إن تغير المناخ يمثل أحد أكثر التحديات تعقيدا في العصر الحديث، مما يتطلب فهما عميقا للقوانين المادية التي تحكم كوكبنا، ومن بين هذه التحديات، توفر الديناميات الحرارية الإطار الأساسي لتحليل كيفية تدفق الطاقة عبر نظام الأرض، وطقوس القيادة، وتيار المحيطات، والاتجاهات المناخية الطويلة الأجل، وبدون تطبيق صارم للمبادئ الدينامية الحرارية، ستظل نماذج المناخ غير كاملة، كما أن التنبؤات بشأن الاحترار في المستقبل ستنقص من الأساس اللازم.

The Role of Thermodynamics in Climate Science

إن الديناميات الحرارية، ودراسة الحرارة والعمل ونقل الطاقة، هي محورية في علوم المناخ لأن نظام المناخ هو أساساً نظام للطاقة، وتزود الشمس تقريباً جميع الطاقة التي تدفع العلماء إلى التداول في الغلاف الجوي والمحيطات، وكيف يتم استيعاب هذه الطاقة وتحويلها وتخزينها ثم العودة إلى الفضاء تحدد متوسط درجات الحرارة واستقرار المناخ.

والنماذج المناخية هي تمثيل رقمي لنظام الأرض الذي يحل معادلة الحرارة إلى جانب تلك الخاصة بديناميات السوائل والكيمياء والبيولوجيا، وهذه النماذج تقسم الكوكب إلى شبكة من الخلايا، وكلها ذات درجة حرارة وضغط ورطوبة ومتغيرات أخرى، وفي كل مرة، يقارن النموذج تبادل الطاقة بين الخلايا المتاخمة وبين السطح والغلاف الجوي، ويمكِّن الباحثين من تغيير التركيز على الأرض والفضاء.

Energy Balance and Climate Modeling

إن توازن الطاقة في الأرض هو نقطة البداية لأي نموذج مناخي، والإشعاع الشمسي القادم (الموجات الشمسية) ينعكس جزئياً في الغيوم، والهيروسول، والسطح، ويستوعب جزئياً، وتدفئ الطاقة الممتصة الكوكب الذي يُظهر بعد ذلك الإشعاع تحت الحمراء (الموجة الطويلة) إلى الفضاء، وتُعاد غازات الدفيئة إلى الظهور، مثل ثاني أكسيد الكربون، والميثان، والإشعاع المائي إلى الخارج.

نماذج المناخ تستخدم معادلة نقل إشعاعية مستمدة من الديناميكا الحرارية لتخزين صافي تدفق الطاقة في كل نقطة في الغلاف الجوي، وهذه المعادلة هي لاستيعاب غازات الدفيئة ومطياف انبعاثاتها، وتشتيت ضوء الشمس بواسطة الأيروسولات، والخواص المعكسة للسحاب والجليد، وذلك عن طريق حل معادلة توازن الطاقة في الأماكن التي يستهلك فيها الإشعاع القصير

The concept of radiative forcing quantifies this disruption. Radiative forcing is the change in net energy flux at the top of the atmosphere caused by a climate driver, such as increased CO2. Using thermodynamic principles, scientists can calculate that doubling CO2 from preindustrial causes an immediate radiative forcing about 3.7

عمليات نقل النفايات في نظام المناخ

وتحدد الديناميات الحرارية ثلاث طرق أساسية لنقل الحرارة: السلوك، والتكفير، والإشعاع، وتعمل ثلاث جميعها في نفس الوقت في نظام المناخ، ويجب أن تمثل نماذج المناخ كل منها البارامترات المناسبة.

السلوك

فالسلوك هو نقل الحرارة عن طريق الاتصال الجزيئي المباشر، ففي نظام المناخ، يحدث التصريف في المقام الأول داخل التربة والصخور والجليد، وهو عملية بطيئة ولكنها مهمة لتخزين الطاقة في الأرض، فعلى سبيل المثال، لا تخترق موجة الحرارة الموسمية سوى بضعة أمتار في التربة بسبب تدني الانتشار الحراري للمواد الأرضية، وتشمل نماذج المناخ مكوناً أرضياً يحل معادلة الحرارة في التربة.

Convection

فالإتحاد هو آلية نقل الحرارة السائدة في الغلاف الجوي والمحيطات، وهو يشمل الحركة الرأسية لقطع الطوابع السائلة بسبب الاختلافات في الطفرة الناجمة عن التدفئة أو التبريد، وعندما تدفئ الشمس السطح، يصبح الهواء بالقرب من الأرض أكثر دفئا وأقل كثافة، وارتفاعا، وإنشاء المسودات، ومع ارتفاع الهواء، فإنه يتوسع ويبرد، ويحتمل أن يتحول إلى سحابات وقود متخلفة.

وتمثل نماذج المناخ التكتلات من خلال المواظير التي تقارن النقل الرأسي للحرارة والرطوبة والزخم، حيث تستخدم النماذج الأكثر تقدما تقنيات حل الغيوم التي تحاكي صراحة العمليات المقلية، بل إنها تعتمد على معادلة حفظ الحرارة لضمان اتساق الطاقة، وبدون مخططات دقيقة للاحتواء، لا يمكن للنماذج أن تستنسخ التوزيع الملحوظ للمطر، أو قوة العواصف المدارية، أو نقل العواصف المدارية.

الإشعاع

إن الإشعاع هو نقل الطاقة عن طريق الموجات الكهرومغناطيسية، وأشعة الشمس تبعث على الموجات القصيرة، بينما الأرض تبث الإشعاعات الطويلة المدى، وعلم الحرارة يتحكم في التوزيع الطفيفيف للإشعاعات السود (قانون بلانك)، ومجموع الطاقة المنبعثة (قانون ستيفان - بولتزمان)، ودرجة الحرارة المرتفعة من الانبعاثات (يزيد من درجة حرارة غربيّة (وين)

وتحل نماذج النقل الإشعاعي المستخدمة في محاكاة المناخ معادلة النقل الإشعاعي لمجموعات متعددة من الطيفات، وهي تمثل الامتصاص والتشتت من الغازات والهباءات والسحب، وتواجه السحب تحدياً خاصاً لأن خصائصها الإشعاعية تتوقف على حجم القطر، ومحتوى المياه السائلة، وكلها تتأثر بتقديرات عدم التيقن من مصادر الحرارة.

Thermodynamic Laws Applied to Climate

وتوفر القوانين الثلاثة لعلم الدينامية الحرارية القيود الأساسية لجميع العمليات المناخية.

The First Law of Thermodynamics in Climate

وينص القانون الأول على أن الطاقة محمية، وهذا يعني في نظام المناخ أن الطاقة الإجمالية (الداخلية، والحنكية، والإمكانيات، والمتأخرة) يجب أن تُحسب، كما أن نماذج المناخ تطبق القانون الأول من خلال حساب ميزانية الطاقة في كل نقطة من نقاط الشبكة: التغير في الطاقة الداخلية يساوي صافي الحرارة المضافة، ويتم حل هذه المعادلة للحرارة، التي تغذي الإشعاعات، والاختناق، وحصر المادة الدينامية.

القانون الثاني لعلم الديناميكية الحرارية والنسخ

وينص القانون الثاني على أن قياس الطرق الاضطرابات يزيد في نظام معزول، وفي نظام الأرض، الذي يكون مفتوحاً للطاقة الشمسية ولكنه مغلقاً، يحكم القانون الثاني اتجاه تدفقات الطاقة وكفاءة المحركات الحرارية، ويستخدم الغلاف الجوي والمحيطات كمحركات حرارية، ويحول الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية ليقود الرياح واليارات، ويتوقف الحد الأقصى من كفاءة هذه المحركات الباردة على التغير في مسارات الحرارة المحيطة بالكارفلور.

كما أن للنسخ آثاراً على إمكانية التنبؤ بالمناخ، فالخلط بين العواطف والسلوك الفوضوي في الغلاف الجوي هما مظهر القانون الثاني؛ ويحددان حدوداً أساسية بشأن مدى إمكانية التنبؤ بالطقس المتقدم، ويجب أن تُعد نماذج المناخ عمليات فرعية النطاق مثل الاضطراب والارتداد والاختراق الموجي بطرق تحترم القانون الثاني، بما يكفل اتساق الإنتاج المطبوع مع الفيزياء الحقيقية.

تغيرات في الحرارة والمرحلة

إن التغيرات في مراحل التبخر بالمياه، والتكثيف، والتجميد، والذوبان، والمليئين بكميات كبيرة من الحرارة الكامنة، وتصف الديناميات الحرارية الجامحة لهذه التحولات، وعلى سبيل المثال، يتطلب التهرب من المياه حوالي ٢٢٦٠ ياء/غم من الطاقة، التي تستوعب من الغيوم المحيط، وتبريد السطح، وعندما تُحدث نماذج حرارة مائية في وقت متأخر من السحب،

تطبيقات الديناميكا الحرارية في مجال التنبؤ بالمناخ

وتُدمج المبادئ الدينامية الحرارية في كل جانب من جوانب التنبؤ بالمناخ، بدءاً من التنبؤات الجوية القصيرة المدى إلى التوقعات المناخية على نطاق قرن.

Predicting Extreme Weather Events

وترتبط موجات الحرارة والجفاف وحوادث سقوط الأمطار الغزيرة ارتباطا مباشرا بالقيود التي تكتنف حرارة الأرض، كما أن معادلة كلوزيوس - كلابيرون، المستمدة من الديناميات الحرارية، تشير إلى أن ضغط الغاز المشبع يزيد بدرجة حرارة تبلغ نحو 7 في المائة من درجة حرارة كل درجة مئوية، مما يعني أن الجو الأكثر تواترا يمكن أن يكون له نماذج أكثر دفئا للمناخ، مما يؤدي إلى زيادة حدة في حالة حدوثها.

ارتفاع مستوى سطح البحر وحرب المحيطات

وتفسر الديناميات الحرارية اثنين من المساهمين الرئيسيين في ارتفاع مستوى سطح البحر: التوسع الحراري في مياه البحر وذوبان الجليد الأرضي، ومع ارتفاع حرارة المحيطات، فإن حجمها يرتفع أيضا بسبب معامل التوسع الحراري في مياه البحر، وتدمج نماذج المناخ ارتفاع الحرارة من السطح إلى عمود المياه باستخدام معادلة الحرارة، مما يُتوقع أن يُعزى التوسع الحراري إلى نحو ثلث نماذج الارتفاع في مستوى سطح البحر في المستقبل.

وينتج عن حساسية المناخ، وحجم الاحترار من مضاعفة ثاني أكسيد الكربون، وهو ما تحدده إلى حد كبير عمليات التغذية المرتدة التي هي حرارة بطبيعتها، وارتداد التغذية الارتجاعية الإيجابية من درجة الحرارة إلى درجة الحرارة، وتغذية التغذوية الرئيسية التي تغذيها هذه المادة، وتلقي ردود الفعل الفوقية على سطح الماء، وهي كمية من المواد التي تُعدّل من الترددات الجليدية، مما يؤدي إلى زيادة في تركيز السحابة (ال التأثير الصافي).

Challenges in Thermodynamic Climate Modeling

ورغم الأساس النظري القوي، فإن وضع نماذج لعلم الديناميات الحرارية في نظام المناخ يشكل تحديات هائلة.

عدم التقادم والفوضى

فالمعادلة التي تصف حركة السوائل وعلم الدينامية الحرارية غير خطية، ويعني ذلك أن التغيرات الصغيرة في الظروف الأولية يمكن أن تؤدي إلى نتائج مختلفة إلى حد كبير - الأثر المعروف جيداً للزبدة، وهذه الفوضى تضع حدوداً أساسية على القدرة على التنبؤ، ولا سيما بالنسبة للطقس بعد أسبوعين تقريباً، وأن نماذج المناخ أقل حساسية من النماذج الجوية لأنها تراوحت في المتوسط بين العديد من التقلبات الفوضوية، ولكن عدم التقلبات لا تزال تؤدي إلى تذبذبذبذبذبذبذبذبذبذبذبذبذبذب داخلياً داخلياً قد يتطلب اتجاهات قسرية.

تمثيل العمليات الفرعية

وتتوفر نماذج المناخ على حل مكاني محدود (من 25 إلى 100 كيلومتر بالنسبة للنماذج العالمية) وهناك العديد من العمليات الدينامية الحرارية الهامة، والفيزياء السحابية، والاضطرابات، والخلط بين طبقة الحدود، وحجمها أصغر بكثير من الخلية الشبكية، ويجب أن تمثل هذه النماذج من خلال البلورات التي تقارب أثرها الصافي، وتزيد من حدة التقلبات السحابية التي تُحدث عدم يقين كبير.

المحيطات والغلاف الجوي

ويشتمل هذا التقلب على عمليات الدينامية الحرارية مثل التبخر، ونقل الحرارة المعقولة، والتبادل الإشعاعي، وتيار المحيطات، ونقل كميات هائلة من الحرارة من المناطق المدارية إلى مناطق أعلى، مما يؤثر على التداول في الغلاف الجوي والمناخ.

القيود الحاسوبية

إن تشغيل نموذج كامل لنظم الأرض يتسم بدرجة عالية من الدقة وتنوع الديناميات الحرارية المعقدة يتطلب قدرا كبيرا من الحساب، ويمكن أن يتطلب محاكاة واحدة لمدة قرن من الزمن ملايين ساعات التجهيز على حاسوب خارق، مما يحد من عدد المحاكاة التي يمكن القيام بها والمعدل الذي يمكن فيه اختبار التحسينات، وكثيرا ما يستخدم الباحثون نماذج مبسطة مثل نماذج توازن الطاقة (التي تبطل التوقعات المتعلقة بالصدمات الحرارية) في عدد قليل من السيناريوهات.

Future Directions in Thermodynamic Climate Modeling

وتدفع أوجه التقدم في مجال الطاقة الحاسوبية، وبيانات المراقبة، والتفاهم النظري إلى تحسينات في كيفية إدماج الديناميات الحرارية في نماذج المناخ.

النماذج الرفيعة المستوى للتجديد والتقييد

ومن الاتجاهات الواعدة زيادة القرار النموذجي إلى النقطة التي يمكن فيها محاكاة عميقة بشكل صريح بدلا من المواصفات، وقد أصبحت نماذج الحد من الحركة ذات المباعدة بين الشبكات التي تتراوح بين 1 و4 كيلومترات ممكنة الآن بالنسبة للمجالات الإقليمية، وبدأت تستخدم في المحاكاة العالمية، وهذه النماذج تحل مباشرة معادلة التقلبات الحرارية للارتطام، وتزيل العديد من الشكوك المرتبطة باختلالات المعالم المدارية.

تعليم الآلات ومواصفات الديناميا الحرارية

ويجري استخدام تقنيات التعلم في مجال الآلات لتطوير قياسات أكثر دقة وكفاءة من الناحية الحسابية للعمليات الدينامية الحرارية، ومن خلال تدريب الشبكات العصبية على النواتج النموذجية العالية الاستبانة أو بيانات المراقبة، يمكن للباحثين أن يخلقوا متجانسات تلتقط السلوك غير الخطي للتكفير، والفيزياء الدقيقة السحابية، والاضطرابات، ويمكن أن تدمج هذه البارامات العلمية في نماذج المناخ السريعة الاستبانة، التي يمكن أن تقلل من التحيزات.

تمثيل أفضل لعلم الدم

إن خصائصها الحرارية، مثل نمو الهيدروجين والتحولات التدريجية، هي عوامل حاسمة في حساب آثارها الإشعاعية وغير المباشرة على الغيوم، وتحفز نماذج جديدة بشكل صريح على تطور الطاقة الكيميائية والزراعية.

Constraints Observational from Satellites and In Situ Data

(أ) نظام رصد الأرض (إسلوب) يوفر قياسات عالمية للإشعاع ودرجة الحرارة والرطوبة وخصائص السحاب التي تعتبر أساسية للتحقق من نماذج الأشعة الحرارية، ويكشف دمج هذه الملاحظات في نماذج البيانات عن الظروف الأولية للسحب ويساعد على تحديد نقاط الضعف في نماذج الأشعة المحتوية على الأشعة.

خاتمة

إن الديناميات الحرارية ليست مجرد مفهوم مساند في علوم المناخ؛ فهي الإطار المادي المركزي الذي يحكم تدفق الطاقة وتحويلها داخل نظام الأرض، ومن استيعاب الإشعاع الشمسي إلى إطلاق حرارة متخلفة في العواصف، ومن التوسع الحراري للمحيطات إلى حلقات التغذية المرتدة التي تضخم أو تسخين، فإن المبادئ الدينامية الحرارية التي تقوم عليها كل عملية رئيسية تسعى إلى تحقيق الدقة في التكيف مع المناخ.