نموذج المناخ

في الشتاء، تتساقط في أحد أحياء المدينة ثلاثة أضعاف كمية الثلوج التي تتساقط في الحي المجاور. سنة حارة، وأخرى باردة. هذه نزوات الطقس — تقلبات قصيرة الأجل وفوضوية في الغلاف الجوي. ولكن على مدى عقود، نرى تحولًا آخر بطيئًا: فصول الشتاء تصبح أكثر اعتدالًا في المتوسط. التمييز بين الاثنين هو المهمة الرئيسية لعلماء المناخ.

اعتاد خبراء الأرصاد الجوية على الثقة بالشبكات العصبية: نموذج GraphCast يتنبأ بالطقس الأرضي لأيام مقدمًا، بالاعتماد على صور عالمية للغلاف الجوي. لكن يمكن نقل هذا «الدماغ» إلى كوكب آخر — حيث الهواء رقيق والشمس تدفئ بشكل مختلف. أخذ مؤلفو الدراسة GraphCast وقدموا له بيانات من قاعدة المناخ المريخي — وهي نوع من التوأم الافتراضي للكوكب الأحمر، مبني على سنوات طويلة من الملاحظات.

لعقود، كانت نماذج الغلاف الجوي العالمية أشبه بفنانين يضطرون لرسم عواصف الكوكب بضربات فرشاة خشنة: كانت الدقة بين 25 و100 كيلومتر تجبرهم على 'تخمين' الحمل الحراري عبر مخططات تقريبية، مما يؤدي إلى أخطاء منهجية في توقعات هطول الأمطار والمناخ.

يحاول المترجم في القاعة نقل كلام المتحدث، لكن القاعة صاخبة: أحدهم يسعل، والكراسي تصدر صريراً، وخارج النافذة يضج الشارع. إذا خفض المتحدث صوته، يستمر المترجم في الترجمة لكن صوته يغرق في الضجيج. هكذا هي ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي: إنه "يترجم" انبعاثاتنا من الغاز إلى زيادة في تركيزه، لكن هذه الإشارة تطغى عليها تنفس الغابات والمحيطات وتقلبات المناخ العالمية.

في كل عام، يفقد البشرية عشرات الملايين من سنوات العمر بسبب الطعام الذي نأكله — نتيجة للأنظمة الغذائية غير الصحية. وفي الوقت نفسه، ينبعث ثلث جميع الغازات الدفيئة التي تدفئ الكوكب من الطريق من الحقل إلى المائدة. يبدو أن الحل واضح: التحول إلى نظام غذائي أكثر صحة — وسننقذ المناخ ونحسن صحتنا. لكن دراسة جديدة تُظهر أن هذين الهدفين لا يسيران جنبًا إلى جنب دائمًا.

في أعماق الأرض، داخل طبقات الجرانيت، تلتقط الكواشف ضيوفًا نادرين قادمين من الفضاء — الميونات. تولد هذه الجسيمات عاليًا في الغلاف الجوي عندما تصطدم الأشعة الكونية بأنوية الهواء. تساعدها سرعة هائلة قريبة من سرعة الضوء على الوصول إلى المختبر تحت الأرض.

في المحيط الأطلسي يعمل حزام ناقل عملاق غير مرئي — مياه سطحية دافئة تتدفق شمالاً، تبرد، تغوص إلى الأعماق، وتعود جنوباً. هذه الدورة، AMOC، تجر معها الحرارة، مما يجعل أوروبا أكثر اعتدالاً بشكل ملحوظ من كندا على نفس خطوط العرض. لكن الحزام الناقل ليس أبدياً: إذا تم تخفيفه بالمياه العذبة من ذوبان جليد جرينلاند، سيتوقف المحرك. وعندها لن تواجه أوروبا احتراراً، بل تبريداً حاداً — انقلاباً مناخياً.

على مدى 800 ألف عام، تتقدم العصور الجليدية بإيقاع يبلغ حوالي 100 ألف عام. هذا الإيقاع يتطابق بشكل مذهل مع التغيرات في استطالة (انحراف) مدار الأرض، وهي إحدى دورات ميلانكوفيتش. لكن المفارقة هنا: التقلبات المدارية تغير تدفق الطاقة الشمسية بشكل بالغ الضآلة، وكأن قائد الأوركسترا يحرك عصاه بالكاد بينما تنفجر الأوركسترا بالعزف المدوي.

جهاز استشعار الإشعاع في المدينة يشبه عازفًا في الشارع: يجب أن يعزف النغمات الصحيحة حتى عندما تخدر أصابعه من البرد أو تسخن آلته تحت الشمس. عادةً تُحفظ هذه الأجهزة في ظروف معتدلة — مع تدفئة أو تبريد، وإلا فإن مقياس الطاقة (الذي يميز البوتاسيوم غير الضار في الخرسانة عن السيزيوم الخطير) يبدأ في الكذب.

قد يختلف الطقس في الشارع المجاور عن طقسك: عند النهر يكون الجو أبرد، وعلى الأسفلت أكثر حرارة، وبين المباني تهب الرياح بقوة أكبر. التوقع العادي لا يرى هذا — فخليته بحجم مدينة وليس بحجم فناء. أخذ العلماء بيانات من آلاف المحطات الأرضية وصور الأقمار الصناعية للسطح وتعلموا بناء صورة الطقس الدقيقة من الصورة الكبيرة.

الخلية مدينة تعمل فيها محركات صغيرة بلا توقف. فهي تنقل البضائع، وتحرك الأهداب، وتجعل العضلات تنقبض. كل هذا العمل يطلق حرارة، تمامًا كما يسخن محرك السيارة. لكن قياس هذه الحرارة من محرك فردي بحجم بضعة نانومترات ليس بالمهمة السهلة. النمذجة العشوائية تساعدنا على النظر إلى هذا العالم.

مناخ الكوكب يشبه سريرًا قديمًا بنوابض: اضغط على أحد الأطراف فتنضغط النوابض، وأفلته فتعود وتردّ كل شيء إلى مكانه. لدى الأرض ثلاثة من هذه النوابض، وهي تعمل كفريق واحد. ثاني أكسيد الكربون يتجوى من الصخور، والغيوم تعكس ضوء الشمس، والقبعات الجليدية تبعث الحرارة إلى الفضاء. معًا، تمنع الكوكب من الغليان أو التجمد.

عندما ينفجر توهج سيني على نجم نيوتروني، ترتفع حرارة غلافه الجوي إلى ملايين الدرجات. الضوء الذي نلتقطه بالتلسكوبات يمر عبر هذه الطبقة الكثيفة من الغاز، ويتغير بشدة في طريقه. يصبح الطيف مختلفًا عن طيف الفرن المثالي: بعض الألوان تزداد قوة، وبعضها يخفت. بنى علماء من لوس ألاموس نموذجًا حاسوبيًا يكرر هذه الرحلة خطوة بخطوة.

بنى العلماء نموذجاً للأرض أزالوا منه جميع الكائنات الحية — من البكتيريا إلى الأشجار. على مدى مليارات السنين، لم يتحول هذا 'البيت الفارغ' إلى صحراء جليدية. البراكين، مثل الفرن، تطلق ثاني أكسيد الكربون، وتجوية الصخور، مثل منظم الحرارة، تمتصه. هذه العمليات تحافظ على درجة حرارة مريحة وماء سائل دون أي مساعدة من المحيط الحيوي. الخدعة الأساسية في الضوء.

لا تزداد الأنهار الجليدية ظلمةً بسبب السناج فقط. فتعيش على سطحها طحالب مجهرية، ومع الاحترار تتكاثر وتجعل الجليد داكنًا. والجليد الداكن يمتصّ ضوء الشمس أكثر، ويذوب أسرع، ويزيد من حرارة الكوكب أكثر. وهذا يشبه قميصًا أسود تحت الشمس يصبح أسخن من الأبيض. أما المشارك الثاني في الاحترار فهو الغابات. تمتص الأشجار ثاني أكسيد الكربون، لكن لها حدّ.

ظل مناخ المريخ القديم لغزاً لفترة طويلة: مجاري الأنهار الجافة تحدثت عن وجود الماء، لكن النماذج لم تستطع تفسير كيفية ظهوره هناك — فقبل 4 مليارات سنة، كانت الشمس أبهت بنسبة 30%. تظهر دراسة جديدة أن الكوكب كان يتأرجح مثل الأرجوحة بين تجمدات طويلة وحقب رطبة قصيرة. المسؤول عن هذه الأرجوحة كان غاز ثاني أكسيد الكربون.

المطر لا يهطل عشوائيًا. إذا أخذنا سجلات ما يقرب من خمسين ألف مقياس مطر موزعة حول العالم، وقارنا كمية المياه التي تسقط في يوم ممطر واحد في مناطق مختلفة من الكوكب، سنجد نمطًا مذهلًا. شكل الرسم البياني الذي يوضح مدى تكرار الأمطار الخفيفة والمتوسطة والغزيرة يكون متطابقًا في المناطق الاستوائية وخطوط العرض المعتدلة، وفي عقود مختلفة.

في عام 1992، اجتاح إعصار أندرو ولاية فلوريدا، تاركًا شركات التأمين أمام خسائر بلغت 15.5 مليار دولار. أفلست شركات كثيرة حينها، فابتكر السوق طريقة لنقل مخاطر الكوارث إلى أكتاف المستثمرين: سندات الكوارث. وهي أوراق مالية تدفع كوبونات سخية ما لم تقع كارثة متفق عليها، مثل إعصار بقوة معينة أو زلزال في منطقة محددة.

يشبه التنبؤ بالمناخ وصفة طهي معقدة: رشة خاطئة واحدة تفسد الطبق بأكمله. وكذلك الحال مع السحب، فهي مكونات صغيرة لكنها حاسمة. تقسم النماذج المناخية التقليدية الغلاف الجوي إلى خلايا بحجم 50-100 كم ولا تميز السحب الفردية. هذا يشبه رش الفلفل بحفنات عندما تتطلب الوصفة رشة دقيقة. التبسيط يبعد عن الواقع: في النماذج، يؤدي فقدان المعلومات حول السحب إلى تراكم الأخطاء في حساب انعكاس ونفاذية الإشعاع الشمسي.

أوركسترا من عازفين يعزفان وفق نوتة واحدة، لكن كل منهما يسمع سطره فقط. الغلاف الجوي والمحيط في النموذج المناخي يشبهان هذه الثنائية: يتبادلان الحرارة والرطوبة كل بضع ساعات، لكن حتى وقت قريب لم تكن نسخهما العصبية قادرة على الحفاظ على إيقاع مشترك. SamudrACE جعلهما يعزفان معًا لقرون دون نشاز.

لمدة 36 يوماً، اجتاح الإعصار المداري فريدي المحيط الهندي، وهو الأطول عمراً في تاريخ الأرصاد. تابع خبراء الأرصاد الجوية مساره عبر الأقمار الصناعية والطائرات والمحطات الأرضية. لكن تفصيلاً واحداً ظلّ بعيداً عن متناول جميع الأجهزة: الكثافة الدقيقة للهواء في قلب الإعصار. وهي التي تحدّد أين سيتجه الإعصار غداً. يتصرّف تدفّق الميونات مثل ترمومتر يقيس حرارة الجسم كله، وليس مجرد منطقة تحت الإبط.

المترجم في المفاوضات المهمة لا يترجم الكلمات بسرعة فحسب، بل يحرص على ألا يضيع المعنى. وكذلك CAMulator: فهو يأخذ نموذج المناخ المعقد CAM6 ويترجمه إلى لغة شبكة عصبية تعمل أسرع بمئات المرات، دون أن يفقد الجوهر الفيزيائي. في السابق، كانت مثل هذه «المترجمات» إما تبسّط الصورة أو تنسى قوانين الحفظ، فتنهار توقعاتها عند الحساب الطويل.

راقصان يقفان وجهاً لوجه، لكن لا يرى أحدهما ملامح الآخر. الأول هو الغلاف الجوي، سريع وصاخب، ينسى حركاته خلال أسبوعين فقط. والثاني هو المحيط، بطيء وثقيل، يتذكّر كل لمسة لأشهر. لكي يكتمل الأداء، عليهما أن يتعلّما قيادة بعضهما بالنظر إلى يدي الشريك فقط.

المترجم في المفاوضات المهمة يبدأ بمجرد تكرار الكلمات، لكنه تدريجيًا يبدأ في توقع ما سيقوله الطرف الآخر. النموذج الجديد للطقس يعمل بطريقة مشابهة: الفيزياء تمنحه الهيكل، والتعلّم الآلي يتعلم من الأخطاء ويملأ الفراغات. ونتيجة لذلك، يتنبأ بظاهرة النينيو، وهي تيار دافئ في المحيط الهادئ يغيّر الطقس في جميع أنحاء العالم، لأشهر مقدمًا.

المناخ يشبه أوركسترا بلا قائد: كل عازف يسمع الآخرين مع تأخير، والنوتة الموسيقية تتغير أثناء الحفل نفسه. المحيط والغلاف الجوي والجليد واليابسة يتبادلون الطاقة باستمرار، وأي خلل بسيط في آلة واحدة قد يتطور إلى تغيير اللحن بأكمله. النماذج المناخية التقليدية، المبنية على المعادلات الفيزيائية، أصبحت أكثر تفصيلاً، لكن تعقيدها الحسابي يتزايد، بينما يظل فهم العلاقات السببية محدوداً.