,000/98\,500 \approx 7$ دورات على مدى $700\,000$ السنة الأخيرة. (ب) $41\,000$ سنة: ميل المحور؛ ونحو $100\,000$ سنة: شكل المدار. (ج) الدورة البالغة $41\,000$ سنة تُقاس عيناتها نحو $41\,000/2000 \approx 20$ مرة، وهذا يكفي لرسمها؛ أما التغير الذي يدوم قرنًا فيقع بين عينتين، أو داخل عينة واحدة، ولا يكاد يترك أثرًا.

تمرين 27.13 ★★★

كان معدل ارتفاع ثاني أكسيد الكربون من 192 إلى $198\,\mathrm{ppm}$ لكل قرن في 1995–2014. وفي أثناء الحد الأقصى الحراري للباليوسين–الإيوسين كان من 4 إلى $42\,\mathrm{ppm}$ لكل قرن، وفي أثناء مرحلة انحسار الجليد الأخيرة لم يتجاوز نحو $10\,\mathrm{ppm}$ لكل قرن. (أ) كم مرة كان الارتفاع الحديث أسرع من أسرع ارتفاع في آخر انحسار للجليد؟ (ب) ومن أبطأ تقديرات الحد الأقصى الحراري وأسرعها؟ (ج) ارتفع ثاني أكسيد الكربون في الحد الأقصى الحراري من نحو 900 إلى نحو $2000\,\mathrm{ppm}$. كم كان ذلك سيستغرق بمعدل $42\,\mathrm{ppm}$ لكل قرن، وبمعدل اليوم؟

حل

حل التمرين 27.13.

(أ) $192/10 \approx 19$ و$198/10 \approx 20$: أسرع بنحو 20 مرة. (ب) مقارنةً بمعدل $4\,\mathrm{ppm}$ لكل قرن: من $192/4 = 48$ إلى $198/4 \approx 50$ مرة؛ ومقارنةً بمعدل $42\,\mathrm{ppm}$: من $192/42 \approx 4.6$ إلى $198/42 \approx 4.7$ مرة. فالارتفاع اليوم أسرع بنحو 5 إلى 50 مرة من ارتفاع الحد الأقصى الحراري. (ج) الارتفاع $2000 - 900 = 1100\,\mathrm{ppm}$: أي $1100/42 \approx 26$ قرنًا، نحو $2600$ سنة بأسرع معدلات الحد الأقصى الحراري؛ و$1100/195 \approx 5.6$ قرن، أي أقل من 600 سنة، بمعدل اليوم.

تمرين 27.14 ★★★

تقدّر الهيئة الحكومية الدولية أن درجة الحرارة العالمية ارتفعت بمقدار 1 إلى $1.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل ألف سنة في أسرع أجزاء آخر انحسار للجليد، وأنها ارتفعت فوق غرينلاند أسرع بنحو عشر مرات في قرون الاحترار الأسرع. (أ) أعطِ معدل غرينلاند بوحدة ${}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل ألف سنة ولكل عقد. (ب) قارنه بالمعدل العالمي اليوم البالغ $0.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل عقد. (ج) لماذا يجب ألا يُقارن معدل محلي بمعدل عالمي مقارنةً مباشرة؟

حل

حل التمرين 27.14.

(أ) عشرة أضعاف 1 إلى $1.5{}^{\circ}\mathrm{C}$: من 10 إلى $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل ألف سنة، أي من 0.10 إلى $0.15{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل عقد. (ب) المعدل العالمي اليوم، $0.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل عقد، يساوي من 1.3 إلى 2 ضعف أسرع احترار فوق غرينلاند. (ج) يمكن لمكان واحد أن يتغير أكثر بكثير من المتوسط على الكرة الأرضية كلها، حيث تتعادل تغيرات المناطق المختلفة جزئيًا: فالمعدل العالمي يُقارن بمعدل عالمي.

تمرين 27.15 ★★★

كان مستوى سطح البحر نحو $-50\,\mathrm{m}$ قبل $11\,000$ سنة؛ افترض أنه ارتفع بعد ذلك بمعدل ثابت قدره $12\,\mathrm{m}$ لكل ألف سنة، وهو متوسط معدل الانحسار الرئيسي للجليد. (أ) متى تجاوز $-36\,\mathrm{m}$، المستوى الذي يصل بورنيو بآسيا على الخريطة؟ (ب) بعد ذلك الوقت، هل كان يمكن لشخص أن يمشي من بورنيو إلى شبه جزيرة الملايو؟ (ج) كم كان البحر سيستغرق ليرتفع $36\,\mathrm{m}$ الأخيرة، لو استمر بالسرعة نفسها؟

حل

حل التمرين 27.15.

(أ) $14\,\mathrm{m}$ بمعدل $12\,\mathrm{m}$ لكل ألف سنة تستغرق $14/12 \approx 1.17$ ألف سنة، أي نحو $1170$ سنة: أي قبل نحو $9800$ سنة. (ب) لا: فقد كان على البحر أن يبقى أدنى من مستواه اليوم بمقدار $36\,\mathrm{m}$ على الأقل ليصل بورنيو بآسيا؛ وحين تجاوز $-36\,\mathrm{m}$ غمر الماء الجسر البري، وعادت بورنيو جزيرة. (ج) $36/12 = 3$ آلاف سنة، أي نحو $3000$ سنة؛ والواقع أن الارتفاع تباطأ بعد نحو $8200$ سنة مضت، فاستغرق مدة أطول.

مسألة 27.1

مسألة نهاية الأسبوع — $800\,000$ سنة من جليد القارة القطبية الجنوبية

يعطي جليد دوم C والهواء الذي في فقاعاته القيم التالية. ودرجة الحرارة هي التغير فوق الجليد مقارنةً بالألف سنة الأخيرة.

	تغير درجة الحرارة (${}^{\circ}\mathrm{C}$)	ثاني أكسيد الكربون (ppm)
أبرد قيمة، قبل نحو $24\,000$ سنة	$-10.6$	—
أدفأ قيمة، قبل نحو $129\,000$ سنة	$+5.5$	—
أدنى قيمة لثاني أكسيد الكربون وأعلاها	—	174 و299
المتوسط، من $23\,000$ إلى $19\,000$ سنة مضت	$-9.4$	190
المتوسط، من $11\,000$ إلى $9000$ سنة مضت	$-0.4$	264

أقوى دورة في سجل درجة الحرارة نحو $98\,000$ سنة، والأزواج البالغة 1639 من القيم تعطي معامل ارتباط قدره 0.92.

الجزء الأول — قراءة السجلين.

1. أي جزء من الجليد يسجل درجة الحرارة، وأيها يسجل ثاني أكسيد الكربون؟
2. احسب المدى الكامل لتغير درجة الحرارة في دوم C.
3. احسب المدى الكامل لثاني أكسيد الكربون.
4. ماذا يقول معامل ارتباط قدره 0.92 عن السجلين؟
5. في الشكل ذي المحور الزمني في الفصل، الحاضر في اليمين. لماذا يجب أن تتحقق من الاتجاه الذي يجري فيه الزمن قبل قراءة مثل هذا الشكل؟

الجزء الثاني — القيم الجليدية والبين جليدية.

6. عرّف الفترة الجليدية والفترة بين الجليدية.
7. في أي الاثنتين نعيش، ومنذ متى؟
8. كم دورة من $98\,000$ سنة تتسع لها $800\,000$ سنة؟
9. أي تغير في مدار الأرض دورته قريبة من $100\,000$ سنة؟
10. قبل نحو 1.25 مليون سنة، ما كان الإيقاع الرئيسي للدورات الجليدية؟

الجزء الثالث — آخر انحسار للجليد.

11. بكم ارتفعت درجة الحرارة فوق دوم C بين الذروة الجليدية الأخيرة والفترة من $11\,000$ إلى $9000$ سنة مضت؟
12. بكم ارتفع ثاني أكسيد الكربون في الفترة نفسها؟
13. كانت درجة الحرارة العالمية في الذروة الجليدية الأخيرة أدنى بمقدار 5 إلى $7{}^{\circ}\mathrm{C}$ من درجة حرارة 1850–1900. خذ منتصف هذا المدى. هل تغير القارة القطبية الجنوبية أكبر أم أصغر؟
14. دامت مرحلة انحسار الجليد الأخيرة من $18\,000$ إلى $11\,000$ سنة مضت. كم تبلغ مدتها؟
15. احسب متوسط معدل الاحترار العالمي في أثناء المرحلة، بوحدة ${}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل ألف سنة.
16. عبّر عن هذا المعدل بوحدة ${}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل عقد.

الجزء الرابع — مقارنة معدل اليوم.

17. من 1970 إلى 2025 ارتفعت درجة الحرارة العالمية بمقدار $0.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل عقد. عبّر عن هذا المعدل لكل ألف سنة.
18. كم مرة يكون احترار اليوم أسرع من متوسط احترار آخر انحسار للجليد؟
19. في أسرع أجزاء انحسار الجليد، ارتفعت درجة الحرارة العالمية بمقدار 1 إلى $1.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل ألف سنة. كم مرة يكون معدل اليوم أسرع من هذين؟
20. استنتج: كم مرة يكون الاحترار العالمي اليوم أسرع من الاحترار الخارج من آخر عصر جليدي؟

حل

حل المسألة 27.1.

1. الجليد نفسه، بنظائره الثقيلة، يسجل درجة الحرارة؛ والهواء في فقاعاته يسجل ثاني أكسيد الكربون.

2. $5.5 - (-10.6) = 16.1{}^{\circ}\mathrm{C}$.

3. $299 - 174 = 125\,\mathrm{ppm}$.

4. تقع النقاط قريبًا من خط مستقيم: فقد ارتفع السجلان وانخفضا معًا. ولا يقول أيهما سبّب الآخر.

5. تُرسم سجلات الماضي والأزمنة الأقدم على أحد الجانبين أو الآخر؛ فإذا قُرئ السجل في الاتجاه الخطأ، حُسب الاحترار تبردًا.

6. الفترة الجليدية فترة باردة داخل عصر جليدي، تنمو فيها الأغطية الجليدية إلى ما يتجاوز حجمها الحالي بكثير؛ والفترة بين الجليدية فترة دافئة بين فترتين جليديتين، تكون فيها الأغطية الجليدية قريبة من حجمها اليوم أو أصغر.

7. في فترة بين جليدية، بدأت قبل نحو $11\,000$ سنة.

8. $800\,000/98\,000 \approx 8$: نحو ثماني دورات.

9. شكل المدار.

10. إيقاع دورته $41\,000$ سنة، وهي دورة ميل المحور.

11. $-0.4 - (-9.4) = 9.0{}^{\circ}\mathrm{C}$.

12. $264 - 190 = 74\,\mathrm{ppm}$.

13. $6{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ وتغير القارة القطبية الجنوبية، $9.0{}^{\circ}\mathrm{C}$، أكبر، نحو 1.5 ضعف التغير العالمي.

14. $18\,000 - 11\,000 = 7000$ سنة.

15. $6/7 \approx 0.86{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل ألف سنة.

16. الألف سنة مئة عقد: $0.86/100 \approx 0.0086{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل عقد.

17. $0.20 \times 100 = 20{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل ألف سنة.

18. $20/0.86 \approx 23$ مرة.

19. $20/1.5 \approx 13$ و$20/1 = 20$: من 13 إلى 20 مرة.

20. الاحترار العالمي اليوم أسرع بنحو عشرين مرة من الاحترار الخارج من آخر عصر جليدي: 23 مرة من متوسط معدله، ومن 13 إلى 20 مرة من أسرع معدلاته.