اثر انگشت پنهان تغییرات آبوهوایی: آزمایشی ذهنی، حقیقتی تکاندهنده را فاش کرد!
تغییرات آبوهوایی، پدیدهای که امروزه اثرات آن را در سراسر جهان شاهد هستیم، موضوعی است که ذهن بسیاری از دانشمندان و محققان را به خود مشغول کرده است. سوال مهم این است: چه زمانی بشر توانست برای اولین بار، فراتر از هر شک و شبههای، متوجه شود که سوزاندن سوختهای فسیلی و تغییر کاربری اراضی، آبوهوای کره زمین را دگرگون میکند؟ یک آزمایش ذهنی جدید، پاسخی شگفتانگیز به این پرسش میدهد و نشان میدهد که ردپای تغییرات آبوهوایی بسیار زودتر از آنچه تصور میشد، در اتمسفر زمین قابل مشاهده بوده است.
این مقاله، به بررسی این آزمایش ذهنی و نتایج حاصل از آن میپردازد و اهمیت تداوم پایش بلندمدت آبوهوای زمین را به خوبی نشان میدهد. یافتههای این تحقیق، میتواند نقطه عطفی در درک ما از تغییرات آبوهوایی و لزوم اقدام فوری برای مقابله با آن باشد.
آزمایش ذهنی: نگاهی به گذشته برای درک آینده
فیزیکدانان به آزمایشهای ذهنی (Gedankenexperimente) علاقه زیادی دارند. این نوع آزمایشها، معمولاً در دنیای واقعی قابل اجرا نیستند یا اجرای آنها بسیار دشوار است. گربه شرودینگر، نمونهای مشهور از یک آزمایش ذهنی است که برای نشان دادن پیچیدگیهای مکانیک کوانتومی به کار میرود. این مسئله، ذهن برخی از بهترین و درخشانترین فیزیکدانان اوایل قرن بیستم را به خود مشغول کرده بود.
به تازگی، محققان با الهام از این رویکرد، آزمایش ذهنی مشابهی را در مورد تغییرات آبوهوایی انجام دادهاند. با در نظر گرفتن شبکه امروزی ماهوارهها و حسگرهای دما، سوال این است که چه زمانی دانشمندان میتوانستند برای اولین بار، با قاطعیت دریابند که افزایش دیاکسید کربن (CO2) ناشی از سوزاندن سوختهای فسیلی و تغییر کاربری اراضی، آبوهوای جهانی را تغییر میدهد؟ نتایج این آزمایش ذهنی ممکن است شما را شگفتزده کند و به درک بهتر اهمیت پایش بلندمدت آبوهوای زمین کمک کند.
شبیهسازی تغییرات آبوهوایی با مدلهای پیشرفته
این آزمایش ذهنی، از شبیهسازیهای تغییرات آبوهوایی تاریخی با استفاده از 9 مدل کامپیوتری پیشرفته استفاده کرد. محققان، سه فرضیه کلیدی را در نظر گرفتند:
- دسترسی به فناوری پایش جهانی در سال 1860: فرض بر این بود که دانشمندان در سال 1860، فناوری لازم برای پایش تغییرات دمای جهانی را در هر دو لایه تروپوسفر (لایه جوی از سطح زمین تا ارتفاع حدود 15 کیلومتری) و استراتوسفر (از حدود 15 تا 50 کیلومتری) در اختیار داشتند. در حالی که در واقعیت، پایش جهانی تا دهه 1940 و با استفاده از شبکههای اولیه بالنهای هواشناسی آغاز نشد. پایش دمای اتمسفر جهانی با استفاده از ماهوارهها نیز از اواخر دهه 1970 شروع شد.
- برآوردهای دقیق عوامل انسانی و طبیعی: فرض بر این بود که شبیهسازیهای مدل، از برآوردهای قابل اعتماد تغییرات ناشی از فعالیتهای انسانی در گازهای گلخانهای، آلودگی ذرات معلق و تغییر کاربری اراضی، و همچنین برآوردهای دقیق تغییرات طبیعی در عوامل خارجی مانند فعالیتهای آتشفشانی و انرژی خورشید در طول دوره 1860 تا 2024 استفاده میکنند. تمام این دادهها، عمدتاً از اطلاعات رصدی به دست آمدهاند.
- پاسخهای واقعی مدل به عوامل انسانی و طبیعی: فرض بر این بود که پاسخهای شبیهسازیشده مدل به عوامل انسانی و طبیعی، واقعگرایانه هستند و میزان “نویز آبوهوایی” مدلسازیشده مرتبط با پدیدههای طبیعی مانند النینو و لا نینا، با مشاهدات سازگاری منطقی دارد. محققان، این فرضیه را با مقایسه تغییرات و نوسانات آبوهوایی مدلسازیشده و مشاهدهشده آزمایش کردند و هیچ مدرکی مبنی بر خطاهای مدل که نتایج اصلی را نقض کند، نیافتند.
الهام از کار پیشگامانه سوکورو مانابه
این تحقیق، با الهام از کار سوکورو (“سوکی”) مانابه انجام شد. مانابه، که بعدها در سال 2021 برنده جایزه نوبل فیزیک شد، در سال 1967 یکی از مشهورترین مقالات در علم آبوهوا را منتشر کرد. مانابه به همراه همکارش ریچارد وترلد در آزمایشگاه دینامیک سیالات ژئوفیزیکی NOAA (GFDL) در پرینستون، نیوجرسی، با استفاده از یک مدل آبوهوایی ساده نشان داد که افزایش سطح CO2 در اتمسفر، منجر به محبوس شدن بیشتر گرما در تروپوسفر میشود. نتیجه این امر، گرم شدن تروپوسفر و سرد شدن استراتوسفر بود. گرم شدن تروپوسفر، به دلایل واضح (محل زندگی انسانها)، توجه بیشتری را به خود جلب کرده است، اما سرد شدن استراتوسفر در این آزمایش ذهنی، نقش ویژهای ایفا میکند.
مقاله مانابه و وترلد در سال 1967، پیشبینی قابل آزمایشی را مطرح کرد: اگر انسانها به سوزاندن سوختهای فسیلی و افزایش سطح CO2 در اتمسفر ادامه دهند، ساختار عمودی دمای اتمسفر نه تنها در تروپوسفر، بلکه در استراتوسفر نیز تغییر خواهد کرد. اما در سال 1967، دانشمندان فاقد سوابق بلندمدت لازم برای آزمایش این پیشبینی، به ویژه برای استراتوسفر میانی تا بالایی (بین تقریباً 25 تا 50 کیلومتری بالای سطح زمین) بودند.
دههها پس از سال 1967، سوابق دمایی به دست آمده از بالنهای هواشناسی و ماهوارهها نشان داد که مانابه و وترلد درست میگفتند. الگوی پیشبینیشده آنها از تغییر در ساختار حرارتی اتمسفر قابل مشاهده بود. نکته مهم این است که این الگوی تأثیر انسان (نشان دادن گرمایش طولانیمدت و در مقیاس جهانی تروپوسفر و سرد شدن استراتوسفر) را نمیتوان با الگوهای طبیعی تغییرات دما اشتباه گرفت. “اثر انگشت” انسان بر دمای اتمسفر، به طور مشخص با اثر انگشت دمایی ناشی از خورشید، آتشفشانها و نویز داخلی آبوهوا متفاوت بود. هنگامی که دانشمندان علوم آبوهوایی میگویند که میدانیم انسانها باعث تغییرات آبوهوایی میشوند، این اثر انگشت یکی از دلایل اصلی این ادعا است.
چه زمانی میتوانستیم بدانیم؟
این یافتهها، ما را به آزمایش ذهنی “چه زمانی میتوانستیم بدانیم؟” بازمیگرداند. اگرچه سوال ساده است، اما پاسخ آن چندان بدیهی نیست. 40 سال اول این آزمایش ذهنی (از 1860 تا 1899) زمانی بود که سوزاندن سوختهای فسیلی و جنگلزدایی در مقیاس بزرگ، تازه در طول انقلاب صنعتی شروع به افزایش کرده بود. افزایش دیاکسید کربن در اتمسفر در این دوره، که میتوان آن را از مغزههای یخی قطب جنوب تخمین زد، تنها 10 قسمت در میلیون بود. این مقدار، در مقایسه با افزایش اخیر CO2 به میزان تقریباً 54 قسمت در میلیون در طول 25 سال از 2000 تا 2024، بسیار ناچیز است. با این وجود، همین افزایش اندک 10 قسمت در میلیون CO2 در اوایل دوره، به اندازه کافی بزرگ بود که منجر به خنک شدن قابل توجه استراتوسفر در طول سالهای 1860 تا 1899 شود. اندازه و الگوی این خنک شدن استراتوسفر، با آنچه از نیروهای طبیعی مؤثر بر دما انتظار میرود (مانند تغییرات خورشیدی در آن زمان، فوران کراکاتوآ در سال 1883 و نویز داخلی آبوهوا) بسیار متفاوت است.
به دلیل این تفاوتها بین سیگنال و نویز، آزمایش ذهنی نشان میدهد که حتی سیگنال نسبتاً کوچک ناشی از فعالیتهای انسانی در خنک شدن استراتوسفر، میتوانست در سال 1885 شناسایی شود. به عبارت دیگر، با در نظر گرفتن قابلیتهای اندازهگیری امروزی، انسانها میتوانستند بدانند که اقدامات آنها به طور قابل توجهی آبوهوای جهانی را تغییر میدهد، حتی قبل از اینکه کارل بنز اولین خودروی بنزینی را به ثبت برساند. سیگنال ناشی از فعالیتهای انسانی در گرم شدن تروپوسفر، بعداً در نیمه دوم قرن بیستم ظاهر میشود، که تا حدی به این دلیل است که الگوهای انسانی و طبیعی تغییرات آبوهوایی در تروپوسفر شباهت بیشتری به استراتوسفر دارند.
دانش زودهنگام، آیا تغییری ایجاد میکرد؟
آیا این دانش زودهنگام، تفاوتی ایجاد میکرد؟ آیا بشر با درک اینکه سوزاندن سوختهای فسیلی در نهایت منجر به تغییرات بزرگ و در مقیاس جهانی در آبوهوا میشود، مسیر متفاوتی را در استفاده از انرژی دنبال میکرد؟ این سوال، خارج از حوزه تخصص دانشمندان علوم آبوهوایی است و به فیلسوفان، دانشمندان علوم اجتماعی و مورخان علم مربوط میشود. اما به نظر محققان، بر اساس تاریخچه سایر مشکلات زیستمحیطی جهانی، کاملاً قابل تصور است که آگاهی زودهنگام از واقعیت و جدیت تغییرات آبوهوایی، میتوانست اقدام جهانی زودتری را برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای تحریک کند.
شایان ذکر است که شناسایی “اثر انگشت” اتمسفری پیشبینیشده توسط مانابه و وترلد، با استفاده از سنجش از دور ماهوارهای NOAA و NASA امکانپذیر شد. کار این سازمانها، بخش اساسی از تحقیقات و تلاشهای ملی و بینالمللی در زمینه علوم آبوهوایی است.
اما در ایالات متحده در سال 2025، علم آبوهوایی با بودجه فدرال، از جمله کار رصد و مدلسازی، به طور سیستماتیک در حال برچیده شدن است. این یک آزمایش ذهنی نیست، بلکه واقعیتی تلخ است. محققان، اکنون شاهد آن هستند که وقتی دههها تلاش برای درک ماهیت و علل تغییرات آبوهوایی رد میشوند و جای خود را به ایدئولوژی، تئوریهای توطئه و اطلاعات نادرست میدهند، چه اتفاقی میافتد. توقف کار در زمینه آبوهوا، منجر به یک خلاء اطلاعاتی میشود که میتواند سالها یا حتی دههها به طول انجامد. این آزمایش در نادانی خودخواسته، تنها میتواند پایانی ناگوار داشته باشد.
این مقاله، یک مقاله نظر و تحلیل است و دیدگاههای بیانشده توسط نویسنده یا نویسندگان، صرفاً دیدگاههای خودشان است و نه لزوماً دیدگاههای هر سازمانی که با آن وابسته هستند یا لزوماً دیدگاههای Scientific American.
نویسندگان: بن سانتر، سوزان سولومون، دیوید دبلیو. جی. تامپسون و کیانگ فو