Improved Simulation of Volcanic Sulfur Dioxide Depletion and Transport Using a High-Resolution Volcanic Sulfur Dioxide Emissions Inventory
تقدم هذه الورقة البحثية THRIVE-SO 2، وهو مخزون عالي الدقة يحدد بوضوح التوزيع الزمني والرأسي لانبعاثات ثاني أكسيد الكبريت البركانية، مما يثبت أن هذا التمثيل المحسن يعزز بشكل كبير دقة محاكاة انتقال ثاني أكسيد الكبريت، واستنفاده، وما يتبع ذلك من تأثيرات هباء الكبريت الجوي مقارنة بقواعد البيانات التقليدية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
عندما ينفجر بركان بقوة كافية لشق طريقه عبر السماء، فإنه لا يكتفي فقط بنفث الرماد والصخور؛ بل يحقن سحباً هائلة من غاز ثاني أكسيد الكبريت في طبقات الجو العليا، لتصل إلى مستويات حيث يكون الهواء رقيقاً والرياح تهب بثبات لآلاف الأميال. وهناك، يتحول هذا الغاز ببطء إلى جزيئات دقيقة من هباء الكبريتات. تعمل هذه الجزيئات مثل حجاب، حيث تعكس ضوء الشمس عائدة به إلى الفضاء مما يبرد سطح الكوكب، بينما تمتص الحرارة في الغلاف الجوي العلوي مما يؤدي لتدفئته. ولأن هذه الجزيئات يمكن أن تبقى عالقة لشهور أو حتى سنوات، فإن لديها القدرة على التأثير على الأنماط الجوية العالمية وحتى إضعاف طبقة الأوزون الواقية التي تحمينا من الإشعاعات الضارة. ولفهم كيف يمكن لانفجار واحد أن يغير المناخ لموسم أو لعقد من الزمان، يجب أن يتمكن العلماء من محاكاة كيفية تشكل هذه الجسيمات بدقة، وأين تذهب، وكم ستستمر. وتعتمد دقة هذه المحاكاة تماماً على معرفة التفاصيل الدقيقة للانفجار نفسه: متى تم إطلاق الغاز بالضبط، والأهم من ذلك، عند أي ارتفاع دخل إلى السماء.
لسنوات، اعتمد العلماء على قواعد بيانات عالمية لتوفير هذه التفاصيل الأولية لنماذجهم الحاسوبية. وتوفر إحدى قواعد البيانات واسعة الاستخدام، والمعروفة باسم VolcanEESM، صورة مفيدة ولكنها مبسطة؛ فهي تتعامل مع الانفجار كحدث واحد حيث يتم إطلاق كمية ثابتة من الغاز خلال نافذة زمنية قياسية مدتها ست ساعات، ويتم توزيعها بالتساوي بين ارتفاع منخفض وآخر مرتفع مُبلغ عنه. وبينما يلتقط هذا النهج إجمالي كمية الغاز، فإنه يغفل الواقع الفوضوي لكيفية سلوك البراكين فعلياً. فالانفجارات الحقيقية نادراً ما تكون مستقرة؛ فهي تنبض، وتتغير شدتها، وتحقن الغاز على ارتفاعات متفاوتة على مدار أيام أو أساساب. ومن خلال تسوية هذه التفاصيل، تجبر قواعد البيانات القديمة النماذج الحاسوبية على البدء بسحابة ثابتة ومتجانسة لا تطابق السحابة المتغيرة والفوضوية التي ترصدها الأقمار الصناعية. وهذا التباين يمكن أن يؤدي إلى أخطاء في التنبؤ بكيفية انجراف السحابة، ومدى سرعة اختفائها، وكم ستسخن أو تبرد الغلاف الجوي.
ولإصلاح ذلك، طور فريق من الباحثين مخزوناً جديداً عالي الدقة يسمى THRIVE-SO2. فبدلاً من افتراض إطلاق ثابت، قاموا بإعادة بناء تاريخ 52 انفجاراً بركانياً من عام 2002 إلى الوقت الحاضر من خلال الجمع بين ملاحظات الأقمار الصناعية وحسابات التتبع العكسي. لقد أخذوا لقطات لسحب ثاني أكسيد الكبريت كما تُرى من الفضاء وتتبعوا الجزيئات إلى الوراء في الزمن لمعرفة متى وعلى أي ارتفاع مرت فوق البركان بالضبط. أنتجت هذه الطريقة خريطة مفصلة لكل انفجار، توضح كيفية إطلاق الغاز كل 15 دقيقة وعند كل شريحة ارتفاع قدرها 0.2 كيلومتر. والنتيجة هي صورة ديناميكية للانبعاثات البركانية تلتقط الإيقاع الحقيقي والبنية الرأسية للحدث، بدلاً من مجرد تخمين متوسط ومسطح.
اختبر الباحثون هذا المخزون الجديد عبر تشغيل عمليات محاكاة حاسوبية لخمسة انفجارات كبرى: ساريشيف في 2009، ميرابي في 2010، نابرو في 2011، كيلود في 2014، وكالبوكو في 2105. وقد اختيرت هذه الأحداث لأنها وقعت في أجزاء مختلفة من العالم وأرسلت أعمدتها إلى طبقات جوية مختلفة، مما قدم اختباراً صارماً للنظام الجديد. وفي كل حالة، قارنوا نتائج المحاكاة المدفوعة ببيانات THR-SO2 الجديدة بتلك المدفوعة بقاعدة بيانات VolcanEESM القديمة، للتحقق من مدى مطابقة كل منهما لملاحظات الأقمار الصناعية الفعلية لسحب ثاني أكسيد الكبريد. وأظهرت عمليات المحاكاة أن المخزون الجديد يعيد إنتاج السلوك الحقيقي للأعمدة بدقة أكبر بكثير. وتحديداً، نجحت محاكاة THRIVE-SO2 في التقاط التراكم التدريجي لسحابة الغاز في الأيام التي تلت الانفجار، في حين أظهرت قاعدة البيانات القديمة ظهور الغاز دفعة واحدة. وكان هذا الفرق مهماً لأن توقيت الإطلاق يحدد الرياح التي ستواجهها السحابة أولاً، مما يضعها على مسار قد يؤدي إلى وجهات مختلفة تماماً.
كان التحسن أكثر لفتاً للنظر في كيفية تعامل المحاكاة مع التوزيع الرأسي للغاز. فقد أظهر المخزون الجديد أن ثاني أكسيد الكبريت يُحقن غالباً في طبقات محددة من الغلاف الجوي، حيث يبقى أحياناً في الطبقات الدنيا، ويندفع أحياناً أخرى مباشرة إلى الستراتوسفير. أما قاعدة البيانات القديمة، ومن خلال توزيع الغاز بالتساوي بين نقطة منخفضة وعالية، فقد وضعت غالباً الكثير من الغاز في مكان مرتفع جداً في الستراتوسفير. تسبب هذا الخطأ في جعل المحاكاة تبالغ في تقدير المدة التي ستظل فيها الجزيئات عالقة وفي المسافة التي ستسافرها. ومع استخدام ارتفاعات الحقن الأكثر دقة في المخزون الجديد، أظهرت المحاكاة استنفاد الغاز وانتشاره بطريقة تتوافق تماماً مع ما رصدته الأقمار الصناعية بالفعل. فعلى سبيل المثال، في حالة انفجار نابرو، تتبع النموذج الجديد المسار الصحيح للسحابة وهي تتحرك شرقاً ثم تنتشر، بينما أبقى النموذج القديم السحابة متراصة ومركزة للغاية.
وبعيداً عن مجرد تتبع الغاز، بحثت الدراسة أيضاً فيما يحدث بعد ذلك: وهو تشكل هباء الكبريتات. ولأن المخزون الجديد وضع الغاز في الطبقات الجوية الصحيحة، كانت عمليات المحاكاة الناتجة لهباء الكبريتات أكثر واقعية أيضاً. فقد مالَت قاعدة البيانات القديمة إلى إنشاء طبقات من الهباء الجوي أكثر سمكاً وارتفاعاً، مما يوحي بتأثير مناخي أقوى وأطول أمداً مما حدث فعلياً. وفي المقابل، أظهرت محاكاة النظام الجديد توزيعات للهباء الجوي تتوافق بشكل أفضل مع قياسات الأقمار الصناعية للضباب الجوي. وهذا يشير إلى أن التقديرات السابقة لمدى تبريد هذه الانفجارات للكوكب أو تأثيرها على طبقة الأوزون قد تكون غير دقيقة قليلاً بسبب البيانات الأولية المبسطة. وتؤكد الدراسة أن المفتاح لتحسين التوقعات المناخية لا يكمن فقط في معرفة كمية الغاز التي ينفثها البركان، بل في فهم التفاصيل الدقيقة للحظة بلحظة لكيفية دخول ذلك الغاز إلى السماء.
ويؤكد الباحثون أنه بينما لا تزال قاعدة البيانات القديمة مفيدة للدراسات العامة الواسعة، فإن مخزون THRIVE-SO2 الجديد يوفر أساساً أقوى بكثير للتحقيق في التأثيرات المحددة للانفجارات البركانية على المناخ وكيمياء الغلاف الجوي. فمن خلال حل مشكلات توقيت وارتفاع الانبعاثات، يزيل النظام الجديد مصدراً رئيسياً لعدم اليقين في هذه المحاكاة. ويسمح هذا التقدم للعلماء برؤية أوضح لكيفية انتقال الأعمدة البركانية حول العالم، وكيفية تفاعلها مع الرياح، وكيف تتلاشى في النهاية. ومع استمرار الفريق في تطوير هذا المخزون وتطبيقه على نماذج المناخ المستقبلية، فإنه يعد بتقديم صورة أوضح لكيفية تشكيل أقوى الانفجارات الطبيعية للهواء الذي نتنفسه والمناخ الذي نعيش فيه.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.