«كاوست» ترصد تغير المناخ وتأثير الغبار على البيئة

يشرح رئيس برنامج علوم هندسة الأرض في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست) البروفيسور جورجي ستنتشيكوف، كيف تمثل منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا أكثر من نصف انبعاثات الغبار العالمية، والضغط الهائل على البيئة الذي يمكن أن يسببه الغبار. وأشار ستنتشيكوف إلى أن عواقب تغيّر المناخ تتسم بأنّها معقدة وبعيدة الأمد ويمكن الشعور بها على المستويين العالمي والإقليمي، إذ تعدّ التوقعات المناخية على النطاقين الإقليمي والمحلي ضرورية للتكيف والتخطيط على المستويين الوطني ودون الوطني، لزيادة صمود وقوة البنى التحتية الصناعية والاجتماعية. ويعد التكيّف على المستوى الإقليمي أكثر جدوى من التكيّف العالمي، حيث يمكن ل«الحلول» الهندسية الجيولوجية العالمية المقترحة؛ مثل إدارة الإشعاع الشمسي، أن تضمن تبريد الكوكب، ولكنها ستسبب عواقب إقليمية سلبية. مناخ منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا معرض بشكل خاص لهذه الآثار السلبية.
المياه العذبة هي أهم موارد البيئة الصحراوية
المياه العذبة من أهم
موارد البيئة الصحراوية
وتمثل إدارة موارد المياه في منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا تحدياً؛ فقد أدى النمو السكاني والصناعات والأنشطة الزراعية خلال القرن الماضي إلى زيادة الطلب على إمدادات المياه. وفي الوقت نفسه، وبسبب الظروف البيئية، فإن استهلاك الفرد من المياه العذبة مرتفع. على سبيل المثال، تمتلك المملكة العربية السعودية أحد أعلى معدلات استهلاك المياه للفرد في العالم (ما يقرب من 300 طن في العام). تقوم المملكة العربية السعودية بتحلية نحو 1 غيغا طن من المياه سنوياً لإنتاج 25-30% من جميع المياه المحلّاة في العالم.
تعديل الهطول
استرعت فكرة زيادة هطول الأمطار بشكل مصطنع الانتباه لسنوات عدة. وتموّل دولة الإمارات العربية المتحدة حالياً أبحاث برنامج تحسين المطر الذي يستكشف الخيارات التقنية المختلفة. وجرت محاولات هامشية ناجحة لتلقيح السحب، لإطلاق هطولات المطر في البيئات الصحراوية. بيد أن الطرق التي يمكن أن يؤثر بها الغبار على السحب وهطول الأمطار ليست معروفة أو مفهومة تماماً على نطاق واسع. التشجير طريقة معروفة لزيادة هطول الأمطار. وبدلاً من ذلك، وجدنا أن تناقص البياض السطحي عن طريق توزيع الألواح الشمسية على السهل الساحلي للبحر الأحمر يعزز نسائم البحر ويؤدي إلى زيادة هطول الأمطار على تلك المنطقة. هذه الطريقة لها عواقب بيئية قليلة في المناطق المحيطة. يمكن استخدامها كتدبير للتكيف مع المناخ، وهي مثال على الهندسة الجيولوجية لهطول الأمطار على نطاق إقليمي.
اتجاهات درجة الحرارةيشهد الشرق الأوسط مستوى معززاً من الاحترار، إذا ما قورن بمتوسط اتجاه الاحترار في نصف الكرة الشمالي. أحد الأسباب هو الجفاف الشديد في المنطقة الذي يمنع تعديل توازن الطاقة على سطح الأرض عن طريق زيادة التبخر. لذلك، فإن حساسية درجة حرارة الصحراء للتأثير الإشعاعي، الشمسي وطويل الموجة، أعلى من المتوسط المرصود فوق كتل اليابسة العالمية. كما لوحظ أعلى اتجاه للاحترار في الصيف، ما يجعل درجات الحرارة المتطرفة أكثر حدة. يوضح الشكل 1 توقعات درجات الحرارة في منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا حتى عام 2050، في سيناريوهين من سيناريوهات الانبعاثات التي رسمتها هيئة IPCC الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ: RCP8.5 (أحمر، استمرار العمل كالمعتاد) وRCP4.5 (أزرق) مع انخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بدءاً من عام 2030. وقد تم إجراء هذا التقييم في مشروع لجنة الأمم المتحدة الاقتصادية والاجتماعية لغربي آسيا (الإيسكوا)، المتعلق بالموارد المائية والضعف الاجتماعي في الدول العربية. تم حساب الإسقاطات بواسطة كمبيوتر عملاق في كاوست باستخدام نموذج الغلاف الجوي العالمي عالي الدقة (HiRAM) بدقة مكانية إقليمية تبلغ 25×25 كيلومتراً مربعاً. تظهر النتائج ارتفاعاً ثابتاً في درجة الحرارة لأكثر من 1 كلفن بحلول منتصف القرن الحادي والعشرين.
التنبؤات المناخية الإقليميةفي حين أنّ التغيرات المناخية الإقليمية تأتي مدفوعة باتجاهات المناخ العالمية، فإنّ التنبؤ بالمناخ الإقليمي يمثل تحدياً أكبر من المناخ العالمي، حيث إن الدقة المكانية العالية مطلوبة، والتباين الطبيعي، واستجابات الدوران غير الخطي، والآثار الفيزيائية المحلية تسهم جميعاً في تعقيد التحليل.
تركز مجموعة البروفيسور ستنتشيكوف في كاوست على منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا، التي تعد واحدة من أكثر المناطق عرضة لتغير المناخ، إذ باتت الخصائص البيئية لمنطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا على حافّة عدم صلاحية العيش فيها، لكن الاحتباس الحراري سيؤدي إلى تفاقم الآثار على الصحة، والبنية التحتية، والهجرة البشرية، والتنوع البيولوجي، والسياحة، وإنتاج الغذاء.
تعتمد تقنية التنبؤ بالمناخ الإقليمي الحالية على ركيزتين: المحاكاة باستخدام النماذج العالمية عالية الدقة، وتقليص مخرجات نموذج نظام الأرض Earth System Model باستخدام النماذج الإقليمية المتداخلة. تعتمد التكنولوجيا التي نطورها في كاوست على مزيج من هذين النهجين؛ حيث نجري تقليصاً عميقاً للتنبؤات المناخية العالمية عالية الدقة باستخدام نموذج الغلاف الجوي الإقليمي. وحرصاً على الاتساق الفيزيائي، ربطنا نموذج الغلاف الجوي الإقليمي بنموذج المحيط الإقليمي الذي يمثل عمليات الهباء الجوي وكيمياء الغلاف الجوي.
انبعاثات الغبار العالميةإلى جانب آسيا الوسطى والشرقية، تساهم منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا بشكل كبير في انبعاثات الغبار العالمية، التي تتراوح بين 1000-2000 تيراغرام في العام. وتمثل منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا أكثر من نصف انبعاثات الغبار العالمية. يؤثر الغبار على الإشعاع الشمسي والأراضي، وعلى توازن طاقة الكواكب، ودوران الغلاف الجوي. ينتج الغبار أكبر نظام تبريد إشعاعي شمسي في العالم يصل في جنوب البحر الأحمر إلى 60 واط/‏ م2. أدت فترات الجفاف المديدة والصراعات الاجتماعية إلى نمو العمق البصري للهباء الجوي (AOD) الذي يميز التأثير الإشعاعي للهباء الجوي (انظر الشكل 2). وفي حين أنّ ترسب الغبار على أسطح الألواح الشمسية يعيق كفاءتها، فإن امتصاص الغبار للأشعة فوق البنفسجية يقلل من تأثير هذه الأشعة على البشر. يعدّ التأثير الإشعاعي للغبار تأثيراً معقداً، حيث تعكس جزيئات الغبار الإشعاع الشمسي وتمتصه من جهة، وتولد من جهة أخرى ارتفاعاً كبيراً في الاحتباس الحراري. نتيجة لذلك، فإنّ الغبار يبرّد السطح ولكنه يسخن الغلاف الجوي. يعتمد التأثير الإشعاعي للغبار على بياض السطح وزاوية ذروة الطاقة الشمسية. يؤدي تسخين الغلاف الجوي الناجم عن الغبار الصحراوي إلى تغيير دوران كل من هادلي ووكر، ما يؤدي إلى تحريك حزام المطر شمالاً في الصيف، الأمر الذي يزيد هطول الأمطار في الساحل. وجدنا أن التبريد الإشعاعي لجنوب البحر الأحمر بسبب طبقات الغبار المتراكمة يؤثر على دوران الغلاف الجوي وتوازن الطاقة في البحر، وهو التأثير الذي لم يتم التعرف عليه من قبل.
الغبار ليس هو الهباء الجوي الوحيد في الشرق الأوسط، إذ يتم إنتاج الهباء الجوي بشري المنشأ بفعل النشاط الصناعي، وحركة المرور، وتوليد الطاقة بكثرة، لاسيما في المراكز السكانية. إن مزيج الهباء الجوي، أو ما يسمّى الجسيمات المعلقة (PM)، يؤثر تأثيراً شديداً على جودة الهواء. كما أن الزيادة الهائلة في مستوى تلوث الهواء في البلدان النامية على مدى العقود الماضية جاءت مدفوعة بالنمو الاقتصادي والسكاني السريع، وحرق الوقود الأحفوري، وأنشطة البناء والزراعة. ومع ذلك، فإن السبب الرئيسي لتلوث الهواء في منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا هو الغبار المعدني، وهو آخذ في الارتفاع (انظر الشكل 2). يعدّ الغبار في المملكة العربية السعودية مسؤولاً عن نحو 95% من تركيز الهباء الجوي. ولكن في المدن، يأتي عنصر الهباء الجوي بشري المنشأ على قمة الغبار ما يؤدي إلى تدهور كبير في جودة الهواء في المناطق الحضرية. في الواقع فإن التلوّث، في جميع أراضي شبه الجزيرة العربية تقريباً، يتجاوز الحدود التي وضعتها منظمة الصحة العالمية.
تتيح لنا النماذج المناخية أن نفهم الآليات الفيزيائية لتقلب المناخ وتقدير التغيرات المناخية المستقبلية. لكن النماذج وحدها لا تكفي لعمل تقديرات موثوقة. إنّ تحديد واختبار البارامتر النموذجي يتطلّب ملاحظات دقيقة للخصائص البيئية، خصوصا تلك المرتبطة بالهباء الجوي.
مراقبة الغبار في «كاوست»
أجرى البروفيسور ستنتشيكوف بحثاً شاملاً لرصد الهباء الجوي في حرم كاوست، حيث تم لعقد من الزمان تشغيل موقع KAUST AERONET الذي يوفر عمليات رصد متعددة الأطوال الموجية للعمق البصري للهباء المتكامل للعمود، وتوزيع حجم الهباء الجوي، وأس أنغستروم، ومؤشر الانكسار. يوجد جهاز ليدار النبضات الدقيقة MPL لقياس التوزيع الرأسي لمعامل التشتت الخلفي للهباء الجوي. طورنا خوارزمية استرجاع جديدة سمحت لنا بالحصول على توزيع رأسي لانقراض الهباء الجوي، وبياض التشتت المفرد، ونسبة خلط الهباء الجوي. كنا أول من أجرى قياسات منهجية للعمق البصري للهباء الجوي فوق البحر الحقيقي باستخدام مقياس ضوئي للشمس محمول باليد (MICROTOPS). أجريت هذه القياسات بالتعاون مع مركز غودارد لرحلات الفضاء Goddard Space Flight Center التابع لوكالة ناسا ويمكن الوصول إلى الملاحظات على موقع ناسا الإلكتروني داخل أرشيفات AERONET (https:/‏/‏aeronet.gsfc.nasa.gov/‏cgi-bin/‏type_piece_of_map_opera_v2_new)، وMPLnet (https:/‏/‏mplnet.gsfc.nasa.gov/‏)، وMARITIME (https:/‏/‏aeronet.gsfc.nasa.gov/‏new_web/‏maritime_aerosol_network.html). كما أطلقنا حملة متعددة السنوات لقياس معدل ترسب الهباء الجوي، وأجرينا تحليلاً للتوزيع المعدني ولحجم عينات الترسب، وذلك بقصد المساعدة في التنبؤ بالتأثير الصحي للغبار وخصائصه الإشعاعية، وتوفير وسائل لاختبار توازن كتلة الغبار.
يعدّ الجمع بين النمذجة المتقدمة والنتائج المتكاملة للرصد البيئي نهجاً مثبتاً لتعزيز التنبؤات المناخية الإقليمية لمنطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا، بما يثري عملية صنع القرار البيئي. وثمّة الكثير مما يتعيّن فهمه في ما يتعلق بتأثير الغبار في البيئة الصحراوية. على سبيل المثال، يتفاعل الغبار كيميائياً، وعلى المستوى الفيزيائي الدقيق، مع الملوثات البشرية مثل رذاذ الكبريتات، الذي يغير تأثير ودورة حياة الغبار الإشعاعي. تسمح النماذج المناخية الشاملة بدمج البيانات التجريبية مع الآليات الفيزيائية، وهي لا تقدر بثمن لفهم العمليات المناخية المعقدة. يمكن استخدام هذه النماذج لتقييم فعالية تدابير التكيف والتخفيف، وهي مفيدة في تقييم موارد الطاقة المتجددة ورسم خرائطها.