فيزياء الغلاف الجوي والمحيطات physics.ao-ph

على ساحل أرض الملكة مود تقف نواتان جليديتان، كمقياسَي زلازل على شاطئ واحد. الأولى، FK17، حُفرت على قمة ارتفاع لوكيريوغين الجليدي، والثانية، TIR18، على قمة هاماريوغين. تفصل بينهما مئة كيلومتر، لكنهما تلتقطان هزّات مناخية مختلفة. إحداهما تسمع المحيط الهادئ، والأخرى تسمع الأطلسي والهندي.

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.

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.

في صيف عام 2023، أظهرت موازين الحرارة حول العالم أرقامًا لم يتوقعها حتى أكثر التوقعات جرأة. ارتفع متوسط درجة حرارة الكوكب بمقدار 1.48 درجة مئوية فوق مستويات ما قبل الثورة الصناعية، وهذه القفزة البالغة 0.17 درجة مئوية حطمت الرقم القياسي السابق، وكأن المناخ فجأة بدّل سرعته.

يسخن المحيط الهادئ قبالة سواحل بيرو، وتضطرب خريطة الطقس المعتادة على الكوكب: جفاف هنا، وفيضانات هناك. هذا هو إل نينيو، وهو يكلف الاقتصاد العالمي تريليونات الدولارات. لطالما أتقن العلماء التنبؤ به، لكنهم الآن ولأول مرة يختبرون ما إذا كان يمكن إضعافه بينما يتطور. الفكرة تشبه وضع كمادة باردة على جبين مريض: لا نعالج الكوكب كله، بل نضع البرودة على المكان الأكثر حرارة.

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.

الفنان الذي يرسم المحيط لا يكتفي بلونين: دافئ وبارد. وهكذا فإن علماء المناخ الذين يدرسون النينيو يتحدثون بشكل متزايد عن لوحة كاملة من الدرجات. النينيو هو تيار دافئ قبالة سواحل بيرو، يغير طقس الكوكب بأكمله كل بضع سنوات. ونقيضته، النينيا، تجلب البرودة. لكن بين هذين الطرفين توجد حالات وسيطة، ولكل منها تأثير مختلف على الأمطار والجفاف.

دورة الكربون تشبه تنفس الكوكب. فالغابات والمحيطات تتنفس ثاني أكسيد الكربون، بينما تخرجه الصناعة والحرائق الطبيعية. في عام 2023، أصبح هذا الشهيق متقطعًا وقصيرًا. في محطة ماونا لوا، سجّلت الأجهزة أن تركيز ثاني أكسيد الكربون ارتفع بمقدار 3.37 جزء في المليون خلال عام واحد، أي أسرع بنسبة 86% مقارنة بالعام السابق.

مترجم في قاعة ضخمة لا يسمع جاره فحسب، بل يلتقط الهمس في الزاوية البعيدة، ومن هذه الشذرات يعيد بناء الحوار كاملًا. هكذا تعمل الشبكة العصبية CAS-Canglong: فهي تلتقط الروابط بين الضغط والرياح والحرارة عبر الكوكب، وبناءً عليها تتنبأ بحالة المحيط بعد ثلاثة أشهر. سابقًا، كانت التوقعات للمدى من أسبوعين إلى موسم نقطة ضعف في علم الأرصاد.

تتشابك التيارات المحيطية كشبكة عنكبوت لزجة: كل اضطراب يترك أثرًا لا يزول فورًا. اعتاد علماء المناخ على اعتبار الصدمات العشوائية في هذه الشبكة غير مرئية وبلا ذاكرة، لكن دراسة جديدة تُظهر أن للضوضاء ذاكرة، وأنها تقوّي الروابط بين العقد البعيدة.

تخيّل أوركسترا تعزف بلا قائد. كل مجموعة من الآلات تدخل في لحظتها: أولاً تبدأ آلات النفخ بتقديم اللحن، ثم تنضم الآلات الوترية، وأحيانًا ينفرد إيقاعي غير متوقع. هكذا هو الطقس فوق أمريكا الشمالية: الغلاف الجوي والمحيط واليابسة يتناوبون على أداء الدور الرئيسي عندما يتعلق الأمر بالتنبؤ بأنماط الطقس واسعة النطاق على مدى أسبوع إلى شهرين.

في قاعة الاجتماعات، لا يستمع المترجم إلى المتحدث فحسب، بل إلى جلبة الأصوات كلها، ملتقطًا من ينظر إلى من، ومن يصمت قبل عبارة مهمة. هكذا تقرأ SEA-ViT المحيط: فهي لا ترى نقاطًا منفردة عند العوامات، بل ترى حقل التيارات بأكمله دفعة واحدة، وكأنه محادثة واحدة للمياه.

المحيط يتنفس، وعلى أنفاسه تتأرجح الأعاصير كما على أرجوحة. خلال السبعين عامًا الماضية، عبرت مئات الأعاصير المدارية شمال المحيط الأطلسي، ولم تتصرف جميعها بنفس الطريقة. بعض العقود جلبت إلى السواحل عواصف مدمرة متتالية، بينما شهدت أخرى هدوءًا نسبيًا.

كل موسم أعاصير في الأطلسي يشبه لعبة نرد، حيث يعتمد عدد النقاط الظاهرة على ثلاث قوى مناخية كبرى: النينيو (El Niño)، وحرارة المحيط في «مهد الأعاصير»، والتذبذب الأطلسي الشمالي (North Atlantic Oscillation). هذه العوامل الثلاثة تفسر حوالي نصف التباين في عدد الأعاصير من عام إلى آخر، ولفترة طويلة بدا أنه بإضافة المزيد من البيانات أو خوارزميات أكثر دهاءً يمكن التنبؤ بدقة أكبر.

يتنفس المحيط الهادئ الاستوائي بإيقاعين. أحدهما يستمر عدة سنوات: فمياه قبالة سواحل بيرو تارة تسخن وتارة تبرد، ويسميها الصيادون بالنينيو. أما الإيقاع الثاني فهو سريع: فكل شهر إلى شهر ونصف، تولد فوق المياه الدافئة للمحيطين الهندي والهادئ موجة سحابية عملاقة تزحف شرقًا بسرعة العدّاء وتخمد عند أمريكا الجنوبية. يبدو هذان الإيقاعان وكأنهما مستقلان، لكن في الحقيقة يتكيف أحدهما مع الآخر.

تعزف الأوركسترا سيمفونية المناخ. كل كمان وكل آلة نفخية تؤدي دوره الخاص، وهذه هي أنماط كولموغوروف، الإيقاعات الطبيعية للنظام. وفجأة، يدوي صوت الرعد في القاعة: قفزة حادة، مثل هبة ريح أو هطول مطر غزير. في السابق، كنا نجيد الاستماع إلى العزف السلس فقط، لكننا لم نكن نعرف كيف نحلل هذه الأوتار. في العمل الجديد، أكمل علماء الرياضيات كتابة النوتة الموسيقية.

ملاح خبير يقود السفينة وفق خريطة مجرّبة، لكن في المياه غير المألوفة تكذب الخريطة. أما البحار الصغير الذي راقب الملاح لسنوات وهو يخطئ، فيتعلم أن يتوقع أين بالضبط ستخذل الخريطة. معًا يرسمون مسارًا أدق مما لو فعل كل منهما بمفرده. هكذا يعمل النموذج الهجين الجديد للتنبؤ بإلنينيو، وهو التيار الدافئ في المحيط الهادئ الاستوائي الذي يعيد تشكيل طقس الكوكب بأكمله كل بضع سنوات.

في الشتاء فوق نصف الكرة الشمالي، لا يتحرك الهواء بشكل عشوائي، بل يقضي عدة أيام في نفس النمط قبل أن يعيد ترتيب نفسه. هذه الأنماط تشبه غرفًا في متاهة: يدخل النظام، يبقى، ثم يجد بابًا إلى غرفة أخرى. لكل غرفة طقسها الخاص: في إحداها يكون الجو دافئًا ورطبًا فوق أوروبا، وفي أخرى يكون باردًا وصافيًا فوق سيبيريا.

المحيط الهادئ عبارة عن شبكة هائلة من النهايات العصبية التي تحذر من نوبة مرض قبل عام من حدوثها. في 2023-2024، رفعت النينيو، وهي المرحلة الدافئة من التذبذب المناخي في المحيط الهادئ، درجة الحرارة العالمية إلى مستويات قياسية. الآن، طريقتان مستقلتان، مثل طبيبين ينظران إلى الأعراض نفسها ويتفقان على الرأي: لن تكون هناك نوبة جديدة في 2025.

فوق المياه الدافئة للمحيطين الهندي والهادئ، تولد كل شهر أو شهرين موجة عملاقة من الهواء الرطب. تزحف شرقًا بسرعة مشاة، حوالي خمسة أمتار في الثانية، وتسحب خلفها نطاقات من الأمطار الغزيرة والجفاف. يسميها خبراء الأرصاد تذبذب مادن-جوليان MJO. بالنسبة للتنبؤ بالطقس لأسبوعين إلى أربعة أسابيع قادمة، هذه الموجة أهم من تعاقب الليل والنهار.

المترجم في المفاوضات يسمع فقط الكلمات التي قيلت بالفعل، لكنه مع ذلك يخمّن العبارة التالية. هكذا تعمل الطريقة الجديدة للتنبؤ بالنينيو: إنها لا تطلّ على المستقبل، بل تعتمد على الماضي فقط، مثل مستمع أمين. النينيو-التذبذب الجنوبي ENSO هو التذبذب المناخي الرئيسي بين السنوات في المحيط الهادئ الاستوائي.

في القاعة يتشاور خمسون حكيمًا، وكلٌّ ينظر إلى المحيط بطريقته الخاصة. أحدهم يصغي إلى حرارة السطح، وآخر إلى الرياح، وثالث إلى كيف تختبئ الحرارة في الأعماق. غالبًا ما تتعارض آراؤهم، لكن هناك كبيرًا يعرف من منهم أجدر بالثقة أكثر. هكذا تعمل الطريقة الجديدة للتنبؤ بالنينيو، الدورة المناخية التي تعيد تشكيل طقس الكوكب بأكمله كل بضع سنوات.

المحيط الهادئ، بعرض عشرة آلاف كيلومتر، يتنفس: المياه الدافئة تزحف شرقًا، والمياه الباردة تتراجع، ويتكرر هذا الشهيق والزفير كل بضع سنوات. النموذج الذي يصف هذا التنفس يستغرق أسابيع من الحسابات حتى على الحاسوب الفائق. لكن في دراسة حديثة، أظهر العلماء أن هذه السيمفونية بأكملها يمكن نقلها بأربع نغمات فقط.

البقعة الدافئة قبالة سواحل بيرو لا تظهر كل عام، ولكن عندما تظهر، تغمر الأمطار الصحاري بينما تشتعل الحرائق في أستراليا. هذا هو إل نينيو، وهي ظاهرة تواجه النماذج المناخية صعوبة في إعادة إنتاجها. النماذج البسيطة تحسب جيدًا مدى تكرار حدوثها، لكنها تفقد التفاصيل المكانية. النماذج المعقدة ترى الصورة ثلاثية الأبعاد، لكنها تخطئ بشكل منهجي وتتطلب موارد حاسوبية هائلة.

المترجم في قاعة الاجتماعات لا يسمع الكلمات فحسب، بل يلتقط النغمات والتوقفات والإيماءات. وبناءً على هذه الإشارات، يستشرف اتجاه الحديث. مناخ المحيط الهادئ يتحدث لغة الرياح والحرارة والتيارات، وPTSTnet يصغي إليه كترجمان فوري متمرس، مدركًا قواعد المحيط والغلاف الجوي.

المحيط الهادئ يتنفس. كل بضع سنوات، تزفر "رئته" الغربية الدافئة نحو الشرق، فتتغير الأمطار والجفاف والأعاصير من بيرو إلى إندونيسيا. هذا التنفس يسمى إل نينيو - التذبذب الجنوبي التذبذب، أو ENSO.

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.

من يوليو 2023 إلى يوليو 2024، كان الغلاف الجوي للأرض يكتسب ثاني أكسيد الكربون بمعدل 3.66 جزء في المليون سنويًا. هذا هو أسرع معدل منذ عام 1979. السبب ليس أن المصانع والسيارات بدأت فجأة في إطلاق المزيد من ثاني أكسيد الكربون. بل إن رئتي الكوكب، أي الغابات والتربة، استنشقتا أقل. يتنفس الكوكب عبر غطائه الأخضر.

تخيل بندولًا معلقًا في غرفة تعصف فيها تيارات هوائية. أحيانًا تدفعه هبّة أقوى، وأحيانًا أضعف. إذا كان البندول لا يتعرض لتثبيط يذكر، فسيتأرجح طويلًا وبانتظام. لكن إذا كان الاحتكاك كبيرًا، فإن كل دفعة تخمد بسرعة، وتصبح الحركة متقطعة: تارة تأرجح حاد، وتارة ترنح طويل. هكذا تمامًا يتصرف الجزء الاستوائي من المحيط الهادئ عندما يحل برد لانينيا محل حر النينيو.

على الأرجوحة يمكنك الجلوس والتأرجح، أو يمكنك ببساطة أن تتمايل من جانب إلى آخر. والمحيط الهادئ يفعل الأمرين معًا. فكل بضع سنوات، تحل مياه باردة محل المياه الدافئة قبالة سواحل بيرو، وتتبدل الأمطار والرياح والنظم البيئية بأكملها في نصف الكوكب. تُعرف هذه التبدلات باسم إل نينيو ولا نينيا، ويُشار إليهما معًا باسم ENSO، أرجوحة مناخ الأرض.

في مايو 2024، بدت موازين الحرارة في خاليسكو وكأنها فقدت صوابها: في إحدى المحطات، سُجلت درجة حرارة بلغت 38.4 درجة مئوية في 10 مايو، مقتربة بذلك من الرقم القياسي التاريخي المسجل عام 1994. كان الحر شديدًا لدرجة أن نباتات الأغاف المعتادة على اللهيب أبطأت نموها. أما الأمطار التي عادة ما تهطل في يونيو، فقد تأخرت، مما جعل المزارعين يرمقون السماء بقلق.

يعيش المحيط الهادئ الاستوائي على إيقاعين. الأول سريع: موجة من العواصف الرعدية تولد فوق المحيط الهندي، وتجري شرقًا وتخمد قبالة سواحل الأمريكتين في غضون شهر أو شهرين. الثاني بطيء: مرة كل بضع سنوات، ترتفع حرارة سطح المحيط لدرجة تغير الطقس في جميع أنحاء الكوكب. هذا هو النينيو. بين هذين الإيقاعين جسر، وقد استغرق بناؤه من علماء المناخ عقودًا. موجة العواصف الرعدية (MJO) تشبه هبة ريح تهز أرجوحة.

في المناطق الاستوائية من الأرض، يعمل تتابع غير مرئي: موجة من الأمطار الغزيرة والرياح، يطلق عليها خبراء الأرصاد الجوية اسم تذبذب مادن-جوليان، تجري شرقًا بسرعة حوالي خمسة أمتار في الثانية. معظم العدّائين ينفد أنفاسهم بسرعة، لكن عدّائي الماراثون النادرين يحملون الشعلة عبر المحيط الهادئ بأكمله.

مترجم تعلّم قواعد الرياح، لا مجرد قاموس. تهبّ الرياح فوق المحيط الهادئ، فيستجيب لها الماء بموجات وتيارات وصعود مياه باردة من الأعماق. لم تُدرَّب الشبكة العصبية KIST-Ocean على مجرد تذكّر شكل المحيط بالأمس، بل على فهم سبب تحوّله إلى ما سيكون عليه غدًا.

في الصيف، يمكن رؤية مشهد غريب في بحر الصين الجنوبي: فبينما ترتفع حرارة المياه في الشمال، تنخفض في الجنوب في الوقت نفسه. وبعد عام، يحدث العكس تمامًا. هذه ليست صدفة، بل أرجوحة مستقرة يحركها المحيط كل صيف. حلّل العلماء درجات الحرارة على عمق يتراوح بين 50 و150 مترًا على مدى 26 عامًا، ووجدوا النمط الرئيسي: فرق حراري بين الشمال والجنوب بحدود تقع عند خط عرض 11 درجة شمالًا تقريبًا.

في غرفة بها 80 مستشارًا، كلٌّ يصرخ برأيه، وإذا استمعت للجميع وأخذت المتوسط، فستحصل على فوضى. هكذا الحال مع توقعات النينيو: النموذج ينتج 80 سيناريو للمستقبل، لكن ليست جميعها مفيدة بنفس القدر. بعضها يخطئ أقل، وبعضها أكثر، وبعضها يتحدث عن شيء آخر تمامًا. عادةً ما يحسب المتنبئون متوسط جميع التوقعات الثمانين بأوزان حسب الدقة العامة، لكن هذا مثل إعطاء الكلمة للحكيم وللثرثار على حد سواء.

يُصدر المحيط همهمة كقاعة مكتظة: في زاوية يتجادلون حول عقود، وفي أخرى حول سنوات، وفي ثالثة حول تعاقب الفصول. سابقًا، لفصل هذه الأصوات، كان علماء المناخ يستخدمون مرشحات يضبطونها بأنفسهم: يمررون الموجات البطيئة فقط أو السريعة فقط. لكن للمحيط الهادئ قواعده الخاصة: فالبقعة الدافئة قبالة سواحل بيرو قد تكون ومضة قصيرة أو جزءًا من إعادة تنظيم طويلة. وعندما تتراكب هذه الإيقاعات، فإنها تربك أي مخطط خطي.

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.

فريق من أربعين متنبئًا جويًا يُعد تنبؤًا بظاهرة النينيو قبل عامين. يعمل كل منهم على نفس النموذج، لكن مع بيانات أولية وإعدادات مختلفة قليلًا، لذلك تتباين إجاباتهم. عادةً، تقوم مراكز التنبؤ بحساب متوسط جميع الآراء الأربعين، معتبرة أن كل عضو مفيد بنفس القدر. لكن في أي فريق، هناك لاعبون يصيبون الهدف في كثير من الأحيان، وآخرون يخطئون باستمرار.

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.