يعتبر الإشعاع الشمسي متغيرًا مهمًا في الأرصاد الجوية يعمل على معرفة كمية "الحرارة" التي سنحصل عليها من الشمس على سطح الأرض. يتم تغيير هذه الكمية من الإشعاع الشمسي بسبب تغير المناخ والاحتفاظ بغازات الدفيئة.
يمكن للإشعاع الشمسي أن يُسخّن سطح الأرض والأجسام (بما في ذلك أجسامنا) بينما لا يُسخّن الهواء إلا قليلاً. علاوة على ذلك، يُعدّ هذا المتغير بالغ الأهمية لتقييم جهودنا في مكافحة تغير المناخ. هل ترغب في معرفة المزيد عن الإشعاع الشمسي؟
يمر أشعة الشمس عبر الغلاف الجوي
عندما نكون على الشاطئ في أحد أيام الصيف الحارة، نستلقي لنستمتع بأشعة الشمس. وكلما طالت مدة بقائنا على مناشفنا، لاحظنا ارتفاع حرارة أجسامنا، حتى نضطر للسباحة أو البحث عن الظل لأننا نصاب بحروق الشمس. ما الذي يحدث هنا، إذا لم يكن الهواء حارًا جدًا؟ ما يحدث هو أن أشعة الشمس تخترق غلافنا الجوي وتسخن أجسامنا دون أن تُسخن الهواء بشكل ملحوظ.
يحدث شيء مشابه لما يحدث لنا في هذه الحالة على الأرض: فالغلاف الجوي شبه شفاف للإشعاع الشمسي، لكن سطح الأرض والأجرام الأخرى عليه تمتصّه. تُعرف الطاقة التي تنقلها الشمس إلى الأرض بالطاقة الإشعاعية أو الإشعاع. ينتقل الإشعاع عبر الفضاء على شكل موجات تحمل الطاقة. وبناءً على كمية الطاقة التي تحملها، تُصنّف هذه الموجات على طول الطيف الكهرومغناطيسي. لدينا موجات ذات طاقة عالية، مثل أشعة غاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية، بالإضافة إلى موجات ذات طاقة أقل، مثل الأشعة تحت الحمراء والموجات الميكروية وموجات الراديو.
كل الأجسام تنبعث منها إشعاع
تُصدر جميع الأجسام إشعاعًا يتناسب طرديًا مع درجة حرارتها. ويخضع هذا لقانون ستيفان-بولتزمان ، الذي ينص على أن الطاقة المنبعثة من الجسم تتناسب طرديًا مع القوة الرابعة لدرجة حرارته. ولهذا السبب، تُشع الشمس، وقطعة الخشب المشتعلة، وأجسامنا، وحتى قطعة الجليد، طاقةً باستمرار.
يدفعنا هذا إلى طرح سؤال: لماذا نستطيع "رؤية" الإشعاع المنبعث من الشمس أو قطعة خشب مشتعلة، بينما لا نستطيع رؤية الإشعاع الذي ينبعث منا، أو من سطح الأرض، أو من قطعة جليد؟ حسنًا، يعتمد هذا بشكل كبير على درجة حرارة كل جسم ، وبالتالي، على كمية الطاقة التي ينبعث منها. فكلما ارتفعت درجة حرارة الجسم، زادت كمية الطاقة التي ينبعث منها في موجاته، ولهذا السبب يصبح أكثر وضوحًا.
تبلغ درجة حرارة الشمس 6.000 كلفن، وتُصدر إشعاعًا يقع معظمه ضمن الطيف المرئي (المعروف عادةً بموجات الضوء). كما تُصدر أشعة فوق بنفسجية (ذات طاقة أكبر، ولذلك تُسبب حروقًا جلدية عند التعرض لها لفترات طويلة)، أما الباقي فهو أشعة تحت حمراء، غير مرئية للعين البشرية. لهذا السبب لا نستطيع إدراك الإشعاع المنبعث من أجسامنا. تبلغ درجة حرارة جسم الإنسان حوالي 37 درجة مئوية، والإشعاع الذي يُصدره يقع معظمه ضمن نطاق الأشعة تحت الحمراء.
كيف يعمل الإشعاع الشمسي
إن معرفة أن الأجسام تُصدر إشعاعًا وطاقة باستمرار قد يثير تساؤلًا آخر: لماذا لا تبرد الأجسام تدريجيًا إذا كانت تُصدر طاقة وإشعاعًا؟ الإجابة بسيطة: إنها تمتص الطاقة أيضًا. هناك قانون آخر، هو قانون التوازن الإشعاعي، الذي ينص على أن الجسم يُصدر نفس كمية الطاقة التي يمتصها. وهذا هو السبب في قدرة الأجسام على الحفاظ على درجة حرارة ثابتة.
وهكذا، في نظام الأرض والغلاف الجوي، تحدث سلسلة من العمليات التي يتم خلالها امتصاص الطاقة وانبعاثها وانعكاسها، بحيث يكون التوازن النهائي بين الإشعاع الشمسي الواصل إلى أعلى الغلاف الجوي والإشعاع المتسرب إلى الفضاء الخارجي صفرًا. وهذا يعني أن متوسط درجة الحرارة السنوية يبقى ثابتًا. عندما يدخل الإشعاع الشمسي إلى الأرض، يمتص سطح الأرض معظمه. أما السحب والهواء فيمتصان جزءًا ضئيلاً جدًا من الإشعاع الساقط. وينعكس باقي الإشعاع من السطح والغازات والسحب، ويعود إلى الفضاء الخارجي.
تُعرف كمية الإشعاع المنعكس من جسم ما نسبةً إلى الإشعاع الساقط عليه باسم "البياض". لذا، يمكننا القول إن متوسط بياض نظام الأرض والغلاف الجوي يبلغ 30%. أما الثلج المتساقط حديثًا أو بعض السحب الركامية ذات التطور الرأسي الملحوظ، فيبلغ بياضها حوالي 90%، بينما يبلغ بياض الصحاري حوالي 25%، والمحيطات حوالي 10% (حيث تمتص معظم الإشعاع الذي يصل إليها).
كيف نقيس الإشعاع؟
لقياس الإشعاع الشمسي الذي نتلقاه عند نقطة معينة، نستخدم جهازًا يُسمى مقياس الإشعاع الشمسي (البيرانومتر). يتكون هذا الجهاز من مستشعر مُغلّف بنصف كرة شفافة تنقل جميع الإشعاعات ذات الأطوال الموجية القصيرة جدًا. يحتوي هذا المستشعر على أجزاء بيضاء وسوداء متناوبة تمتص الإشعاع بشكل مختلف. تتم معايرة تباين درجة الحرارة بين هذه الأجزاء وفقًا لتدفق الإشعاع (المقاس بالواط لكل متر مربع).
يمكن أيضًا الحصول على تقدير لكمية الإشعاع الشمسي التي نتلقاها عن طريق قياس عدد ساعات سطوع الشمس لدينا. للقيام بذلك ، نستخدم أداة تسمى الرسم الهليوغرافي. يتكون هذا من كرة زجاجية موجهة نحو الجنوب الجغرافي ، تعمل كعدسة مكبرة كبيرة ، تركز كل الإشعاع المتلقاة في نقطة متوهجة تحرق شريطًا ورقيًا خاصًا متدرجًا مع ساعات اليوم.
الإشعاع الشمسي وزيادة تأثير الاحتباس الحراري
ذكرنا سابقًا أن كمية الإشعاع الشمسي الداخلة إلى الأرض والخارجة منها متساوية. هذا ليس صحيحًا تمامًا، لأنه لو كان كذلك، لكان متوسط درجة حرارة كوكبنا -88 درجة مئوية. نحتاج إلى آلية تساعدنا على الاحتفاظ بالحرارة للحفاظ على درجة حرارة مريحة ومناسبة للحياة على الأرض. وهنا يأتي دور ظاهرة الاحتباس الحراري. فعندما يصطدم الإشعاع الشمسي بسطح الأرض، ينعكس ما يقارب نصفه إلى الغلاف الجوي قبل أن يُطرد إلى الفضاء الخارجي. وقد ناقشنا كيف تمتص السحب والهواء ومكونات الغلاف الجوي الأخرى جزءًا صغيرًا من الإشعاع الشمسي. مع ذلك، فإن هذه الكمية الممتصة لا تكفي للحفاظ على درجة حرارة مستقرة تجعل كوكبنا صالحًا للسكن. فكيف لنا أن نعيش في ظل هذه الدرجات الحرارة؟
الغازات الدفيئة هي تلك الغازات التي تحبس جزءًا من الحرارة المنبعثة من سطح الأرض، مانعةً إياها من التسرب إلى الغلاف الجوي. ومن أمثلة هذه الغازات بخار الماء، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، وأكاسيد النيتروجين، وأكاسيد الكبريت، والميثان. ولكل غاز دفيئة قدرة مختلفة على امتصاص الإشعاع الشمسي. فكلما زادت قدرته على امتصاص الإشعاع، زادت كمية الحرارة التي يحتفظ بها ويمنعها من التسرب إلى الفضاء.
على مر التاريخ البشري، ازداد تركيز غازات الاحتباس الحراري (وخاصة ثاني أكسيد الكربون) بشكل مطرد. ويعود هذا الارتفاع الكبير إلى حد كبير إلى الثورة الصناعية وحرق الوقود الأحفوري في الصناعة وإنتاج الطاقة والنقل . ينتج عن حرق الوقود الأحفوري، كالنفط والفحم، انبعاثات من ثاني أكسيد الكربون والميثان. وتؤدي هذه الانبعاثات المتزايدة إلى حبس كمية كبيرة من الإشعاع الشمسي، مما يمنعه من التسرب إلى الفضاء.
يُعرف هذا بظاهرة الاحتباس الحراري. إلا أن تفاقم هذه الظاهرة، التي نسميها الاحتباس الحراري، يأتي بنتائج عكسية ، إذ يؤدي إلى ارتفاع متوسط درجات الحرارة العالمية بشكل متزايد. فكلما زاد تركيز هذه الغازات الماصة للإشعاع في الغلاف الجوي، زادت كمية الحرارة التي تحتفظ بها، وبالتالي ارتفعت درجات الحرارة.
الإشعاع الشمسي وتغير المناخ
الاحتباس الحراري معروف في جميع أنحاء العالم. تسبب هذه الزيادة في درجات الحرارة بسبب الاحتفاظ الكبير بالإشعاع الشمسي تغيرًا في المناخ العالمي. لا يعني ذلك فقط أن متوسط درجات حرارة الكوكب سيرتفع ، بل يعني أيضًا أن المناخ وكل ما يستتبعه سيتغير.
تؤدي درجات الحرارة المتزايدة إلى عدم استقرار التيارات الهوائية، والكتل المحيطية، وتوزيع الأنواع، وتعاقب الفصول، وزيادة في الظواهر الجوية المتطرفة (مثل الجفاف والفيضانات والأعاصير وغيرها) . لذلك، لاستعادة توازننا الإشعاعي بشكل مستقر، يجب علينا خفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري واستعادة مناخنا.
