مدل اقلیمی ریاضی ابزار قدرتمندی برای مطالعه‌ی تغییرات آب‌وهوا فراهم می‌کند. مدل باید قادر به بازتولید اقلیم مشاهده شده باشد قبل از اینکه برای پیشبینی استفاده شود. مدل‌های اقلیمی ازنظر قابلیت شبیه سازی دمای گذشته و روندهای سطح دریا اعتبارسنجی شده‌اند. شکل ۱ مقایسه‌ی روند دمای قارهای و جهانی مشاهده شده و شبیه سازی شده‌ی قرن بیستم را نشان می‌دهد. منحنی‌های پایین‌تر دمای شبیه سازی شده با استفاده از مدلها را نشان می‌دهد که تغییرات انسانی در غلظت گازهای فعال نظیر دی‌اکسید کربن را شامل نمی‌شود. این مدلها قادر به شبیه‌سازی روند دما از ۱۹۰۰ تا ۱۹۵۰ هستند؛ یعنی زمانی که تغییرات درجه‌ی حرارت متوسط جهانی با فعالیت‌های آتشفشانی و تغییرات در فعالیت‌های خورشیدی همراه بود.
شکل a -1» تغییرات دما با تغییرات میزان Co2 و CH4 در طول زمان. b»تغییرات میزان CO2 و CH4 با زمان
بااینحال، این مدلها قادر به شبیه‌سازی افزایش مشاهده‌شده در درجه‌ی حرارت متوسط جهانی از سال ۱۹۵۰ نیستند. برای شبیه‌سازی چنین تغییراتی، عوامل انسانی مؤثر در فعالیت تابشی گازها نیز موردنیاز است. منحنی‌های بالایی تنها مدل‌هایی که واداشت تابش را اندازه‌گیری می‌کنند، قادر به شبیه‌سازی توزیع جغرافیایی مشاهده‌شده از گرمایش کره زمین هستند. برای مثال گرمایش نسبت به اقیانوسها و تغییرات دمای قارهای در خشکی‌ها بیشتر مشاهده شده است.
بسیاری از دانشمندان معتقدند افزایش سامانمند در فعالیت تابشی گازهای جو (به عنوان مثال دی‌اکسید کربن و متان) ناشی از فعالیت‌های انسان در این دوره موجب تغییرات مشاهده‌شده در دمای قرن بیستم شده است. باوجود اجماع گسترده در میان دانشمندان درباره علل گرمایش کره زمین هنوز بسیاری از جنبه‌های سیستم اقلیمی به خوبی شناخته نشده؛ همین موضوع باعث قطعی نبودن پیشبینی آب‌وهوا شده است. درحالی‌که شاید زیست‌کره به‌خصوص در اقیانوسها مؤلفه‌ای باشد که کمتر شناخته شده است.
شکل:۲ افزایش تصاعدی از فشار بخار با درجه حرارت
پیچیدگی این بخش زیست‌شناختی دریایی و مشکل نمونه‌برداری مکانی و زمانی در ارتباط با کشتی‌ها و ماهواره‌ها، موجب دشواری اندازه‌گیری تغییرات سریع رشد و جوانه‌زنی پلانکتون‌ها در سراسر جهان شده است. از موارد نداشتن قطعیت در مدل‌های آب و هوایی، چالش نمایش فرآیندهای فیزیکی کوچک‌مقیاس است مانند آنچه در تشکیل ابر رخ می‌دهد که در مدل‌های ریاضی با شبکه‌های دارای فواصل زیاداست. دانشمندان آب‌وهوا می‌توانند با استفاده از مدل‌های مختلف ریاضی میزان قطعیت مدل‌های اقلیمی مورداستفاده را برآورد کنند. مثلا برای شناخت تأثیر انتشار متفاوت گازهای گلخانه‌ای در آینده یک مدل آب‌وهوا چندین بار و با سناریوهای مختلف انتشار اجرا می‌شود. اگر سناریوهای انتشار دامنه‌ی گسترده‌ای را دربربگیرند، تفاوت میان نتایج این مدلها نشانه‌ی دامنه‌ی دماهایی خواهد بود که در آینده مورد انتظار است.
شکل:۳ افزایش سطح آب دریاها تهدیدی برای سواحل با شیب ملایم. مدلها افزایش بین ۰.۵ و ۱.۴ نتری ۱.۶ فوت تا سال ۲۱۰۰ را پیشبینی می‌کند.
اثر نبود قطعیت در ارائه فرآیندهای فیزیکی در یک مدل با استفاده از روش‌های مشابه قابل‌بررسی است. برای مثال در یک مدل آب‌وهوا با شبکه‌بندی بزرگ، ابرها زمانی تشکیل می‌شوند که رطوبت نسبی شبکه از مقدار آستانه بیشتر شود، این رطوبت نسبی آستانه به مقداری کمتر از ۱۰۰ درصد تنظیم شده است، در نسبت ۹۰ درصد می‌گوید تلاش کنید و نشان می‌دهد رطوبت نسبی در کل نقاط شبکه متفاوت است؛ یعنی ممکن است درجایی بیش از ۹۰ درصد باشد و در جایی به اشباع رسیده و ابرهایی تشکیلشده باشد؛ بااینحال این آستانه چندان دقیق نیست و دانشمندان تمایل دارند حساسیت تغییرات در این مقادیر را در یک محدوده واقعی مثلاً ۸۵-۹۵ درصد بررسی کنند. دانشمندان می‌توانند چندین مدل را با آستانه‌های مختلف اجرا کنند. اگر مدل نتواند روندهای دمایی مشاهده‌شده از ۱۸۵۰ را بازتولید کند، شبیه‌سازی متوقف می‌شود. شبیه سازی‌های باقیمانده نشانه‌ای از حساسیت آب و هوایی آینده نسبت به تغییر رطوبت نسبی آستانه را ارائه خواهند کرد.
شکل:۴ افزایش تصاعدی از فشار بخار با درجه حرارت
تغییرات در اقیانوسها با تغییر در اقلیم
تغییرات چرخه‌های اقیانوسی یکی از عوامل مهم دستگاه اقلیم است؛ چرخه‌های اقیانوسی در مقیاس زمانی دوره‌های یخچالی تغییر می‌کنند؛ تغییر در دمای آب اقیانوسها به‌ویژه تغییر در دمای سطح دریا می‌تواند باعث تغییراتی در فشار اتمسفر شود و این نیز به‌نوبه خود باعث تحولاتی در جو خواهد شد. به‌طور خلاصه جریان‌های اقیانوسی باعث جابه‌جایی مقادیر بسیار بزرگ انرژی از مناطق استوایی به سمت قطب‌ها می‌شوند؛ این جابه‌جایی توده‌های آب گرم یا سرد باعث تغییر الگوی فشار و رطوبت آن مناطق خواهد شد و درنهایت باعث بارندگی منطقه‌ای می‌شود؛ تغییرات بسیار کوچک در مقدار انرژی خورشیدی رسیده به سطح اقیانوسها می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ای دمای سطح اقیانوسها را تحت تأثیر خود قرار دهد؛ یکی دیگر از مشکلاتی که اقیانوس شناسان با آن روبرو هستند، توصیف تغییرات ناگهانی در چرخه اطلس شمالی است گرمی نسبی اروپا را (که وجود نخل در اسکاتلند غربی از نشانه‌های آن است) در عصر حاضر می‌توان به تشکیل ژرفاب اطلس شمالی (NADW) نسبت داد، این جریان اقیانوسی ضامن جریان آب گرم سطحی از مناطق جنوبی است. تحقیقات انجام‌گرفته روی اقیانوس اطلس نشان می‌دهد ژرفاب اطلس شمالی طی ۲۵ هزار سال گذشته تغییرات چشمگیری داشته و این تغییرات ظاهراً با مراحل آخرین دوره یخچالی ارتباط نزدیکی دارد. زمانی که اقیانوسها گرم هستند، سطح آب دریا بالا خواهد رفت و تعادل شوری آن تغییر می‌کند؛ درنتیجه توانایی آن در جذب CO2 تغییر خواهد کرد و برگردش جوی، خط سیر (مسیر) توفان، توفان‌های شدید و فراوانی و توزیع خشکسالی تأثیر خواهد گذاشت.
شکل:۵ توزیع شوری سطح دریا به‌طور عمده با الگوهای E.P تعیین می‌شود.
سیکلونهای منطقه حاره که در اقیانوس اطلس و آنتیل به نام هاریکن، در ژاپن تایفون، در هندوستان به نام سیکلون و در غرب و شمال استرالیا ویلی ویلی نامیده می‌شود، سامانه‌های کم‌فشار از هوا با حرکات بادهای شدید مارپیچی در جهت مرکز با منشأ حاره‌ای هستند و همان‌طور که در تصاویر ماهواره‌ای مشاهده می‌شود؛ دایرهای شکل است که دارای چشمی در مرکز آن و در اطراف نیز ابرهای به‌شدت باران‌زایی در برگرفته که به‌عنوان بند توفان نامیده می‌شوند. بارندگی داخل نواحی مرکزی سیکلون یعنی در حلقه دور چشم بسیار سنگین است. این ماشین حرارتی در زمان کوتاهی میزان فوق‌العاده زیادی از انرژی گرمایی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. به‌طورکلی هاریکنها بر روی آبهایی با دمای بالاتر از ۲۷ درجه تشکیل شده و وقتی وارد خشکی می‌شوند به سبب اینکه تأمین انرژی برای آنها از طریق سطوح آب‌های گرم کم می‌شود و همچنین به علت اثرات اصطکاکی ناهمواری‌ها، نیروی خود را ازدست‌داده و از بین می‌روند؛ مگر اینکه دوباره به‌سوی دریا کشیده شوند؛ بنابراین حالت تخریب این جریان به علت نیروی فوق‌العاده زیاد باد در آنهاست که باعث درهم کوبیدن ساختمان‌ها شده و حتی اجسام بزرگ ازجمله خودروها را به هوا پرتاب می‌کند. در حین نزدیک شدن یک سیکلون حاره‌ای، طغیان و بالا آمدن آب دریا علائم خطری برای ساکنان منطقه است. بسیاری از دانشمندان اقلیم‌شناس معتقدند پدیده‌ی گرم شدن هوا باعث شدت بخشیدن به بسیاری از توفانها ازجمله توفان‌های حاره‌ای شده است (و با استفاده از مدل‌های ریاضی درباره‌ی آن بحث و نتایج آن منتشر شده است مانند کتاب «توفان دنیا)» و مصاحبه‌های متعددی با این دانشمندان در خصوص گرم شدن کره‌ی زمین و ارتباط پیچیده‌ی آن با تشدید این توفانها انجام شده است.
شکل:۶ افزایش شوری در اطلس حاره‌ای
محققان هم‌اکنون روی این موضوع اتفاق‌نظر دارند که به دلیل گرمایش جهانی، کره‌ی زمین در آینده توفان‌های شدید و تخریب‌کننده خواهد داشت. آنها میگویند فعلاً شواهد و مدارک نشان نمی‌دهد که این حالت از الآن شروع شده باشد؛ اما اگر وارد این مرحله شویم، سرعت وزش بادهای توفانی ۲ تا ۱۱ درصد بیشتر خواهد بود و احتمالاً تعداد توفانها ۶ تا ۳۴ درصد کمتر خواهد شد. همچنین گفتنی است؛ ۱۱ درصد افزایش در سرعت بادهای توفانی یعنی افزایش ۶۰ درصدی میزان تخریب؛ و این توفانها همچنین مقدار بیشتری بارندگی خواهند داشت که یکی دیگر از شاخصهای تخریبی به‌حساب می‌آید. افزایش ۱۲۰ متری سطح آب دریا از ۱۸۰۰۰ تا ۸۰۰۰ سال قبل آخرین یخبندان، فلاتهای قاره اقیانوسی را زیر آب فروبرده و خطوط ساحلی و مصبهای مرتبط با آنها به شکل قابل‌توجهی تغییر کرده‌اند. این نمونه‌ها تنوع اطلاعاتی را درباره‌ی تغییرات آب‌وهوای گذشته نشان می‌دهد چرخه‌ی آب باعث سرعت بخشیدن به گرمایش جهانی می‌شود، جو گرمتر بخارآب بیشتری حمل می‌کند، به همین دلیل افزایش تصاعدی از فشار بخار با درجه‌ی حرارت را در نمودار مشاهده می‌کنید همچنین گردش تقویت‌شده آب توزیع شوری در قسمت فوقانی اقیانوس را تغییر خواهد داد.
شکل:۷ شوری حاره‌ای در چهل سال گذشته افزایش یافته است
ادامه مطلب تغییر اقلیم
این مطلب اولین بار در ماهنامه علوم زمین و معدن به قلم سحر ملکی منتشر شده است.
