书籍暂未推出简体中文版——当前显示 العربية 版。

علوم الأرض والفضاء في المرحلة الثانوية · 10–12 年级

28تغير المناخ: الأرصاد والأسباب والإسقاطات

عاليًا على المنحدر الشمالي لماونا لوا، وهو بركان في وسط المحيط الهادئ، تقف مجموعة من المباني البيضاء على لابة عارية، على ارتفاع $3397\,\mathrm{m}$ فوق البحر. وهناك، فوق طبقة الهواء التي تلوثها الجزيرة في الأسفل، وعلى بعد آلاف الكيلومترات من أي مدينة كبيرة، يكون الهواء نقيًّا وممتزجًا جيدًا تقريبًا كالغلاف الجوي للكوكب كله. ومنذ مارس 1958، يُقاس ما فيه من ثاني أكسيد الكربون دون انقطاع تقريبًا. بدأ السجل مشروعًا لكيميائي واحد؛ ثم صار أشهر منحنى في علوم الأرض. يقرأ هذا الفصل ذلك المنحنى وسائر سجلات المناخ، ويشرح كيف يغيّر تغيرٌ في الهواء ميزانية الطاقة للكوكب، وكيف يقرر العلماء ما الذي سبّب الاحترار الذي يرصدونه، وما الذي يتوقعونه في إسقاطاتهم للعقود القادمة.

مرصد ماونا لوا، هاواي، على مسيلات لابية قديمة عاليًا على الجانب الشمالي للبركان. الصورة: براين فاسل، الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي الأمريكية (ملك عام).

ما تعرفه من قبل

تتلقى الأرض طاقة من الشمس على هيئة ضوء، وتفقد المقدار نفسه في المتوسط إلى الفضاء على هيئة أشعة تحت حمراء؛ وحصة ضوء الشمس المنعكسة هي الألبيدو (الفصل 3). وغازات الدفيئة — بخار الماء، وثاني أكسيد الكربون، والميثان — تمتص جزءًا من الأشعة تحت الحمراء التي يطلقها السطح وتعيد جزءًا منها إلى الأسفل؛ وأثر الدفيئة هذا يُبقي السطح أدفأ بكثير مما كان سيكون بدونه (كتب الكيمياء، والكتاب 1، الصف 9). وتحفظ العينات الجليدية فقاعات من الهواء القديم وتسجل الدورات الجليدية على مدى $800\,000$ السنة الأخيرة (الفصل 27).

28.1 السجلات

محتوى الهواء من ثاني أكسيد الكربون في ماونا لوا: المتوسطات الشهرية (الخط) والمتوسطات السنوية (النقاط)، بأجزاء من المليون (ppm) من الهواء الجاف. البيانات: مختبر الرصد العالمي التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي الأمريكية، ومعهد سكريبس لعلوم المحيطات.

قضية 28.1 (سجل ثاني أكسيد الكربون)

في ماونا لوا، ارتفع المتوسط السنوي لتركيز ثاني أكسيد الكربون من $316.0\,\mathrm{ppm}$ عام 1959 إلى $427.4\,\mathrm{ppm}$ عام 2025، والارتفاع يتسارع: فقد زاد التركيز بنحو $0.9\,\mathrm{ppm}$ في السنة في ستينيات القرن العشرين، وبنحو $2.6\,\mathrm{ppm}$ في السنة بين 2015 و2025. وفي كل سنة يتأرجح التركيز أيضًا بنحو $7\,\mathrm{ppm}$ : فهو أعلى ما يكون في مايو وأدنى ما يكون في سبتمبر.

ملاحظة 28.2 (لماذا للمنحنى أسنان)

التأرجح السنوي هو تنفّس الغطاء النباتي في نصف الكرة الشمالي، حيث توجد معظم نباتات اليابسة. ففي الربيع والصيف، تأخذ النباتات من ثاني أكسيد الكربون بالتمثيل الضوئي أكثر مما تطلقه هي والتربة؛ وفي الخريف والشتاء، تغلب التحلل والتنفس. أما الارتفاع من سنة إلى سنة فقصة أخرى: إنه كربون الوقود الأحفوري والغابات المزالة يتراكم في الهواء.

قضية 28.3 (أعلى مما كان منذ مليوني سنة على الأقل)

على مدى $800\,000$ السنة الأخيرة، تسجل فقاعات الهواء في جليد القارة القطبية الجنوبية تراكيز لثاني أكسيد الكربون بين نحو $174\,\mathrm{ppm}$ ، في أبرد الفترات الجليدية، و $299\,\mathrm{ppm}$ ، في أدفأ الفترات بين الجليدية. وقيمة اليوم تزيد بأكثر من $100\,\mathrm{ppm}$ على أعلاها. وتقرر التقييمات أن التركيز في عام 2019 كان أعلى منه في أي وقت خلال مليوني سنة على الأقل (بثقة عالية).

ثاني أكسيد الكربون في جليد القارة القطبية الجنوبية على مدى 800\,000 سنة: تحرّكه الدورات الجليدية بين نحو 180 و300\, ppm. والذروة الدقيقة عند الطرف الأيمن هي أحدث الجليد، الذي يسجل بداية الارتفاع الحالي، حتى عام 2001. البيانات: بيرايتر وآخرون (2015)، قسم المناخ القديم في الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي الأمريكية. — ثاني أكسيد الكربون في جليد القارة القطبية الجنوبية على مدى $800\,000$ سنة: تحرّكه الدورات الجليدية بين نحو 180 و $300\,\mathrm{ppm}$ . والذروة الدقيقة عند الطرف الأيمن هي أحدث الجليد، الذي يسجل بداية الارتفاع الحالي، حتى عام 2001. البيانات: بيرايتر وآخرون (2015)، قسم المناخ القديم في الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي الأمريكية.

متوسط درجة الحرارة العالمية عند السطح، بوصفه الفرق عن متوسطها في 1951–1980. البيانات: تحليل درجة حرارة السطح لمعهد غودارد لدراسات الفضاء التابع لناسا (GISTEMP، الإصدار 4).

قضية 28.4 (الاحترار العالمي المرصود)

كان كل عقد من العقود الأربعة الأخيرة أدفأ من أي عقد سبقه منذ 1850. وكانت درجة الحرارة العالمية عند السطح في 2011–2020 أعلى بمقدار $1.09{}^{\circ}\mathrm{C}$ مما كانت في 1850–1900 (على نحو مرجح جدًا بين 0.95 و $1.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ )، مع احترار أكبر فوق اليابسة ( $1.59{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) منه فوق المحيط ( $0.88{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

قضية 28.5 (البحر يرتفع أسرع فأسرع)

ارتفع المتوسط العالمي لمستوى سطح البحر بنحو $0.20\,\mathrm{m}$ بين 1901 و2018. وكان المعدل نحو $1.3\,\mathrm{mm}$ في السنة من 1901 إلى 1971، و $1.9\,\mathrm{mm}$ في السنة من 1971 إلى 2006، و $3.7\,\mathrm{mm}$ في السنة من 2006 إلى 2018 (بثقة عالية). والأقمار الصناعية، التي تقيس ارتفاع سطح البحر منذ 1993، تجد متوسطًا قدره $3.2\,\mathrm{mm}$ في السنة على مدى 1993–2025. ويرتفع البحر لأن المحيط الذي يسخن يتمدد، ولأن الأنهار الجليدية والأغطية الجليدية تفقد جليدًا يصب فيه.

المتوسط العالمي لمستوى سطح البحر مقيسًا من الفضاء، كل عشرة أيام تقريبًا (بعد إزالة الإشارة الموسمية)، مقارنةً بصفر اعتباطي. بيانات قياس الارتفاع مقدَّمة من مختبر قياس الارتفاع بالأقمار الصناعية التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي الأمريكية.

أرقام عام 2025

بلغ المتوسط السنوي لتركيز ثاني أكسيد الكربون في ماونا لوا عام 2025 $427.35\,\mathrm{ppm}$ . وفي سجل ناسا لدرجة الحرارة، كانت أدفأ سنة حتى الآن 2024، بزيادة $1.28{}^{\circ}\mathrm{C}$ على متوسط 1951–1980.

28.2 التأثير الإشعاعي

تعريف 28.6 (التأثير الإشعاعي)

التأثير الإشعاعي لتغيّر في النظام المناخي — مزيد من غازات الدفيئة، أو مزيد من جسيمات الهباء الجوي، أو شمس أشد سطوعًا — هو التغير الذي يحدثه في صافي تدفق الطاقة الداخل إلى النظام المناخي عند قمة الغلاف الجوي، قبل أن تجد درجة حرارة السطح وقتًا للاستجابة. ويُقاس بالواط لكل متر مربع ( $\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ) من سطح الأرض. فالتأثير الموجب يجعل الكوكب يكسب طاقة ويسخن؛ والتأثير السالب يجعله يفقد طاقة ويبرد.

ملاحظة 28.7 (التأثير الفعّال)

تستعمل التقييمات التأثير الإشعاعي الفعّال، الذي يحسب أيضًا التعديلات السريعة في الغلاف الجوي (في سحبه، مثلًا) التي تحدث قبل أن يسخن السطح. وكل التأثيرات في هذا الفصل تأثيرات فعّالة.

قضية 28.8 (التأثير منذ 1750)

أحدثت الأنشطة البشرية تأثيرًا إشعاعيًا كليًا قدره $2.72\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ عام 2019 مقارنةً بعام 1750 (على نحو مرجح جدًا بين 1.96 و $3.48\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ). وتسهم غازات الدفيئة بتأثير موجب، في مقدمتها ثاني أكسيد الكربون ( $2.16\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ )؛ أما جسيمات الهباء الجوي، التي تعكس ضوء الشمس وتزيد السحب سطوعًا، فتسهم بتأثير سالب (نحو $-1.06\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ في المجموع). أما تغير سطوع الشمس في الفترة نفسها فلا يسهم إلا بمقدار $0.01\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

أهم التأثيرات الإشعاعية الفعّالة من 1750 إلى 2019، مع مداها المرجح جدًا (الشعيرات). القيم: تقرير التقييم السادس للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ، الفريق العامل الأول، الجدول 7.8.

قضية 28.9 (ثاني أكسيد الكربون: كل مضاعفة تضيف التأثير نفسه)

بتقريب جيد، يزداد تأثير ثاني أكسيد الكربون مع لوغاريتم تركيزه: فكل مضاعفة تضيف التأثير نفسه، $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ لمضاعفة انطلاقًا من تركيز عام 1750، $C_0 = 278\,\mathrm{ppm}$ . ومن ثم فتأثير تركيز $C$ هو

F = F_{2\times}\,\frac{\ln (C/C_0)}{\ln 2}.

مثال 28.10 (التحقق من القانون بمقارنته بالتقييم)

في عام 2019 كان التركيز $410\,\mathrm{ppm}$ . ويعطي القانون $F = 3.93 \times \ln(410/278)/\ln 2 = 3.93 \times 0.561 \approx 2.20\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ، أي في حدود 2 % من القيمة $2.16\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ التي يعطيها التقييم لثاني أكسيد الكربون على مدى 1750–2019.

قضية 28.11 (إلى أين تذهب الطاقة الإضافية)

لأن التأثير موجب، يكسب النظام المناخي طاقة: نحو $0.79\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ في المتوسط على مدى 2006–2018، بعد أن كانت $0.50\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ على مدى 1971–2006 (بثقة عالية). وقد أخذ المحيط 91 % من هذه الطاقة، واليابسة 5 %، والجليد الذائب 3 %، والغلاف الجوي 1 % فقط.

28.3 التغذيات الراجعة وحساسية المناخ

حين يسخن السطح، يشع مزيدًا من الطاقة إلى الفضاء، وهذا يميل إلى إعادة الكوكب إلى التوازن. لكن الاحترار يغيّر أيضًا أشياء أخرى — بخار الماء في الهواء، والثلج والجليد على الأرض، والسحب — وهذه التغيرات تبدّل بدورها ميزانية الطاقة.

تعريف 28.12 (التغذية الراجعة المناخية)

التغذية الراجعة المناخية تغيّر في النظام المناخي، يسببه تغيّر في درجة الحرارة، فيبدّل ميزانية الطاقة، ومن ثم تغيّر درجة الحرارة نفسه. والتغذية الراجعة الموجبة تضخّم التغير الأولي؛ والتغذية الراجعة السالبة تخمده.

مثال 28.13 (ثلاث تغذيات راجعة)

بخار الماء (موجبة). يحمل الهواء الأدفأ مزيدًا من بخار الماء، وهو غاز دفيئة، فيزيد الاحترار.
الثلج والجليد (موجبة). يعكس الثلج والجليد ضوء الشمس؛ فإذا ذابا، امتصت اليابسة والبحر الأدكن تحتهما مزيدًا منه، وازداد الاحترار.
الإشعاع إلى الفضاء (سالبة). السطح والغلاف الجوي الأدفأ يشعان مزيدًا من الأشعة تحت الحمراء إلى الفضاء. وهذه الاستجابة الأساسية تغلب دائمًا في النهاية: ولهذا يستقر المناخ عند توازن جديد أدفأ بدلًا من أن يسخن بلا حد.

تغذيتان راجعتان موجبتان (الحلقتان الحمراوان) تضخّمان الاحترار؛ والأشعة تحت الحمراء الإضافية التي يشعها كوكب أدفأ (بالأزرق) تغذية راجعة سالبة تحدّ منه.

قضية 28.14 (الاحترار عند التوازن)

حين يبلغ المناخ توازنًا جديدًا، يكون الاحترار $\Delta T$ الذي يسببه تأثير ثابت $F$ هو

\Delta T = \frac{F}{\lambda},

حيث $\lambda$ ، وهو معامل التغذية الراجعة المناخية، الطاقة الإضافية التي يفقدها الكوكب إلى الفضاء لكل درجة من الاحترار. وتجمع التقييمات الإشعاع إلى الفضاء ( $3.22\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ ) مع التغذيات الراجعة الموجبة لبخار الماء ومقطع درجة الحرارة ( $1.30$ )، ولألبيدو السطح ( $0.35$ )، وللسحب ( $0.42$ ، بالوحدة نفسها) في $\lambda \approx 1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ .

برهان جزئي. عند التوازن الجديد يفقد النظام المناخي من جديد إلى الفضاء من الطاقة قدر ما يكسب، فالفقد الإضافي الناجم عن الاحترار، $\lambda\,\Delta T$ ، يجب أن يعوّض التأثير: $\lambda\,\Delta T = F$ . أما أن يكون الفقد الإضافي متناسبًا مع $\Delta T$ فهو تقريب، جيد لاحترار ببضع درجات، ومسلَّم به هنا. ∎

تعريف 28.15 (حساسية المناخ عند التوازن)

حساسية المناخ عند التوازن هي احترار سطح الأرض، حين يُبلغ توازن جديد، بعد مضاعفة تركيز ثاني أكسيد الكربون عن مستواه عام 1750.

قضية 28.16 (ما مدى حساسية المناخ؟)

بالجمع بين كل خطوط الأدلة — فيزياء التغذيات الراجعة، والاحترار المرصود، والمناخات الماضية — تعطي التقييمات أفضل تقدير قدره $3{}^{\circ}\mathrm{C}$ لحساسية المناخ عند التوازن، وهي على نحو مرجح بين 2.5 و $4{}^{\circ}\mathrm{C}$ (بثقة عالية)، وعلى نحو مرجح جدًا بين 2 و $5{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

28.4 مَن المسؤول؟

طريقة 28.17 (قراءة عبارة من عبارات التقييمات)

تصنّف التقييمات الدولية لعلم المناخ كل نتيجة بمفردات ثابتة، تُطبع بخط مائل:

الأرجحية، أي احتمال نتيجة ما: مؤكد تقريبًا من 99 إلى 100 %، ومرجح للغاية من 95 إلى 100 %، ومرجح جدًا من 90 إلى 100 %، ومرجح من 66 إلى 100 %، ومتساوي الاحتمال تقريبًا من 33 إلى 66 %، وغير مرجح من 0 إلى 33 %، وغير مرجح جدًا من 0 إلى 10 %؛
الثقة، أي قوة الأدلة ومدى الاتفاق وراء نتيجة ما: منخفضة جدًا، ومنخفضة، ومتوسطة، وعالية، وعالية جدًا.

والمدى المكتوب $[x \text{, } y]$ مدى مرجح جدًا: أي أن هناك فرصة 90 % لأن تقع القيمة الحقيقية داخله. ولقراءة عبارة، حدّد الكمية، وأفضل تقدير لها، ومداها، والأرجحية أو الثقة المقرونة بها.

تعريف 28.18 (الإسناد)

الإسناد هو تقدير مقدار ما يرجع من تغيّر مرصود إلى كل سبب من أسبابه الممكنة، مع أرجحية هذه النتيجة.

قضية 28.19 (التأثير البشري)

مما لا لبس فيه أن التأثير البشري قد سخّن الغلاف الجوي والمحيط واليابسة. فبين 1850–1900 و2010–2019، سخن السطح العالمي بنحو $1.06{}^{\circ}\mathrm{C}$ . وقد سببت الأنشطة البشرية احترارًا من $0.8{}^{\circ}\mathrm{C}$ إلى $1.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ (المدى المرجح)، وأفضل تقدير له $1.07{}^{\circ}\mathrm{C}$ : فغازات الدفيئة الجيدة الامتزاج سخّنت السطح على نحو مرجح بمقدار 1.0 إلى $2.0{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، والتأثيرات البشرية الأخرى، ولا سيما الهباء الجوي، بردته على نحو مرجح بمقدار 0 إلى $0.8{}^{\circ}\mathrm{C}$ . أما الشمس والبراكين فلم تغيره إلا بمقدار $-0.1$ إلى $+0.1{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، والتقلبات الطبيعية للمناخ بمقدار $-0.2$ إلى $+0.2{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

ما الذي سبّب الاحترار المرصود: المدى المرجح لكل مساهمة، مع أفضل التقديرات حيث يعطيها التقييم (النقاط)؛ وللاحترار المرصود، مداه المرجح جدًا. القيم: تقرير التقييم السادس للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ، الفريق العامل الأول، ملخص لصانعي السياسات، الفقرة A.1.3.

28.5 السيناريوهات والإسقاطات

تعريف 28.20 (السيناريو والإسقاط)

سيناريو الانبعاثات رواية متسقة لما قد يكون عليه تطور انبعاثات غازات الدفيئة والهباء الجوي في المستقبل. والإسقاط المناخي هو استجابة المناخ التي تحسبها النماذج لسيناريو معين. والإسقاط ليس تنبؤًا: فهو يقول ما الذي سيحدث لو تحقق السيناريو.

قضية 28.21 (الاحترار وارتفاع مستوى البحر في الإسقاطات)

تستعمل التقييمات خمسة سيناريوهات رئيسية، من انبعاثات منخفضة جدًا (SSP1-1.9) إلى انبعاثات مرتفعة جدًا (SSP5-8.5). وللفترة 2081–2100، مقارنةً بالفترة 1850–1900، تعطي إسقاطاتها الاحترار المبيّن أدناه (أفضل التقديرات والمدى المرجح جدًا، بوحدة ${}^{\circ}\mathrm{C}$ )، وتعطي، بحلول 2100، الارتفاعات المرجحة للمتوسط العالمي لمستوى سطح البحر مقارنةً بالفترة 1995–2014. وفي كل سيناريو يظل البحر يرتفع طوال القرن (مؤكد تقريبًا). وآخر مرة بقي فيها السطح العالمي أعلى بمقدار $2.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ أو أكثر مما كان في 1850–1900 كانت قبل أكثر من ثلاثة ملايين سنة (بثقة متوسطة).

السيناريو	الانبعاثات	الاحترار في 2081–2100 ( ${}^{\circ}\mathrm{C}$ )	ارتفاع مستوى البحر بحلول 2100 (m)
SSP1-1.9	منخفضة جدًا	1.4 (من 1.0 إلى 1.8)	من 0.28 إلى 0.55
SSP1-2.6	منخفضة	1.8 (من 1.3 إلى 2.4)	من 0.32 إلى 0.62
SSP2-4.5	متوسطة	2.7 (من 2.1 إلى 3.5)	من 0.44 إلى 0.76
SSP3-7.0	مرتفعة	3.6 (من 2.8 إلى 4.6)	—
SSP5-8.5	مرتفعة جدًا	4.4 (من 3.3 إلى 5.7)	من 0.63 إلى 1.01

الاحترار في الإسقاطات عند نهاية القرن للسيناريوهات الخمسة: المدى المرجح جدًا (العمود) وأفضل تقدير (الخط الأسود). القيم: تقرير التقييم السادس للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ، الفريق العامل الأول، الجدول SPM.1.

ملاحظة 28.22 (ما لا يقوله هذا الفصل)

أي السيناريوهات سيتبعه العالم أمر يتوقف على الانبعاثات المقبلة، أي على قرارات ليست من مسائل الفيزياء. فعلم الفيزياء يقول كيف يستجيب المناخ لكل منها؛ أما الاختيار بينها فيعود إلى المجتمعات، وتدرس تكاليفه ومنافعه علوم أخرى.

لمحة تاريخية — منحنى بدأ مشروعًا لكيميائي

في مارس 1958 بدأ الكيميائي تشارلز ديفيد كيلينغ، من معهد سكريبس لعلوم المحيطات، يقيس ثاني أكسيد الكربون في الهواء في ماونا لوا بجهاز دقيق بما يكفي لرؤية تغيرات بجزء من جزء من المليون. وفي غضون سنوات قليلة أظهر سجله التنفس السنوي للغطاء النباتي وارتفاعًا مطّردًا معًا. والقياسات، التي واصلها منذ ذلك الحين معهد سكريبس والوكالة الأمريكية للطقس والمحيطات، هي أطول سجل مباشر لتركيب الغلاف الجوي.

تشارلز ديفيد كيلينغ (في اليسار) وجون تشين في مرصد ماونا لوا عام 1997، بجانب اللوحة التي تسمّي مبنى باسم كيلينغ. الصورة: جون ميلر، الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي الأمريكية (ملك عام).

28.6 تمارين

تمرين 28.1 ★

ما التأثير الإشعاعي لتغيّر في النظام المناخي؟ وبأي وحدة يُقاس، وماذا تعني إشارته؟

حل

حل التمرين 28.1.

التغير الذي يحدثه في صافي تدفق الطاقة الداخل إلى النظام المناخي عند قمة الغلاف الجوي، قبل أن تستجيب درجة حرارة السطح؛ ويُقاس بوحدة $\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ . الموجب: يكسب الكوكب طاقة ويسخن؛ والسالب: يفقد طاقة ويبرد.

تمرين 28.2 ★

في أي شهر من السنة يكون تركيز ثاني أكسيد الكربون في ماونا لوا أعلى ما يكون، وفي أيها يكون أدنى ما يكون؟ فسّر التأرجح السنوي.

حل

حل التمرين 28.2.

أعلى ما يكون في مايو، وأدنى ما يكون في سبتمبر. ففي الربيع والصيف يأخذ الغطاء النباتي في نصف الكرة الشمالي، حيث تنمو معظم نباتات اليابسة، من ثاني أكسيد الكربون بالتمثيل الضوئي أكثر مما تطلقه النباتات والتربة؛ وفي الخريف والشتاء يغلب التحلل والتنفس فيرتفع التركيز من جديد.

تمرين 28.3 ★

بمفردات التقييمات، ما الاحتمال الذي تعنيه مرجح جدًا؟ وماذا تعني مرجح؟ وماذا يعني مدى مكتوب $[0.95 \text{, } 1.20]$ ؟

حل

حل التمرين 28.3.

مرجح جدًا: احتمال من 90 إلى 100 %؛ ومرجح: من 66 إلى 100 %. و $[0.95 \text{, } 1.20]$ مدى مرجح جدًا: أي فرصة 90 % لأن تقع القيمة الحقيقية بين 0.95 و1.20.

تمرين 28.4 ★

من الطاقة الإضافية التي كسبها النظام المناخي في العقود الأخيرة، ما الحصة التي ذهبت إلى المحيط؟ ولماذا يفسر هذا ارتفاع مستوى سطح البحر حتى من دون ذوبان الجليد؟

حل

حل التمرين 28.4.

91 %. فالماء يتمدد حين يسخن: والمحيط الأدفأ يشغل حجمًا أكبر، فيرتفع سطحه حتى لو لم يُضف إليه ماء (ويضيف ذوبان الجليد القاري ماءً فوق ذلك).

تمرين 28.5 ★

اذكر تغذيتين راجعتين مناخيتين موجبتين، والاستجابة السالبة التي تحدّ من الاحترار. واشرح كلًّا منها في جملة واحدة.

حل

حل التمرين 28.5.

بخار الماء: يحمل الهواء الأدفأ مزيدًا من بخار الماء، وهو غاز دفيئة، فيزيد الاحترار. الثلج والجليد: الذوبان يكشف سطوحًا أدكن، تمتص مزيدًا من ضوء الشمس. والاستجابة السالبة: الكوكب الأدفأ يشع مزيدًا من الأشعة تحت الحمراء إلى الفضاء، فيعود إلى التوازن.

تمرين 28.6 ★★

كان المتوسط السنوي لتركيز ثاني أكسيد الكربون في ماونا لوا $315.98\,\mathrm{ppm}$ عام 1959 و $427.35\,\mathrm{ppm}$ عام 2025. بكم جزءًا من المليون، وبأي نسبة مئوية، ازداد؟ وما متوسط الزيادة في السنة على امتداد الفترة كلها؟

حل

حل التمرين 28.6.

$427.35 - 315.98 = 111.37\,\mathrm{ppm}$ ؛ و $111.37/315.98 \approx 0.352$ ، أي زيادة بنحو 35 %. وعلى مدى 66 سنة: $111.37/66 \approx 1.7\,\mathrm{ppm}$ في السنة في المتوسط.

تمرين 28.7 ★★

استعمل القانون اللوغاريتمي في الفصل، مع $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ و $C_0 = 278\,\mathrm{ppm}$ ، لحساب تأثير ثاني أكسيد الكربون عند $427.35\,\mathrm{ppm}$ ، وهو المتوسط السنوي لعام 2025.

حل

حل التمرين 28.7.

$F = 3.93 \times \ln(427.35/278)/\ln 2 = 3.93 \times 0.4300/0.6931 \approx 2.44\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

تمرين 28.8 ★★

بمعدل $3.7\,\mathrm{mm}$ في السنة، وهو معدل 2006–2018، بكم كان مستوى البحر سيرتفع في 30 سنة؟ وكم مرة يكون هذا المعدل أسرع من معدل 1901–1971، البالغ $1.3\,\mathrm{mm}$ في السنة؟

حل

حل التمرين 28.8.

$3.7 \times 30 = 111\,\mathrm{mm}$ ، أي نحو $11\,\mathrm{cm}$ . و $3.7/1.3 \approx 2.8$ : أسرع بنحو ثلاث مرات تقريبًا.

تمرين 28.9 ★★

باستعمال $\Delta T = F/\lambda$ مع $\lambda = 1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ ، احسب الاحترار عند التوازن الذي سيحدثه التأثير البشري الكلي لعام 2019، $2.72\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ . والاحترار المرصود الذي سببه الإنسان لا يتجاوز نحو $1.07{}^{\circ}\mathrm{C}$ . اذكر السبب الرئيسي للفرق.

حل

حل التمرين 28.9.

$\Delta T = 2.72/1.16 \approx 2.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ . فالمناخ ليس في حالة توازن: فالمحيط، الذي يأخذ نحو 90 % من الطاقة الإضافية، يسخن ببطء، ولذلك لم يلحق السطح بعدُ بالتأثير الإشعاعي (فلا يزال النظام يكسب نحو $0.8\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ).

تمرين 28.10 ★★

غيّرت الشمس والبراكين درجة الحرارة العالمية بين 1850–1900 و2010–2019 بمقدار $-0.1$ إلى $+0.1{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، في حين كان الاحترار المرصود نحو $1.06{}^{\circ}\mathrm{C}$ . ماذا تستنتج؟ وأي سبب طبيعي آخر يجب استبعاده أيضًا، وماذا يقول التقييم عنه؟

حل

حل التمرين 28.10.

لا تفسر الشمس والبراكين إلا $0.1{}^{\circ}\mathrm{C}$ على الأكثر من احترار قدره $1.06{}^{\circ}\mathrm{C}$ : فلا يمكن أن تكون سببه. والسبب الطبيعي الآخر هو التقلبية الداخلية للمناخ (تقلباته الطبيعية، كتبادل الحرارة بين المحيط والغلاف الجوي)؛ ويقدّر التقييم مساهمتها بمقدار $-0.2$ إلى $+0.2{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، وهي أيضًا أصغر بكثير من أن تفسره.

تمرين 28.11 ★★

باستعمال جدول الإسقاطات، في أي السيناريوهات يكون احترار 2081–2100 على نحو مرجح جدًا دون $2{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؟ وفي أيها يكون على نحو مرجح جدًا فوق $2{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؟

حل

حل التمرين 28.11.

دون $2{}^{\circ}\mathrm{C}$ على نحو مرجح جدًا: SSP1-1.9 وحده (مداه المرجح جدًا من 1.0 إلى 1.8). وفوقها على نحو مرجح جدًا: SSP2-4.5 (من 2.1 إلى 3.5)، وSSP3-7.0 (من 2.8 إلى 4.6) وSSP5-8.5 (من 3.3 إلى 5.7). أما SSP1-2.6 (من 1.3 إلى 2.4) فلا يكون فيه أي منهما مرجحًا جدًا.

تمرين 28.12 ★★★

أحدث الهباء الجوي تأثيرًا قدره نحو $-0.22$ و $-0.84\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ (عبر ضوء الشمس وعبر السحب). لو أزيل كل الهباء الجوي من الهواء وبقي كل شيء آخر كما كان عام 2019، فكم يصير التأثير البشري الكلي؟ وبكم يزداد الاحترار عند التوازن، مع $\lambda = 1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ ؟

حل

حل التمرين 28.12.

تأثير الهباء الجوي $-0.22 - 0.84 = -1.06\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ؛ ومن دونه يصير المجموع $2.72 + 1.06 = 3.78\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ . ويزداد الاحترار عند التوازن بمقدار $1.06/1.16 \approx 0.9{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

تمرين 28.13 ★★★

بيّن، انطلاقًا من القانون اللوغاريتمي، أن الانتقال من $278\,\mathrm{ppm}$ إلى $556\,\mathrm{ppm}$ والانتقال من $556\,\mathrm{ppm}$ إلى $1112\,\mathrm{ppm}$ يضيفان التأثير نفسه. ما التأثير الكلي عند $1112\,\mathrm{ppm}$ ؟

حل

حل التمرين 28.13.

لأن $\ln(2C) - \ln C = \ln 2$ أيًّا كانت $C$ ،

F(556) - F(278) = \frac{3.93\,\ln 2}{\ln 2} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}, \qquad F(1112) - F(556) = \frac{3.93\,\ln 2}{\ln 2} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}:

أي التأثير نفسه لكل مضاعفة. والمجموع عند $1112\,\mathrm{ppm}$ : $2 \times 3.93 = 7.86\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

تمرين 28.14 ★★★

اشتق القانون اللوغاريتمي بالنسبة إلى $C$ . ما التأثير الذي يضيفه جزء إضافي واحد من المليون من ثاني أكسيد الكربون عند $280\,\mathrm{ppm}$ ، وما الذي يضيفه عند $420\,\mathrm{ppm}$ ؟ علّق.

حل

حل التمرين 28.14.

$\dfrac{\dd F}{\dd C} = \dfrac{F_{2\times}}{C \ln 2}$ . عند $280\,\mathrm{ppm}$ : $3.93/(280 \times 0.6931) \approx 0.0202\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ لكل جزء من المليون؛ وعند $420\,\mathrm{ppm}$ : $\approx 0.0135\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ لكل جزء من المليون. فكل جزء إضافي من المليون يضيف تأثيرًا أقل كلما ازداد التركيز (أقل بمقدار 1.5 مرة عند 420 منه عند 280)، لكن التركيز يظل يرتفع، فيظل التأثير يزداد.

تمرين 28.15 ★★★

من دون أي تغذية راجعة سوى الإشعاع الإضافي إلى الفضاء، $\lambda_0 = 3.22\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ . احسب الاحترار لمضاعفة ثاني أكسيد الكربون ( $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ) مع $\lambda_0$ ، ثم مع $\lambda = 1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ . بأي عامل تضخّم التغذيات الراجعة الاحترار؟

حل

حل التمرين 28.15.

$3.93/3.22 \approx 1.2{}^{\circ}\mathrm{C}$ من دون التغذيات الراجعة؛ و $3.93/1.16 \approx 3.4{}^{\circ}\mathrm{C}$ معها. وعامل التضخيم: $3.22/1.16 \approx 2.8$ .

28.7 مسألة: منحنى كيلينغ بالأرقام

مسألة 28.1

مسألة نهاية الأسبوع — من التنفس السنوي للغطاء النباتي إلى السنة التي تُبلغ فيها المضاعفة

تنزّل طالبة سجل ماونا لوا وتعالجه في جدول بيانات. ففي 2015–2024، يقع التركيز الشهري في المتوسط أعلى من الاتجاه المنعَّم بمقدار $3.37\,\mathrm{ppm}$ في مايو وأدنى منه بمقدار $3.51\,\mathrm{ppm}$ في سبتمبر. والمتوسطات السنوية $316.91\,\mathrm{ppm}$ عام 1960، و $325.68\,\mathrm{ppm}$ عام 1970، و $401.01\,\mathrm{ppm}$ عام 2015، و $427.35\,\mathrm{ppm}$ عام 2025. وكان تركيز عام 1750 $278\,\mathrm{ppm}$ . استعمل القانون اللوغاريتمي مع $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

الجزء الأول — تنفس الغطاء النباتي.

ما سعة الدورة السنوية من القمة إلى القاع؟
فسّر لماذا يكون التركيز أعلى ما يكون في مايو وأدنى ما يكون في سبتمبر.
الدورة أضعف بكثير في هواء نصف الكرة الجنوبي. اقترح سببًا لذلك.
لماذا بُني المرصد على ارتفاع $3397\,\mathrm{m}$ ، على بركان في وسط المحيط الهادئ؟

الجزء الثاني — الاتجاه.

احسب متوسط الزيادة، بالجزء من المليون في السنة، على مدى 1960–1970.
احسبه على مدى 2015–2025.
بأي عامل ازداد معدل الزيادة؟
بأي نسبة مئوية ارتفع التركيز بين 1750 و2025؟
لا تُظهر العينات الجليدية أبدًا أكثر من نحو $300\,\mathrm{ppm}$ على مدى $800\,000$ السنة الأخيرة. بكم جزءًا من المليون تتجاوز قيمة 2025 هذا الحد؟

الجزء الثالث — التأثير.

احسب تأثير ثاني أكسيد الكربون عام 2025.
احسبه عام 1960، ثم احسب زيادة التأثير بين 1960 و2025.
أي تركيز يضيف $1\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ إلى تأثير عام 2025؟
بمعدل الزيادة في 2015–2025، كم سنة يستغرق ذلك؟

الجزء الرابع — المضاعفة.

ما التركيز الذي يمثل مضاعفة قيمة عام 1750؟ وأي تأثير يحدثه؟
بأفضل تقدير لحساسية المناخ عند التوازن، ما الاحترار عند التوازن الذي يسببه؟ أعطِ المدى المرجح.
ما معامل التغذية الراجعة $\lambda$ الذي تقتضيه حساسية قدرها $3{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؟ قارنه بالقيمة $1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ التي نحصل عليها بجمع التغذيات الراجعة.
لماذا لا يبلغ السطح هذا الاحترار في اليوم الذي تُبلغ فيه المضاعفة؟
لماذا يكون الحساب الذي يكتفي بمدّ معدل الزيادة الحالي سيناريو، لا إسقاطًا من النوع الذي تقدمه التقييمات؟
لو بقي معدل الزيادة في 2015–2025 على حاله، ففي أي سنة تُبلغ مضاعفة تركيز عام 1750؟

حل

حل المسألة 28.1.

1. $3.37 + 3.51 = 6.88\,\mathrm{ppm}$ ، أي نحو $7\,\mathrm{ppm}$ .

2. من الربيع إلى أواخر الصيف، تسحب نباتات نصف الكرة الشمالي ثاني أكسيد الكربون من الهواء بالتمثيل الضوئي أسرع مما يعيده التنفس والتحلل: فينخفض التركيز حتى سبتمبر. وفي الخريف والشتاء ينقلب التوازن، فيعود التركيز إلى الصعود حتى قمته في مايو.

3. في نصف الكرة الجنوبي يابسة أقل بكثير، ومن ثم غطاء نباتي أقل بكثير، مما في الشمالي؛ ومعظم سطحه محيط.

4. لأنه عالٍ، يقع فوق طبقة الهواء الملوث قرب الأرض؛ ولأنه بعيد عن القارات والمدن، فالهواء الذي يأخذ منه العينات ممتزج جيدًا ويمثل الغلاف الجوي كله، لا مصدرًا محليًا.

5. $(325.68 - 316.91)/10 \approx 0.88\,\mathrm{ppm}$ في السنة.

6. $(427.35 - 401.01)/10 \approx 2.63\,\mathrm{ppm}$ في السنة.

7. $2.634/0.877 \approx 3.0$ : لقد تضاعف معدل الزيادة ثلاث مرات.

8. $(427.35 - 278)/278 \approx 0.537$ : أي نحو 54 %.

9. $427.35 - 300 \approx 127\,\mathrm{ppm}$ .

10. $F = 3.93 \times \ln(427.35/278)/\ln 2 \approx 2.44\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

11. $F(316.91) = 3.93 \times \ln(316.91/278)/\ln 2 \approx 0.74\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ؛ والزيادة $2.44 - 0.74 \approx 1.70\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

12. كل $\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ إضافي يضرب التركيز في $2^{1/3.93} \approx 1.193$ : $427.35 \times 1.193 \approx 510\,\mathrm{ppm}$ .

13. $(509.8 - 427.35)/2.634 \approx 31$ سنة.

14. $2 \times 278 = 556\,\mathrm{ppm}$ ؛ والتأثير $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

15. بتعريف الحساسية، $3{}^{\circ}\mathrm{C}$ (على نحو مرجح من 2.5 إلى $4{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

16. $\lambda = 3.93/3 \approx 1.31\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ . ومجموع التغذيات الراجعة، $1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ ، يعطي $3.93/1.16 \approx 3.4{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، أي أكثر قليلًا؛ وأفضل تقدير في التقييم يجمع هذه الفيزياء مع الاحترار المرصود والمناخات الماضية، والقيمتان كلتاهما تقعان في المدى المرجح.

17. يخزن المحيط معظم الطاقة الإضافية ويسخن ببطء: فلا يبلغ السطح احتراره عند التوازن إلا بعد عقود إلى قرون.

18. لأنه يفترض رواية واحدة للانبعاثات المقبلة (إبقاء زيادة السنوات العشر الأخيرة إلى الأبد): وهذا سيناريو. أما الإسقاط فيحسب استجابة المناخ ودورة الكربون لسيناريو انبعاثات بنماذج فيزيائية، ويعطي مدى وأرجحيات.

19. $(556 - 427.35)/2.634 \approx 48.8$ سنة بعد 2025: أي نحو عام 2074.

本章定义的术语

在术语表中查看全部 957 个术语