Decoding the precipitation dynamics at an East Himalayan glacier using Spectral Bin Classification and Boosted Regression Trees

في أعالي الجبال، حيث الهواء رقيق والأرض غالباً ما تكون مغطاة بالجليد، لا يمثل الفرق بين تساقط الثلوج الخفيفة وعاصفة مطرية غزيرة مجرد مسألة راحة؛ بل هو مسألة بقاء بالنسبة للأنهار الجليدية نفسها. تعمل الأنهار الجليدية كخزانات جليدية ضخمة، تحفظ المياه التي تغذي الأنهار وتدعم الملايين من الناس في المصب. وسواء كان النهر الجليدي ينمو أو يتقلص يعتمد بشكل كبير على ما يسقط من السماء. فالثلج يضيف إلى كتلة النهر الجليدي، حيث يعمل كطبقة عازلة جديدة ومخزن للمياه، بينما يعمل المطر على إذابة الجليد وتسريع اختفائه. وفي البيئة المعقدة ومرتفعة الارتفاع في جبال الهيمالايا، يصعب التنبؤ بدقة متى سيسقط الهطول على شكل ثلج أو مطر لأن الغلاف الجوي يتصرف بشكل مختلف عند هذه الارتفاعات عما هو عليه في الوديان أدناه. وفهم هذه القواعد الجوية المحددة أمر بالغ الأهمية لمعرفة كيف ستستجيب هذه الأبراج المائية المتجمدة لتغير المناخ.

ولكشف هذه القواعد الخفية، توجه باحث يدعى نيلاموني بارمان إلى نهر جليدي في نيبال يسمى "يلا غليشر" (Yala Glacier). يقع هذا الحقل الجليدي على ارتفاع متوسط يبلغ 5,330 متراً، في مشهد طبيعي ناءٍ ووعر حيث تتبدل أحوال الطقس بشكل دراماتيكي بين الفصول. قام بارمان بتحليل ثلاث سنوات من بيانات الطقس التفصيلية التي جمعتها محطة آلية تقع مباشرة على النهر الجليدي. وكان الهدف هو فك الشفرة حول الظروف الجوية التي تحفز تساقط الثلج مقابل المطر، وكيف تتغير هذه الظروف طوال العام. ومن خلال استخدام طريقة تصنف بيانات الططق بناءً على فئات محددة من حيث درجة الحرارة والرطوبة، ثم تطبيق أداة تعلم حاسوبية قوية لإيجاد الأنماط، كشفت الدراسة عن المكونات الدقيقة اللازمة لتشكل الثلج والعوامل التي تسبب تلاشيه.

وجدت الأبحاث أن العامل الأكثر أهمية لتساقط الثلوج ليس فقط مدى برودة الجو، بل مقدار الرطوبة التي يحملها الهواء. ففي جميع الفصول الأربعة، برزت الرطوبة النسبية — وهي مقياس لمدى تشبع الهواء ببخار الماء — كالمحرك المباشر والمهيمن للثلج. ولكي يسقط الثلج، يجب أن يكون الهواء مشبعاً تقريباً، حيث تتجاوز مستويات الرطوبة عموماً 80 بالمائة. ومع ذلك، فإن كمية الرطوبة المطلوبة بالضبط تتغير اعتماداً على درجة الحرارة. فعندما يكون الهواء شديد البرودة، بين 18- درجة مئوية و 5.1- درجة مئوية، يتشكل الثلج عندما تصل متوسط الرطوبة إلى حوالي 86.5 بالمائة. ولكن عندما تحوم درجة الحرارة بالقرب من نقطة التجمد، بين 5- درجات وصفر درجة مئوية، يجب أن يكون الهواء أكثر رطوبة، مما يتطلب رطوبة متوسطة تبلغ حوالي 94.5 بالمائة. وهذا يعني أنه كلما أصبح الهواء أكثر دفئاً، احتاج إلى أن يكون مشبعاً بالرطوبة بشكل شبه كامل قبل أن يسقط الثلج، بينما في البرودة الشديدة، تكون الحاجة إلى رطوبة أقل قليلاً.

وبينما تهيئ الرطوبة المسرح، تعمل قوى أخرى كمخرجين للمسرحية. فقد أظهرت الدراسة أن الإشعاع الشمسي الوارد، وهو الطاقة من الشمس التي تدفئ السطح، يعمل باستمرار ضد تساقط الثلوج. فعندما تشرق الشمس بسطوع، فإنها تسخن الأرض والهواء، مما يميل إلى كبح الثلج وتشجيع المطر أو الإذابة. وهذا التأثير قوي جداً لدرجة أن بضع ساعات من ضوء الشمس المكثف يمكن أن تغير التوازن بعيداً عن تراكم الثلوج. وعلى العكس من ذلك، تلعب درجة حرارة الهواء نفسها دوراً متغيراً. ففي فصل الشتاء، تعتبر درجة حرارة الهواء الفعلية مؤشراً ضعيفاً لما إذا كان الثلج سيسقط أم لا. ومع ذلك، خلال موسم الرياح الموسمية والفترة التي تليها مباشرة، تصبح درجات الحرارة المرتفعة مثبطاً قوياً للثلج، مما يمنع تشكله بفعالية حتى عندما تكون الرطوبة عالية. وهذا يشير إلى أنه مع ارتفاع حرارة المناخ، قد تتقلص النافذة الزمنية لتساقط الثلوج في هذه الجبال العالية بشكل كبير، ليحل محلها المطر الذي يسرع فقدان الجليد.

كما ميز الباحثون بين نوعين من الأيام لفهم الإيقاع اليومي للنهر الجليدي. فقد حددوا "الأيام العادية"، حيث تبقى درجة الحرارة تحت الصفر وتكون الرطوبة أقل، و"الأيام الخاصة"، حيث ترتفع درجة الحرارة فوق الصفر وتصل الرطوبة إلى مستويات تقترب من التشبع. في الأيام العادية، يمر النهر الجليدي بدورة يومية قوية: يبرد في الليل، مما يسمح بتراكم الثلوج، ويدفأ قليلاً خلال النهار. وهذه الأيام مفيدة بشكل عام لصحة النهر الجليدي، حيث تسمح الليالي الباردة بتراكم كتلة الثلج الطازجة. في المقابل، تمثل "الأيام الخاصة" أحداث تدفئة غير طبيعية. في هذه الأيام، ترتفع درجة الحرارة فوق الصفر المئوي، ويصبح الهواء رطباً للغاية. وتعتبر هذه الظروف خطيرة على النهر الجليدي لأنها تحفز الإذابة السريعة وغالباً ما تجلب المطر بدلاً من الثلج، مما يؤدي إلى فقدان صافٍ في كتلة الجليد. ووجدت الدراسة أنه بينما تتبع الأيام العادية نمطاً يمكن التنبؤ به من التبريد والتدفئة، فإن الأيام الخاصة تتميز بغلاف جوي مستقر وهادئ مع رياح منخفضة وغطاء سحابي كثيف يحبس الحرارة والرطوبة، مما يخلق عاصفة مثالية لتقليص النهر الجليدي.

باستخدام نماذج حاسوبية متقدمة لوزن أهمية متغيرات الطقس المختلفة، حددت الدراسة أن درجة حرارة سطح النهر الجليدي يتم التحكم فيها بشكل أساسي من خلال الإشعاع الموجي الطويل الذي ينبعث منه عائدًا إلى السماء. هذه الطاقة الخارجة هي المحرك الرئيسي لمدى سخونة أو برودة الجليد. أما الرطوبة في الهواء، فهي مدفوعة بمجموعة مختلفة من القوى. فخلال الشتاء والأشهر التي تسبق الرياح الموسمية، يكون نوع الهطول والإشعاع الموجي الطويل الوارد من الغلاف الجوي هما المتحكمان الرئيسيان في الرطوبة. ولكن بمجرد وصول الرياح الموسمية واستمرارها في فترة ما بعد الموسم، يصبح الإشعاع الموجي الطويل الوارد هو المحرك المهيمن الوحيد، حيث يمثل حوالي 70 بالمائة من التأثير على الرطوبة. ويسلط هذا التحول الضوء على كيفية تغير سلوك الغلاف الجوي بشكل جذري مع الفصول، من نظام يهتم فيه نوع الهطول، إلى نظام يملي فيه الغطاء من الهواء الدافئ والرطب من الأعلى كل شيء.

في نهاية المطاف، يقدم هذا العمل صورة واضحة ومدعومة بالبيانات لكيفية تنفس النهر الجليدي العالي وتفاعله مع بيئته. إنه يؤكد أنه بينما درجات الحرارة الباردة ضرورية، إلا أنها ليست كافية وحدها؛ بل يجب أن يكون الهواء مشبعاً بالرطوبة أيضاً لكي يسقط الثلج. وتكشف الدراسة عن توازن دقيق حيث يكتسب النهر الجليدي كتلة في الأيام الباردة والصافية، لكنه يفقدها بسرعة خلال الأحداث الدافئة والرطبة. ومع تعرض المنطقة لمزيد من أحداث الاحترار التي تدفع درجات الحرارة فوق الصفر، فإن وتيرة هذه "الأيام الخاصة" قد تزدัง، مما يحول الهطول من ثلج إلى مطر. وهذا التحول لن يقلل فقط من كمية المياه المخزنة في النهر الجليدي، بل سيؤدي أيضاً إلى تعتيم سطحه، مما يجعله يمتص المزيد من الحرارة ويذوب بشكل أسرع. وتقدم النتائج نظرة دقيقة لآليات بقاء الأنهار الجليدية، مبينة أن مستقبل هذه الحقول الجليدية يعتمد على تفاعل معقد بين الرطوبة والإشعاع ودرجة الحرارة، وهو تفاعل يزداد صعوبة في الحفاظ عليه في عالم يزداد دفئاً.