Huge spread in CMIP6 diffuse radiation impairs carbon budget estimates

إن ضوء الشمس الذي يصل إلى سطح الأرض ليس حزمة واحدة موحدة، بل يصل في شكلين متميزين: أشعة مباشرة تسير في خطوط مستقيمة من الشمس، وضوء مشتت ارتد عن السحب والغبار وجزيئات الغاز في الغلاف الجوي. هذا الضوء المشتت، المعروف باسم الإشعاع المنتشر، يتصرف بشكل مختلف عن ضوء الشمس المباشر. وبينما تميل الأشعة المباشرة إلى السطوع بقوة على الطبقات العليا من غطاء الغابة، مما يترك الأوراق تحتها في ظلال عميقة، فإن الضوء المنتشر ينتشر في جميع الاتجاهات. إنه يتغلغل بعمق أكبر داخل النباتات، مما يضيء الأوراق المظللة التي كانت لتبقى مظلمة لولا ذلك. هذا الإضاءة الإضافية تسمح للنباتات بالقيام بعملية التمثيل الضوئي بكفاءة أكبر، مما يحول الغابة بأكملها فعلياً إلى محرك أكثر إنتاجية لامتصاص ثاني أكسيد الكربون من الهواء. ولأن هذه العملية تربط الغلاف الجوي بسحبه وجسيماته مباشرة بصحة غابات العالم، فإن فهم مقدار هذا الضوء المشتت الذي يصل إلى الأرض أمر ضروري لحساب كمية الكربون التي يمكن للأرض تخزينها من اليابسة.

لقد بحث باحث في مختبر المحيط الهادئ الشمال الغربي الوطني مؤخراً في مدى قدرة نماذج المناخ الحديثة على رصد هذا النوع المحدد من ضوء الشمس. وقد فحص بيانات من ستة عشر نموذجاً مناخياً عالمياً مختلفاً، وهي محاكاة حاسوبية معقدة يستخدمها العلماء لتوقع التغيرات المناخية المستقبلية وفهم التحولات البيئية الماضية. هذه النماذج هي الأدوات الأساسية لتقدير ميزانية الكربون العالمية—وهي التوازن بين الكربون المنطلق في الغلاف الجوي والكربون الذي تمتصه النباتات والمحيطات. ركز الباحث على الفترة التاريخية من عام 2000 إلى 2014، مقارناً ما تنبأت به النماذج مقابل القياسات الفعلية المأخوذة من محطات الأرصاد الجوية حول العالم. كان هدفه معرفة ما إذا كانت النماذج تتفق مع بعضها البعض ومع الواقع فيما يتعلق بمقدار الإشعاع المنتشر الذي يصل إلى السطح.

كشفت النتائج عن عدم اتفاق صارخ بين النماذج. فعندما نظر الباحث في المتوسط العالمي، تباينت التقديرات للإشعاع المنتشر بنحو ثلاثة أضعاف. فقد تنبأت بعض النماذج بكميات منخفضة جداً من الضوء المشتت، بينما تنبأت نماذج أخرى بكميات تزيد بثلاثة أضعاف تقريباً. وكان هذا التباين أكثر وضوحاً فوق اليابسة، حيث وصلت الفجوة بين أعلى وأدنى التقديرات إلى عامل الثلاثة. لم تكن المشكلة تكمن فقط في عدم اتفاق النماذح مع بعضها البعض، بل في أنها اختلفت أيضاً مع الملاحظات الواقعية. فعندما قارن الفريق متوسط جميع النماذج مع آلاف القياسات الأرضية، وجدوا أن النماذج قللت باستمرار من تقدير كمية الضوء المنتشر، لا سيما خلال موسم النمو عندما تكون النباتات أكثر نشاطاً. ففي نصف الكرة الشمالي، على سبيل المثال، فاتت النماذج ذروة مقدار الضوء المشتت بفارق كبير خلال أشهر الصيف، مما يشير إلى وجود خطأ منهجي في كيفية معالجة هذه المحاكاة للتفاعل بين الغلاف الجوي والسطح.

هذا التفاوت مهم لأن كمية الضوء المشتت تؤثر مباشرة على كمية الكربون التي يمكن للنباتات امتصاصها. وقد حسب الباحث أن التباين الواسع في تقديرات النماذج للإشعاع المنتشر يمكن أن يترجم إلى شكوك هائلة في توقعات نمو النباتات. فإذا كانت النماذج مخطئة بشأن كمية الضوء المشتت الذي يصل إلى الغابات، فمن المرجح أنها مخطئة بشأن كمية الكربون التي تخزنها تلك الغابات. وتشير الدراسة إلى أن هذا الشك قد يصل إلى عدة مليارات من أطنان الكربون سنوياً، وهو رقم كبير بما يكفي لمنافسة إجمالي كمية الكربون التي تمتصها النظم البيئية البرية في العالم حالياً. وفي المناطق الاستوائية، حيث يتسع نطاق تقديرات النماذج بشكل خاص، قد يتجاوز الشك في امتصاص الكربون ثلاثة عشر بالمائة من إجمالي الامتصاص. وهذا يعني أن التوقعات الحالية لمستقبل بالوعات الكربون، والتي تعد بالغة الأهمية لسياسة المناخ، قد تُبنى على أساس هش فيما يتعلق باستجابة النباتات لضوء الشمس.

ويبدو أن جذر المشكلة يكمن في كيفية بناء هذه النماذج. فالطريقة التي تحسب بها الانقسام بين ضوء الشمس المباشر والمشتت تعتمد على معادلات معقدة للسحب والجسيمات الجوية، والتي لم تُفهم أو تُمثل بدقة بعد. علاوة على ذلك، فإن العديد من النماذج الأرضية المستخدمة ضمن هذه الأنظمة تبسط الطريقة التي يتحرك بها الضوء عبر الغابة، وغالباً ما تعامل الغطاء النباتي كطبقة واحدة بدلاً من هيكل معقد يحتوي على أوراق مشمسة وأخرى مظللة. هذا التبسيط يفشل في التقاط "تأثير التخصيب" للضوء المنتشر، حيث تزيد الإضاءة الإضافية من إنتاجية مجتمع النباتات بأكلِه. وقد لاحظ الباحث أنه حتى النماذج التي بنيت بواسطة نفس المؤسسات، باستخدام مكونات جوية أساسية متشابهة، أنتجت نتائج مختلفة تماماً لنفس المنطقة، مما يسلط الض الضوء على أن المشكلة ليست مجرد مسأل اختلاف في البيانات، بل هي اختلاف جوهري في كيفية محاكاة الفيزياء.

تخلص الدراسة إلى أنه لتحسين فهمنا لدورة الكربون في الأرض، يجب على العلماء إعطاء الأولوية لضبط تمثيل الإشعاع المنتشر. ويتضمن ذلك إجراء ملاحظات أفضل للضوء المشتت، خاصة في الغابات الاستوائية النائية حيث تندر البيانات حالياً، وابتكار طرق أكثر تطوراً لنمذجة كيفية تفاعل الضوء مع الغطاء النباتي. ومع استعداد المجتمع العلمي للجيل القادم من النماذج المناخية، يرى المؤلف أن توحيد كيفية تسجيل وتقييم الإشعاع المنتشر في هذه النماذج لم يعد أمراً اختيارياً. فبدون معالجة هذه النقطة العمياء، سيظل الشك في ميزانيات الكربون العالمية كبيراً جداً بحيث لا يوفر التوجيه الموثوق المطلوب للعمل المناخي. ويتطلب المسار المستقبلي جهداً منسقاً لضمان أن الجيل القادم من عمليات المحاكاة يمكنه عكس الدور الدقيق والقوي لضوء الشمس المشتت في استدامة الحياة على كوكب الأرض.