تغییرات اقلیمی در قطب شمال با سرعتی بیسابقه در حال پیشروی است. اکنون تیمی از دانشمندان بهطور دقیق نشان دادهاند که چگونه شیمی منحصربهفرد این منطقه، خود به عاملی برای تشدید گرمایش تبدیل شده است.
در یک کارزار میدانی دوماهه، پژوهشگران با استفاده از دو هواپیمای تحقیقاتی و ایستگاههای زمینی در سراسر «شیب شمالی آلاسکا» و دریاهای مجاور، سه فرآیند بههمپیوسته را شناسایی کردند که نقش مهمی در این روند دارند.
سه فرآیند کلیدی که قطب شمال را گرمتر میکنند
نخست، شکافهای باز در یخ دریا که با عنوان leads شناخته میشوند، تشکیل ابرها را بهشدت تقویت کرده و آلایندهها را به لایههای بالاتر جو منتقل میکنند.
در مرحله بعد، انتشار گازها از بزرگترین میدان نفتی آمریکای شمالی، ترکیب شیمیایی جو محلی را بهطور قابل اندازهگیری تغییر میدهد.
در نهایت، ترکیب این دو عامل، حلقههای بازخوردی ایجاد میکند که موجب نازکتر شدن سریعتر یخ دریا و تشدید گرمایش منطقهای میشود.
ردیابی ابرها، هالوژنها و آئروسلها
این پژوهش بخشی از پروژهای با نام CHACHA است؛ مخفف عبارت CHemistry in the Arctic: Clouds, Halogens, and Aerosols. این ابتکار چندنهادی با هدف درک نحوه اختلاط هوای نزدیک به سطح زمین با لایههای بالاتر جو و واکنشهای زنجیرهای میان اسپری دریایی، ابرهای کمارتفاع و آلودگی طراحی شده است.
تیم تحقیقاتی بین ۲۱ فوریه تا ۱۶ آوریل ۲۰۲۲، همزمان با بازگشت خورشید پس از شب طولانی قطبی، در شهر «اوتکیاگویک» آلاسکا مستقر بود.
این زمانبندی اهمیت زیادی دارد، زیرا با بازگشت نور خورشید، تابش فرابنفش بهطور ناگهانی افزایش مییابد و واکنشهای شیمیایی در سطح زمین و لایههای پایینی جو وارد مرحلهای فعال میشوند.
به گفته خوزه دی. فوئنتس، سرپرست پروژه، این کارزار فرصتی بیسابقه برای بررسی تغییرات شیمیایی در لایه مرزی جو و درک تأثیر فعالیتهای انسانی بر اقلیم این منطقه حیاتی فراهم کرده است.
مشاهده تکامل عمودی شیمی جو
مسیر پرواز هواپیماها بر فراز دریای بوفورت، دریای چوکچی و توندراهای پوشیده از برف طراحی شده بود. آنها هوا را بالای یخهای یکپارچه، سطوح تازه منجمد شده و نوارهای آب آزاد که در اثر شکستن یخ ایجاد شده بودند، نمونهبرداری کردند.
همچنین پروازهای مکرر بر فراز میدانهای نفت و گاز «پرودهو بی» انجام شد تا انتشار گازها و تحول آنها در مسیر باد بررسی شود.
ترکیب دادههای هوایی با اندازهگیریهای زمینی به پژوهشگران امکان داد تحول عمودی شیمی جو را مشاهده کنند؛ موضوعی کلیدی برای درک اینکه چگونه فرآیندهای سطحی، بذر تشکیل ابرها را میکارند و آلایندهها را به ارتفاعات بالاتر منتقل میکنند.
یک حلقه بازخورد تقویتکننده
بزرگترین شگفتی در محیط اقیانوسی، قدرت بالای شکافهای یخی بود. حتی بازشدگیهایی به عرض چند متر، هوای گرم و مرطوب را به سمت بالا پمپاژ کرده و ستونهای همرفتی ایجاد میکردند که بهسرعت به تشکیل ابرهای کمارتفاع منجر میشد.
همراه با این جریانها، مولکولهای هالوژن، ذرات آئروسل و بخار آب نیز به بالا منتقل میشوند؛ عناصری که گرما را به دام میاندازند، بازتابندگی ابرها را تغییر میدهند و شیمی جو را دگرگون میکنند.
این اختلاط عمودی، انتقال گرما و رطوبت از اقیانوس به جو را افزایش میدهد. نتیجه آن، تضعیف یخهای اطراف و ایجاد شکافهای بیشتر است.
این یک حلقه خودتقویتشونده است: شکافهای بیشتر باعث همرفت قویتر و افزایش پوشش ابری میشوند. این شرایط، تبادل گرمایی بیشتری ایجاد کرده و در نهایت به شکلگیری شکافهای جدید میانجامد.
در منطقهای که سرعت گرمشدن آن حدود چهار برابر میانگین جهانی است، چنین بازخورد مثبتی زنگ خطری جدی محسوب میشود.
برف شور و شیمی قطب شمال
در خشکی، تیم تحقیقاتی حلقه بازخورد دیگری را در برفهای ساحلی شور مشاهده کرد. با بازگشت نور خورشید، شیمی هالوژنی بهویژه واکنشهای مرتبط با برم، در سطح برف فعال شد.
گونههای برم آزادشده، ازن موجود در لایه مرزی کمارتفاع را تجزیه کردند؛ گازی که بهطور معمول بخشی از انرژی خورشیدی ورودی را جذب میکند.
با کاهش ازن، نور خورشید بیشتری به سطح میرسد. این موضوع باعث گرمشدن برف و تسریع همان واکنشهایی میشود که برم را آزاد کرده بودند.
اگرچه این پدیده بهطور خاص در مناطق قطبی رخ میدهد، اما پیامدهای آن فراتر میرود؛ از افزایش هالوژنهای واکنشپذیر گرفته تا تغییر ظرفیت اکسیدکنندگی جو و نحوه انتقال آلایندهها.
ردپای شیمیایی میدانهای نفتی
بر فراز مجموعه پرودهو بی، هواپیماها بارها ستونهای گازی را رهگیری کردند که باعث اسیدیشدن توده هوای محلی و تولید ترکیبات مضر و مهدود میشدند.
هالوژنها با این ستونها واکنش داده و رادیکالهای بسیار فعالی ایجاد کردند. این رادیکالها سپس به گونههای پایدارتری تبدیل شدند که میتوانند مسافتهای طولانی را طی کنند و ردپای شیمیایی میدانهای نفتی را فراتر از محل استخراج گسترش دهند.
در برخی موارد، غلظت دیاکسید نیتروژن به ۶۰ تا ۷۰ قسمت در میلیارد رسید؛ سطحی قابل مقایسه با هوای آلوده یک کلانشهر در روزهای ناسالم.
این تضاد با تصور رایج از هوای پاک قطب شمال قابل توجه است، زیرا اکسیدانها و اسیدیته، سرعت فرآیندهایی مانند تشکیل ذرات معلق، ایجاد مه و ماندگاری گازهای گلخانهای را تعیین میکنند.
چگونه همه اجزا به هم متصل میشوند
با کنار هم گذاشتن یافتههای اقیانوس و خشکی، تصویری منسجم شکل میگیرد. شکافهای یخی، گرما و رطوبت را تهویه میکنند، بذر ابرها را میپاشند و هالوژنها و آئروسلها را به لایههای بالاتر میبرند.
برفهای ساحلی، که با نور خورشید فعال شدهاند، برم تولید میکنند. این برم، ازن را کاهش داده و اجازه میدهد نور بیشتری وارد سامانه شود.
انتشار گاز از میدانهای نفتی، پیشمادههایی فراهم میکند که با هالوژنها واکنش داده و رادیکالها و محصولات بادوام ایجاد میکنند.
هر یک از این اجزا، سامانه را به سمت اختلاط بیشتر، ابرناکی بالاتر، واکنشپذیری شیمیایی قویتر و در نهایت یخهای نازکتر و شکنندهتر سوق میدهد.
این همان کالبدشناسی یک بازخورد قطبی است: شکافهای فیزیکی در یخ، شیمی جو را بازنویسی میکنند. شیمی، ابرها و تابش را تغییر میدهد. ابرها و تابش نیز دوباره بر یخ اثر میگذارند.
فراتر از شیب شمالی آلاسکا
این یافتهها تنها کنجکاویهای محلی نیستند. بسیاری از مدلهای جهانی اقلیم و کیفیت هوا، ویژگیهای کوچکمقیاس مانند شکافهای یخی یا شیمی هالوژنی را نادیده میگیرند یا اهمیت آنها را دستکم میگیرند؛ بهویژه زمانی که با ستونهای صنعتی درهمتنیده میشوند.
نادیده گرفتن این جزئیات به معنای از دست دادن درک صحیح از سرعت تغییر رژیمهای اقلیمی در قطب شمال است؛ تغییراتی که باعث ذوب سریعتر یخ، بهدامافتادن گرمای بیشتر و انتقال آلودگی به فواصل دورتر میشوند.
بازنمایی دقیقتر این فرآیندها، پیشبینیهای مربوط به کاهش یخ دریا، تقویت گرمایش قطبی و حتی الگوهای آبوهوایی عرضهای میانی را بهبود میدهد.
گام بعدی چیست
تیم CHACHA اکنون دادههای بهدستآمده را برای استفاده در مدلهای اقلیمی آماده میکند تا بررسی شود چگونه طوفانها، تراکم شکافهای یخی و دورههای انتشار آلایندهها، این سامانه را به نقاط بحرانی سوق میدهند.
آنها همچنین در حال بررسی این موضوع هستند که چرا ستونهای مهدود در این محیط بهظاهر «بکر» میتوانند با شهرهایی مانند لسآنجلس رقابت کنند و این شیمی تا چه فاصلهای تحت الگوهای مختلف باد گسترش مییابد.
هدف نهایی، تبدیل ساعتهای پرواز پرهزینه در قطب شمال به فیزیک و شیمی دقیقتری در مدلهایی است که مبنای سیاستگذاری و برنامهریزی قرار میگیرند.
شیمی دیگر یک عامل حاشیهای نیست
در قطب شمال جدید، شیمی پسزمینهای ساکت نیست. شکافهای یخ، برف شور زیر آفتاب تازهطلوعکرده و ستونهای صنعتی، تنها در یک هوا تنفس نمیکنند؛ آنها بهطور فعال با یکدیگر تعامل دارند و منطقه را گرمتر کرده، یخهای آن را فرسودهتر میکنند.
درک این تعاملات و بازنمایی آنها در مدلها، شرط لازم برای همگامسازی پیشبینیها با واقعیتهای نوظهور در بالاترین عرضهای جغرافیایی زمین است.
این مطالعه در نشریه علمی Bulletin of the American Meteorological Society منتشر شده است.
اگر به موضوع تغییرات اقلیمی علاقهمند هستید، مقالههای مرتبط با گرمایش قطب شمال را مطالعه کنید، نظر خود را بنویسید و این مطلب را به اشتراک بگذارید.
