إن الإشعاع الشمسي هو مصدر طاقة النظام المناخي. ويقع حوالي نصف الإشعاع في مجال الأشعة المرئية والأشعة القصيرة من الحقل الكهرطيسي. أما النصف الثاني فيقع في مجال الموجة تحت الحمراء الأطول. ويقع جزء بسيط منه في مجال الأشعة فوق البنفسجية. ويتلقى كل 1م2 من الأرض بحدود 342 وات من أشعة الشمس بشكل وسطي. وينعكس 31% منها بواسطة الغيوم والغلاف الجوي وسطح الأرض. أما الباقي ومقداره 235وات/ م2، فيسخن الغلاف الجوي كما يسخن معظمه البالغ بحدود 168وات/م2 الأرض. ويعيد سطح الأرض الحرارة إلى الجو عن طريق إصداره للأشعة تحت الحمراء، إما بالحرارة المحسوسة، أو بتبخير الماء الذي يتكاثف فيه.

ويحافظ هذا التبادل الحراري بين الأرض والجو على درجة حرارة بحدود 14م° قرب سطح الأرض، حيث تتناقص هذه الدرجة مع الارتفاع في الجو لتصبح -58 م° عند نهاية طبقة التربوسفير. ومن أجل الحصول على مناخ مستقر هناك حاجة إلى وجود توازن بين الأشعة الداخلة والخارجة. ولذا يجب على الأرض أن تصدر 235 وات / م2 إلى الفضاء. ويشع أي جسم ضمن موجة تعتمد على درجة حرارته. فعند درجات حرارة أعلى، يشع الجسم الطاقة عند موجة أقصر. وكي تشع الأرض 235 وات / م2، يجب أن تقوم بذلك عند درجة حرارة تعادل - 19 م° بموجة تقع في مجال الأشعة تحت الحمراء. وهذه أقل بـ 23م° من درجة حرارة الأرض المتوسطة والبالغة 14م⁽¹⁾

الاحتباس الحراري الطبيعي:

يحتوي الجو على عدد من الغازات التي تمتص الإشعاع وتصدره. وتمتص هذه الغازات الأشعة الحرارية أو تحت الحمراء من الأرض ومن الجو والسحب، ما عدا جزء شفاف يدعى (نافذة الجو). وتقوم هذه الغازات بإصدار الأشعة تحت الحمراء في كل الاتجاهات بما فيها إلى الأسفل نحو سطح الأرض. ولذا فإن هذه الغازات تحبس الحرارة بآلية تعرف بـ (الاحتباس الحراري الطبيعي). وتمتص السحب الأشعة تحت الحمراء وتصدرها، ولذا فهي تعمل كغاز دفيئة. ومن جهة أخرى تقوم هذه السحب بعكس الإشعاع الشمسي الساقط عليها. ونتيجة لهذين التأثيرين المتعاكسين، فإن محصلة تأثيرها، هو تبريد بسيط. غير أن هذا الأمر يختلف كثيرا" بحسب الظروف، ويعتمد على ارتفاع السحب وعلى كثافتها الضوئية.

إذا كان هناك توازن في المناخ، فإن محصلة الإشعاع في أعلى الغلاف الجوي تساوي الصفر. ويؤدي أي تغير في الإشعاع الشمسي، أو في الأشعة تحت الحمراء إلى تغيير هذه المحصلة.

ويدعى عدم التوازن بـ (الدفع الإشعاعي). وعملياً فإن أعلى الغلاف الجوي هنا، هو أعلى طبقة التربوسفير، وذلك لأن طبقة الستراتوسفير تتعدل على مدى أشهر حتى تغير في التوازن الحراري، بينما يتوازن التربوسفير مع سطح الأرض ببطء أكثر، بسبب عطالة المحيطات الكبيرة. وقد تختلف قوى الإشعاع الخارجي كالإشعاع الشمسي، أو كميات المعلقات الناجمة عن البراكين، على مدى زمني طويل مسببة اختلافات طبيعية في قوى الإشعاع. وقد تكون هذه الاختلافات موجبة أو سالبة. وتؤدي القوة الموجبة إلى رفع درجة الحرارة، بينما تسبب القوة السالبة خفضها. وفي الحالتين على النظام المناخي أن يتفاعل لإعادة التوازن. وتسبب العمليات المناخية الداخلية أو الراجعة اختلافات في التوازن الإشعاعي عن طريق تأثيرها على الأشعة الشمسية المنعكسة أو على إصدار الأشعة تحت الحمراء. لكن هذه الاختلافات لا تعتبر جزءاً من قوى الإشعاع.⁽²⁾

تنتج التغيرات المناخية من قوى الإشعاع، ومن التفاعل الداخلي بين عناصر النظام المناخي. ولذا يمكن التمييز بين مؤثرات داخلية وأخرى خارجية إن استجابة التربوسفير قصيرة حيث تمتد من أيام لأسابيع، بينما تكون استجابة الستراتوسفير أبطأ وتطول لعدة أشهر. أما المحيطات فإن استجابتها تمتد لعقود أو لقرون، نظراً لعطالتها الكبيرة. ولذا فإن استجابة التربوسفير بطيئة بسبب المحيطات. وقد يستجيب الغلاف الحيوي بسرعة، كما في حالة الجفاف، ولكنه يستجيب ببطء شديد في حالات أخرى. ولذا تختلف استجابة النظام المناخي للمؤثرات الخارجية في الزمان والمكان. وكمثال على ذلك تأثير التغير في الإشعاع الشمسي. وقد يتغير النظام المناخي نتيجة للتغيرات التي تحصل على عناصره. وكمثال على ذلك ظاهرة (النينو) الناجمة عن تفاعل الغلاف الجوي، مع المحيط الهادئ في المنطقة الاستوائية.

وهناك تغذية راجعة إيجابية، وأخرى سلبية. ومثال على الأولى بخار الماء حيث يزيد ارتفاع درجة الحرارة من تبخر الماء، و يزيد هذا بدوره من تركيز غازات الدفيئة، ويسبب الاحتباس الحراري مما يرفع درجة الحرارة مرة أخرى. وهناك تغذية راجعة فيزيائية، وأخرى بيوكيميائية. ومثال على الأولى السحب وتوازن الإشعاع. وعلى الثانية تركيز ثنائي أكسيد الكربون. إن معظم العمليات والتفاعلات غير خطية. أي ليس هناك علاقة خطية بسيطة بين التأثير والاستجابة. وقد يظهر النظام ما يدعى بـ(السلوك الشواشي). ويعني هذا أن النظام يعتمد على تغيرات طفيفة في الشروط البدائية، ولكن هذا لا يعني أنه من غير الممكن التنبؤ به. ومثال على ذلك حالة الطقس اليومية.

إن المناخ المحلي أكثر تغيراً من المناخ العالمي، أو المناخ في نصف الكرة الأرضية. فالتغير في مناخ منطقة ما في العالم، يعوضه تغير في مناخ منطقة أخرى. ومثال على ذلك ظاهرة النينو الناجمة عن تفاعل الجو مع المحيطات في المناطق الاستوائية من جنوب شرق آسيا، حيث يمتد تأثير النينو والنينا على المناخ إلى مناطق أخرى من العالم. ومثال آخر يتمثل في تذبذب الضغط الجوي قرب أيسلندا وجزر الآزور في المحيط الأطلسي الشمالي والذي يؤثر على المناخ في أوروبا وآسيا.

_____________________
(1) National Research Council (NRC), 2006. Surface Temperature Reconstructions For the Last 2,000 Years. National Academy Press, Washington, DC (2006)

(2) National Research Council (NRC), 2005: Radiative Forcing of Climate Change. National Academy Press, Washington, DC (2005).