ما نماذج المناخ وهل يمكن الثقة في معادلاتها؟

تعد نماذج المناخ محاكاة رقمية للنظام المناخي على الأرض، وتقوم على تمثيلات ومعادلات رياضية للمناخ في المستقبل، حيث تقدم هذه النماذج محاكاة جزئية أو كلية لمناخ العالم، وتساعد العلماء على فهم أفضل لما قد يحدث في المستقبل، ومعرفة كيف قد يتغير المناخ العالمي بمرور الوقت.

يتعين على تلك البرامج أن تحاكي، بأكبر قدر ممكن من دقة الفيزياء الخاصة بعناصر المناخ، مثل الغلاف الجوي والمحيطات والأسطح الأرضية والصفائح الجليدية. والأهم، هو أنه يتعين عليها أن تحاكي بدقة كيفية تفاعل كل هذه العناصر مع مرور الوقت.

وتجمع عمليات المحاكاة بين البيانات الفعلية المتمثلة في درجات الحرارة، ومعدل هطول الأمطار، والرطوبة، وغيرها من المؤشرات في العالم الحقيقي، وتقدم توقعات التغيرات في الطقس والبيئة خلال سنوات أو عقود قادمة.

كما تجمع أيضا عناصر قابلة للتعديل مثل مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أو التغيرات في شدة أشعة الشمس. ويسمح ذلك للعلماء باستكشاف مختلف الاحتمالات، على سبيل المثال، ما قد يحدث لمستويات سطح البحر إذا زادت أو انخفضت انبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي.

وهناك أنواع عديدة من نماذج المناخ أو النماذج المناخية، وهي تختلف في تعقيدها، ولعل أبسطها النماذج التي تقيس توازن طاقة الكوكب فقط.

وفي المقابل، تشتمل الأنواع الأكثر تعقيدا، مثل نموذج المناخ العالمي (GCM)، على متغيرات أكثر، حيث تقيس نظام المناخ المادي، أي الغلاف الجوي والمحيطات وسطح الأرض.

ويعد نموذج نظام الأرض (ESM) أكثر تعقيدا، حيث يقيس دورة الكربون وتطور التربة والغطاء النباتي والبنى التحتية البشرية، كما أن آليات الإدارة البيئية والاجتماعية تقيس أيضا كيفية تأثير القرارات السياسية البيئية على ظاهرة الاحتباس الحراري.

كيف تعمل نماذج المناخ؟
تفصل النماذج سطح الأرض إلى شبكة ثلاثية الأبعاد من الخلايا، تغطي عدة مناطق من العالم، وتستخدم المعادلات التي تصف المعلومات الفيزيائية والبيولوجية والكيميائية للكوكب كما نعرفه، ويتنبأ بكيفية تغير المناخ في المستقبل بمثل هذه البيانات.

على سبيل المثال، إحدى هذه المعادلات التي تحظى بشعبية خاصة، هو القانون الأول للديناميكا الحرارية، الذي يصف كيفية تدفق الطاقة داخل نظام مغلق، مثل الذي على الأرض.

ويتضمن هذا النموذج الجمع بين كل هذه المعلمات أجهزة الكمبيوتر الفائقة والتشفير: تتم كتابة بعض النماذج بلغة Fortran، وهي لغة برمجة، بينما يعتمد بعضهم الآخر على نظام “بيثون” (Python) للبرمجة وعلم البيانات.

وعلى سبيل المثال، يعمل نظام الحوسبة الفائقة “كراي أكس سي 40” (Cray XC40) في المملكة المتحدة، على أكثر من 14 ألف تريليون عملية حسابية في الثانية، ويحتوي على 24 بيتابايت (واحد بيتابايت أكثر من مليون غيغابايت) من التخزين لحفظ البيانات.

هذه الأجهزة القوية ضرورية للتنبؤ بالسيناريوهات الأكثر دقة، وبعد تجميع نموذج مناخي، يختبره العلماء قبل إجراء تنبؤات مهمة وللقيام بذلك، يستخدمون البيانات من الأوقات الحالية والماضية ضمن عملية تعرف باسم “الصب الخلفي”.

أصل النماذج المناخية
يسير تاريخ أول نموذج مناخي جنبًا إلى جنب مع تاريخ التنبؤ بالطقس وأجهزة الكمبيوتر العملاقة، في عام 1922، اقترح عالم الأرصاد الجوية والرياضيات والفيزياء لويس فراي ريتشاردسون طريقة جديدة للتنبؤ بالطقس.

وصف العالم البريطاني في مؤلفاته وأبحاثه، كيفية التنبؤ بالطقس باستخدام المعادلات التفاضلية ومن خلال عرض الغلاف الجوي على أنه شبكة من الخلايا الشبكية.

وتم تطوير أفكار ريتشاردسون في وقت لاحق في الأربعينيات من القرن الماضي عندما ابتكر العلماء في جامعة بنسلفانيا التكامل الرقمي والكمبيوتر (ENIAC).

وهو الجهاز الحسابي الأكثر تفصيلاً الذي تم تصنيعه حتى الآن، وقام هذا الجهاز بتشغيل أول توقعات جوية بالكمبيوتر على الإطلاق.

وفي أواخر الستينيات، طور الباحثون أول نموذج مناخي يجمع بين عمليات المحيط والغلاف الجوي في الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي في الولايات المتحدة باستخدام هذا النموذج.

يمكن للعلماء فهم كيفية تأثير المحيطات والغلاف الجوي على المناخ مع توقع مدى الاختلاف في هذه العوامل الطبيعية التي يمكن أن تؤدي إلى تغير المناخ.

هل يجب أن نثق في نماذج المناخ؟
توفر النماذج المناخية أو نماذج المناخ تنبؤات بالمستقبل بناء على احتمالات، وحين يبذل كثير من الجهد لضمان دقة تلك التنبؤات قدر الإمكان، فإن المعلومات عن المناخ بعد 200 عام من الآن على سبيل المثال لا تزال تجريبية وليست نهائية.

يقول جوني رايسنين عالم المناخ والمحاضر في معهد أبحاث الغلاف الجوي ونظام الأرض في هلسنكي، إنه “لا يوجد نموذج مثالي على الإطلاق، ولكن هذا لا يعني أنه لن يكون مفيدًا”.

ويرى جوني، أنه من الضروري أن يفهم الباحثون، ما النماذج التي تعمل صحيحا والتي تعمل خطأ، وتعديلها وفقا لذلك، لكن عندما يتعلق الأمر بالاحترار العالمي، يؤكد رايسنين، أن هناك كثيرا من اليقين أكثر من الشكوك، مع وجود أدبيات تدعمه.

وعموما، لا يوجد نموذج كمبيوتري، للمناخ أو أي شيء آخر، مثالي. ولا يستطيع أي كمبيوتر، أن يجري حسابات كافية بسرعة كافية لإظهار كيف سيتغير المناخ كل دقيقة في كل مكان من العالم على مدى السنوات الـ 50 المقبلة مثلا.

ومع ذلك، برزت ثقة كبيرة في نماذج المناخ التي تقدم تقديرات عددية موثوقة لتغيّر المناخ في المستقبل خاصة على المستويات القارية وعلى نطاق أوسع. ويُعزى سبب هذه الثقة إلى إنشاء النماذج من مبادئ فيزيائية مقبولة ومن قدرتها على نقل الخصائص التي رصدت في تغيّرات المناخ الحالية والسابقة.

وتعتبر نسبة الثقة في تقديرات النموذج أعلى بالنسبة إلى التقلبات المناخية كدرجة الحرارة مثلا، أكثر من معدل هطول الأمطار. وعلى مر عدة عقود من التطور، قدمت النماذج دوما صورة كبيرة وواضحة عن احترار المناخ من جراء ازدياد غازات الدفيئة.