گازهای گلخانه ای بر تعادل انرژی و اقلیم زمین تأثیر می گذارند

خورشید به عنوان منبع اولیه انرژی اقلیم زمین است. مقداری از نور ورودی خورشید (خصوصاً توسط سطوح روشن مانند یخ و ابرها) مستقیماً به فضا بازتاب می‌شود، و بقیه توسط سطح زمین و جو جذب می‌شود. بیشتر این انرژی خورشیدی جذب شده به صورت گرما (موج بلند یا تشعشع مادون قرمز) بازتاب می شود. اتمسفر به نوبه خود گرما را جذب کرده و مجدداً تابش می کند که بخشی از آن به فضا می رود. هر گونه اختلال در این تعادل انرژی ورودی و خروجی بر اقلیم تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، تغییرات کوچک در خروجی انرژی از خورشید به طور مستقیم بر این تعادل تأثیر می گذارد.
اگر تمام انرژی گرمایی ساطع شده از سطح از طریق جو مستقیماً به فضا منتقل شود، میانگین دمای سطح زمین ده ها درجه سردتر از امروز خواهد بود. گازهای گلخانه ای موجود در اتمسفر، از جمله بخار آب، دی اکسید کربن، متان و اکسید نیتروژن، سطح را بسیار گرمتر از این مقدار می کنند، زیرا آنها انرژی گرمایی را در همه جهات (از جمله به سمت پایین) جذب و منتشر می کنند و سطح زمین و پایین جو را گرم نگه می دارند. [شکل B1]. بدون این اثر گلخانه‌ای، حیات به شکلی که می‌دانیم نمی‌توانست در سیاره ما تکامل یابد. افزودن گازهای گلخانه ای بیشتر به اتمسفر، کارایی آن را در جلوگیری از خروج گرما به فضا موثرتر می کند. وقتی انرژی خروجی کمتر از انرژی ورودی باشد، زمین گرم می شود تا زمانی که تعادل جدیدی برقرار شود.
گازهای گلخانه ای ساطع شده از فعالیت های انسان، تعادل انرژی زمین و در نتیجه اقلیم آن را تغییر می دهد. انسان ها همچنین با تغییر محیط های طبیعی روی زمین (به عنوان مثال با جنگل زدایی و تغییر کاربری آنها برای کشاورزی) و از طریق انتشار آلاینده هایی که بر مقدار و نوع ذرات موجود در جو تأثیر می گذارد، بر اقلیمتأثیر می گذارند.
دانشمندان به این نتیجه رسیده‌اند که وقتی همه عوامل انسانی و طبیعی در نظر گرفته می‌شوند، تعادل آب و هوای زمین به سمت گرم شدن تغییر کرده است و CO2  بیشترین عامل این افزایش  دما است.
 

شکل 1. گازهای گلخانه ای موجود در اتمسفر، از جمله بخار آب، دی اکسید کربن، متان و اکسید نیتروژن، انرژی گرمایی را جذب کرده و آن را در همه جهات (از جمله به سمت پایین) منتشر می کنند و سطح زمین و پایین جو را گرم نگه می دارند. افزودن گازهای گلخانه‌ای بیشتر به اتمسفر این اثر را افزایش می‌دهد و سطح زمین و اتمسفر پایین‌تر را گرم‌تر می‌کند.

فعالیت های انسانی گازهای گلخانه ای را به جو اضافه کرده است
غلظت دی اکسید کربن، متان و اکسید نیتروژن اتمسفر از زمان شروع انقلاب صنعتی به طور قابل توجهی افزایش یافته است. در مورد دی اکسید کربن، میانگین غلظت اندازه گیری شده در رصدخانه Mauna Loa در هاوایی از 316 قسمت در میلیون (ppm) در سال 1959 (اولین سالی که اطلاعات موجود کامل بوده است) به بیش از ppm 411 در سال 2019 رسیده است [شکل B2] . همان نرخ افزایش از آن زمان در ایستگاه های متعدد دیگر در سراسر جهان ثبت شده است. از زمان ماقبل صنعتی، غلظت CO2 در اتمسفر بیش از 40٪ افزایش یافته است، متان بیش از 150٪ افزایش یافته است، و اکسید نیتروژن تقریبا 20٪ افزایش یافته است. بیش از نیمی از افزایش CO2 از سال 1970 رخ داده است. افزایش در هر سه گاز به گرم شدن زمین کمک می کند و افزایش CO2 بیشترین نقش را ایفا می کند. 
 

شکل 2. اندازه گیری CO2 اتمسفر از سال 1958 توسط رصدخانه Mauna Loa در هاوایی (سیاه) و از قطب جنوب (قرمز) افزایش سالانه ثابت در غلظت CO2 اتمسفر را نشان می دهد. اندازه‌گیری‌ها در مکان‌های دورافتاده‌ای مانند اینها انجام می‌شوند، زیرا به مقدار زیاد تحت تأثیر فرآیندهای محلی قرار نمی گیرند، بنابراین آنها نماینده خوبی برای اتمسفر محسوب می شوند. الگوی دندانه اره کوچک به سمت بالا و پایین منعکس کننده تغییرات فصلی در آزادسازی و جذب CO2 توسط گیاهان است.

دانشمندان گازهای گلخانه ای را در گذشته بررسی کرده اند. تجزیه و تحلیل هوای محبوس شده در داخل یخ که در طول زمان در قطب جنوب انباشته شده است نشان می دهد که غلظت CO2، پس از اینکه در محدوده 260 تا 280 ppm برای 10000 سال گذشته باقی ماند، به طور قابل توجهی در قرن 19 شروع به افزایش کرد [شکل B3]،. سوابق مغزه یخ مربوط به 800000 سال قبل نشان می دهد که در آن زمان، غلظت CO2 در محدوده 170 تا ppm 300 در بسیاری از چرخه های "عصر یخبندان" باقی مانده است تا 200 سال گذشته هیچ غلظتی بالاتر از ppm 300 در رکوردهای مغزه یخ دیده نمی شود. 

شکل 3. تغییرات CO2 در 1000 سال گذشته، به دست آمده از تجزیه و تحلیل هوای به دام افتاده در مغزه یخی استخراج شده از قطب جنوب (مربع های قرمز)، نشان دهنده افزایش شدید CO2 اتمسفر از اواخر قرن 19 است. اندازه‌گیری‌های جوی مدرن از Mauna Loa به رنگ خاکستری نشان داده شده است. منبع: شکل اریک ولف، داده های اتریج و همکاران، 1996; مک فارلینگ مور و همکاران، 2006

اندازه‌گیری اشکال (ایزوتوپ‌های) کربن در اتمسفر مدرن، اثر انگشت واضحی از افزودن کربن قدیمی را نشان می‌دهد که از احتراق سوخت‌های فسیلی حاصل می شود (کربن جدیدتر حاصل از سیستم های زنده است.). علاوه بر این، مشخص است که فعالیت‌های انسانی (به استثنای تغییرات کاربری زمین) در حال حاضر حدود 10 میلیارد تن کربن در هر سال منتشر می‌کنند که عمدتاً از طریق سوزاندن سوخت‌های فسیلی است که برای توضیح افزایش غلظت مشاهده شده کافی است. این موضوع و سایر شواهد به طور قطعی به این واقعیت اشاره می کنند که غلظت بالای CO2 در جو ما نتیجه فعالیت های انسانی است.

سوابق اقلیمی روند گرم شدن را نشان می دهد
برآورد میانگین جهانی افزایش دمای هوای سطحی نیازمند تجزیه و تحلیل دقیق میلیون‌ها اندازه‌گیری از سراسر جهان، از جمله ایستگاه‌های زمینی، کشتی‌ها و ماهواره‌ها است. علی‌رغم پیچیدگی‌های فراوان تولید چنین داده‌هایی، چندین تیم مستقل به‌طور جداگانه و به اتفاق آرا به این نتیجه رسیده‌اند که میانگین دمای هوای سطحی جهانی از سال 1900 حدود 1 درجه سانتی‌گراد (1.8 درجه فارنهایت) افزایش یافته است [شکل 4]. اگرچه رکوردهای انجام شده چندین مکث  (توقف) و شتاب در روند افزایشی را نشان می دهد، اما به طور کلی در رکورد دستگاهی انجام شده از سال 1850 هر یک از چهار دهه گذشته گرمتر از هر دهه دیگری بوده است.

شکل 4. همانطور که در این نمودار (مبتنی بر سه تجزیه و تحلیل از مستقل از اندازه گیری های ترکیبی خشکی و اقیانوس از سال 1850 تا 2019 )نشان داده شده، میانگین دمای سطح جهانی زمین افزایش یافته است. پانل بالا مقادیر میانگین سالانه را از سه تجزیه و تحلیل نشان می دهد، و پانل پایین مقادیر میانگین ده ساله را نشان می دهد، از جمله محدوده عدم قطعیت (نوارهای خاکستری) برای مجموعه داده مارون (HadCRUT4). تغییرات دما نسبت به میانگین دمای سطح جهانی، میانگین بین سال‌های 1961 تا1990 است. منبع: بر اساس IPCC AR5، داده ها از مجموعه داده HadCRUT4 (سیاه)، NOAA Climate.gov. داده‌های مرکز هدلی (به رنگ قهوه‌ای مارون)، اداره ملی هوانوردی و فضایی ایالات متحده، موسسه مطالعات فضایی گودارد (قرمز) و مرکز ملی اطلاعات محیطی اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده (نارنجی)

دماهای گذشته های دورتر- یعنی قبل از اینکه دماسنج های دقیق به طور گسترده در دسترس باشند- را می توان با استفاده از پروکسی های شاخص های حساس به اقلیم در موادی مانند حلقه¬های درختان، مغزه های یخ (ice cores) و رسوبات دریایی بازسازی کرد. مقایسه رکوردهای انجام شده با دماسنج با اندازه‌گیری‌های پروکسی ها نشان می‌دهد که از زمان اوایل دهه 1980، گرم‌ترین دوره 40 ساله در حداقل هشت قرن گذشته بوده است، و دمای جهانی به سمت اوج دما در حال حرکت است که آخرین بار در 5000 تا 10000 سال پیش در گرم‌ترین دوره یخبندان کنونی ما مشاهده شده است.

بسیاری از اثرات دیگر مرتبط با روند گرمایش در سال های اخیر آشکار شده است. پوشش یخی تابستانی دریای قطب شمال به طرز چشمگیری کاهش یافته است. محتوای گرمای اقیانوس افزایش یافته است. میانگین تراز جهانی دریاها از سال 1901 تقریباً 16 سانتی‌متر (6 اینچ) افزایش یافته است که هم به دلیل گسترش آب گرم‌تر اقیانوس‌ها و هم به دلیل اضافه شدن آب‌های ذوب شده از یخچال‌ها و صفحات یخی در خشکی است. گرم شدن و تغییرات بارش دامنه جغرافیایی بسیاری از گونه های گیاهی و جانوری و زمان چرخه زندگی آنها را تغییر می دهد. علاوه بر اثرات بر اقلیم، مقداری از CO2 اضافی موجود در جو توسط اقیانوس جذب می شود و ترکیب شیمیایی آن را تغییر می دهد (باعث اسیدی شدن اقیانوس می شود). 

بسیاری از فرآیندهای پیچیده اقلیم ما را شکل می دهند
فقط بر اساس فیزیک مقدار انرژی که CO2 جذب و منتشر می کند، با دو برابر شدن غلظت CO2 اتمسفر نسبت به سطوح قبل از صنعتی (تا حدود ppm 560) به خودی خود باعث افزایش متوسط دمای جهانی حدود 1 درجه سانتیگراد (1.8 درجه فارنهایت) می شود. با این حال، در سیستم کلی اقلیمی، همه چیز پیچیده تر است. گرم شدن منجر به اثرات بیشتر (بازخوردی) می شود که گرم شدن اولیه را تقویت یا کاهش می دهد.
مهم ترین بازخوردها شامل اشکال مختلف آب است. اتمسفر گرمتر معمولاً حاوی بخار آب بیشتری است. بخار آب یک گاز گلخانه ای قوی است، بنابراین باعث گرم شدن بیشتر می شود. عمر کوتاه آن در اتمسفر افزایش آن را تا حد زیادی همگام با گرم شدن نگه می دارد. بنابراین، بخار آب به عنوان یک تقویت کننده، و نه یک محرک، تغییرات اقلیمی در نظر گرفته می شود. دمای بالاتر در مناطق قطبی یخ دریا را ذوب می کند و پوشش فصلی برف را کاهش می دهد و سطح اقیانوس و خشکی تیره تر را در معرض دید قرار می دهد که می تواند گرمای بیشتری را جذب کند و باعث گرم شدن بیشتر شود. بازخورد مهم اما نامشخص دیگر مربوط به تغییرات در ابرها است. گرم شدن و افزایش بخار آب با هم ممکن است باعث افزایش یا کاهش پوشش ابر شود که بسته به تغییرات وسعت افقی، ارتفاع و ویژگی‌های ابرها می‌تواند تغییرات دما را تقویت یا کاهش دهد. آخرین ارزیابی این علم نشان می دهد که اثر کلی خالص جهانی تغییرات ابر احتمالاً گرم شدن را تقویت می کند.
اقیانوس تغییرات آب و هوایی را تعدیل می کند. اقیانوس یک مخزن بزرگ گرما است، اما گرم کردن تمام عمق آن دشوار است، زیرا آب گرم تمایل دارد نزدیک سطح بماند. بنابراین سرعت انتقال گرما به اعماق اقیانوس کند است؛ و سال به سال و از دهه به دهه دیگر متفاوت است و به تعیین سرعت گرم شدن سطحی اقیانوس کمک می کند. مشاهدات زیرسطحی اقیانوس تا قبل از حدود سال 1970 محدود بوده است، اما از آن زمان، گرم شدن 700 متر بالایی  به آسانی آشکار است، و گرم شدن عمیق تر نیز به وضوح از حدود سال 1990 مشاهده شده است.

دمای سطح و بارندگی در اکثر مناطق به دلیل موقعیت جغرافیایی، به ویژه عرض جغرافیایی و موقعیت قاره ای، نسبت به میانگین جهانی بسیار متفاوت است. هم مقادیر متوسط دما، بارش و هم اکستریم¬(رویدادهای حدی) های آنها (که عموماً بیشترین تأثیر را بر سیستم‌های طبیعی و زیرساخت‌های انسانی دارند) نیز به شدت تحت تأثیر الگوهای محلی بادها قرار دارند.
برآورد اثرات فرآیندهای بازخوردی، سرعت گرمایش و تغییرات آب و هوایی منطقه ای مستلزم استفاده از مدل های ریاضی جو، اقیانوس، زمین و یخ (کرایوسفر) است که بر اساس قوانین ثابت فیزیک و آخرین درک از فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی موثر بر اقلیم ساخته شده است بر روی کامپیوترهای قدرتمند اجرا شده اند. بر این اساس مدل‌ها در پیش‌بینی‌هایشان در مورد میزان گرمایش اضافی مورد انتظار متفاوت هستند (بسته به نوع مدل و فرضیات مورد استفاده در شبیه‌سازی فرآیندهای اقلیمی خاص، به‌ویژه تشکیل ابر و اختلاط اقیانوس‌ها)، اما همه این مدل‌ها موافق این موضوع هستند که اثر خالص کلی بازخوردها تقویت گرمایش است.

فعالیت های انسانی اقلیم را تغییر می دهد
تجزیه و تحلیل دقیق همه داده ها و خطوط شواهد نشان می دهد که بیشتر گرمایش جهانی مشاهده شده در 50 سال گذشته یا بیشتر نمی تواند با علل طبیعی توضیح داده شود و در عوض به نقش مهمی برای تأثیر فعالیت های انسانی نیاز دارد.
به منظور تشخیص تأثیر انسان بر اقلیم، دانشمندان باید بسیاری از تغییرات طبیعی را در نظر بگیرند که بر دما، بارش و دیگر جنبه‌های اقلیمی از مقیاس محلی تا جهانی، در مقیاس‌های زمانی از روز تا چند دهه و بیشتر تأثیر می‌گذارند. یکی از تغییرات طبیعی نوسان جنوبی ال نینو (ENSO) است، یک تناوب نامنظم بین گرم شدن و سرد شدن (حدود دو تا هفت سال طول می کشد) در اقیانوس آرام استوایی که باعث تغییرات قابل توجه منطقه ای و جهانی سال به سال در الگوهای دما و بارندگی می شود. . فوران های آتشفشانی نیز اقلیم را تغییر می دهد، تا حدی باعث افزایش مقدار ذرات کوچک (آئروسل) در استراتوسفر می شود که نور خورشید را منعکس یا جذب می کند، که منجر به خنک شدن کوتاه مدت سطح می شود که معمولاً حدود دو تا سه سال طول می کشد. طی صدها هزار سال، تغییرات آهسته و مکرر در مدار زمین به دور خورشید، که توزیع انرژی خورشیدی دریافتی توسط زمین را تغییر می‌دهد، برای آغاز چرخه‌های عصر یخبندان در 800000 سال گذشته کافی بوده است. 
اثر انگشت (Fingerprinting)، روشی قدرتمند برای مطالعه علل تغییرات آب و هوایی است. تأثیرات مختلف بر اقلیم منجر به الگوهای متفاوتی می شود که در سوابق اقلیمی دیده می شود. این امر زمانی آشکار می شود که دانشمندان فراتر از تغییرات دمای متوسط سیاره را بررسی کنند و الگوهای جغرافیایی و زمانی تغییرات اقلیم را با دقت بیشتری بررسی کنند. به عنوان مثال، افزایش در خروجی انرژی خورشیدی منجر به الگوی بسیار متفاوتی از تغییر دما (در سطح زمین و به صورت عمودی در جو) در مقایسه با افزایش غلظت CO2 خواهد شد.  دانشمندان به طور معمول آزمایش می کنند که آیا تغییرات طبیعی صرفاً در خورشید، فعالیت های آتشفشانی یا تغییرات اقلیمی داخلی می تواند الگوهای تغییراتی را که در بسیاری از جنبه های مختلف سیستم اقلیمی مشاهده کرده اند را توضیح دهد. این تحلیل ها نشان داده است که تغییرات اقلیمی مشاهده شده در چند دهه گذشته را نمی توان تنها با عوامل طبیعی توضیح داد.

تغییر اقلیم در آینده چگونه خواهد بود؟
دانشمندان در مشاهدات، تئوری و مدل‌سازی سامانه اقلیمی زمین پیشرفت‌های عمده‌ای داشته‌اند و این پیشرفت‌ها آنها را قادر می‌سازد تا تغییرات اقلیمی آینده را با اطمینان فزاینده پیش‌بینی کنند. با این وجود، چندین موضوع عمده، ارائه تخمین های دقیق از چگونگی تغییر روند دمای جهانی یا منطقه ای دهه به دهه در آینده را غیرممکن می کند. اولاً، نمی‌توانیم پیش‌بینی کنیم که فعالیت‌های انسانی چقدر CO2 منتشر می‌کنند، زیرا این به عواملی مانند چگونگی توسعه اقتصاد جهانی و چگونگی تغییر تولید و مصرف انرژی جامعه در دهه‌های آینده بستگی دارد. ثانیا، با درک کنونی از پیچیدگی‌های نحوه عملکرد بازخوردهای اقلیمی، طیف وسیعی از نتایج ممکن وجود دارد، حتی برای یک سناریوی خاص از انتشار CO2. در نهایت، در بازه‌های زمانی یک دهه یا بیشتر، تنوع طبیعی می‌تواند اثرات یک روند اساسی در دما را تعدیل کند. در مجموع، تمام پیش بینی های مدل نشان می دهد که زمین در طی چند دهه تا قرن های آینده به طور قابل توجهی به گرم شدن بیشتر ادامه خواهد داد. اگر هیچ تغییر تکنولوژیکی یا سیاستی برای کاهش روند انتشار از مسیر فعلی آنها وجود نداشته باشد، گرمایش جهانی بیشتر از 2.6 تا 4.8 درجه سانتیگراد (4.7 تا 8.6 درجه فارنهایت) علاوه بر آنچه قبلاً رخ داده است، طی قرن 21 پیش بینی می شود. [شکل 5]. پیش‌بینی اینکه این محدوده‌ها برای اقلیم تجربه شده در هر مکان خاص چه معنایی خواهند داشت، یک مشکل علمی چالش برانگیز است، اما با پیشرفت مدل‌های منطقه‌ای و محلی، تخمین‌ها در حال بهبود هستند.

شکل 5. مقدار و نرخ گرمایش مورد انتظار برای قرن بیست و یکم به میزان کل گازهای گلخانه ای که نوع بشر منتشر می کند بستگی دارد. مدل‌ها افزایش دما را برای یک سناریوی انتشار گازهای گلخانه‌ای معمولی (قرمز) و کاهش تهاجمی انتشار، نزدیک به صفر 50 سال آینده (به رنگ آبی) پیش‌بینی می‌کنند. سیاه تخمین مدل شده از گرمایش گذشته است. هر خط نشان‌دهنده میانگین اجرای مدل‌های مختلف با استفاده از سناریوی انتشار یکسان است، و مناطق سایه‌دار اندازه‌گیری انحراف استاندارد بین تغییرات دما پیش‌بینی‌شده توسط مدل‌های مختلف را ارائه می‌دهند. همه داده ها نسبت به یک دوره مرجع (تعیین شده روی صفر) از 1986 تا 2005 هستند. منبع: بر اساس IPCC AR5

گردآوری و ترجمه: بابک مرادی
 

منبع:

https://royalsociety.org/topics-policy/projects/climate-change-evidence-causes/basics-of-climate-change/
 

مقالات مرتبط:
 

پیش بینی فصلی و ارتباط آنها با رویداد اِل نینیو