راه‌حل‌های علمی برای پیش‌بینی آب‌وهوا

هنگامی که صحبت از پیش‌بینی آینده زمین به میان می‌آید تا چه حد می‌توان به میلیون‌ها محاسباتی که در یک ثانیه انجام می‌شوند اعتماد کرد؟ باید قبول کرد سیستم رایانه‌ای که برای پیش‌بینی تغییرات جوی در آینده به کار گرفته می‌شود، ماشین نه چندان قابل اطمینانی است که برای یک فرآیند پیچیده از آن بهره می‌گیرند. اما گویی تحولی در این زمینه روی داده است.

در انگلیس سیستم غول پیکر محاسباتی به کار گرفته شده که احتمالا بخش قابل توجهی از این بی‌اعتمادی را از میان خواهد برد. این سیستم در حقیقت یک ابر رایانه بسیار قدرتمند است که در مرکز تحقیقات و پیش‌بینی اوضاع آب و هوایی‌هادلی به کار گرفته شده است. پیش از پرداختن به این ابررایانه و قابلیت‌های آن 3‌پرسش اساسی مطرح می‌شود که بسیاری از استراتژی‌های جدید برای پیش‌بینی دقیق تغییرات جوی زمین را دگرگون می‌کند: تا چند دهه آینده سیاره مادر تا چه حد داغ خواهد شد؟ از آن گذشته در کدام نواحی از زمین بیشترین تأثیرات مخرب تغییرات جوی زمین و گرمایش آن احساس خواهد شد؟ و در نهایت چه اقداماتی می‌توان انجام داد تا کمترین پیامدهای مخرب آن نصیب انسان‌ها شود؟

ابررایانه مرکز‌هادلی که از حدود یک سال پیش کار خود را آغاز کرده، از پیچیده‌ترین شبیه‌سازی‌هایی استفاده می‌کند که تاکنون درخصوص اوضاع جوی زمین ترسیم شده است. در این ابررایانه از میلیون‌ها خطوط کد رایانه‌ای درباره اتمسفر، توده‌های مختلف زمین، اقیانوس‌ها و صفحات یخی و حتی ترکیبات و بخش‌های بسیار کوچک‌تر نظیر ذرات گرد و غبار معلق در هوا و رسوب کرده روی زمین استفاده می‌شود. این مجموعه عظیم، کدهای رایانه‌ای مدل ریاضی برای این فاکتورها ارائه می‌کند که در مقایسه با آنچه در گذشته انجام شده است قابل قیاس نیست.

این ابررایانه به وسیله داده‌هایی درباره شرایط آب و هوایی فعلی زمین تغذیه می‌شود. در ادامه بررسی‌های زیادی روی این داده‌ها صورت می‌گیرد تا مشخص شود اوضاع جوی امروز زمین تحت اثر فاکتورها و سناریوهای مختلف اقلیمی و بخصوص فاکتورهایی که انسان در آنها تأثیرگذار است یعنی آلاینده‌های کربنی، در روزهای بعد چگونه تغییر می‌کند.

متخصصانی که در زمینه مدل‌سازی‌های جوی تبحر دارند بر این عقیده‌اند که حتی قدرت ابررایانه‌های قدرتمندی نظیر آنچه در مرکز‌هادلی انگلیس یا شبیه‌ساز زمین در ژاپن به کار گرفته شده است نیز توان کافی برای پیش‌بینی تغییرات جوی آینده زمین را ندارند. با این حال چنین ابررایانه‌هایی امیدهای تدریجی را ایجاد می‌کنند مبنی بر این‌که قدرت محاسباتی سیستم‌های پیش‌بینی اوضاع جوی زمین بتدریج دقیق تر شوند. دکتر ویکی پاپ رئیس بخش پیش‌بینی اوضاع جوی مرکز‌ هادلی انگلیس می‌گوید: نسل بعدی مدل‌سازی‌های مربوط به پیش‌بینی‌های جوی دربرگیرنده ترکیبات شیمیایی و فعل و انفعالاتی است که میان خاک، گیاهان و زیست‌شناسی اقیانوسی صورت می‌گیرد. اما برای تحقق چنین چشم‌اندازی به ابزار لازم آن نیازمند است و این ابزار چیزی نیست جز ابررایانه‌های قدرتمند که نیاز محققان برای دستیابی به قدرت لازم و ارائه پیش‌بینی‌های دقیق‌تر را تأمین می‌کند. با این حال این توافق ضمنی میان محققان وجود دارد مبنی بر این‌که هنوز هم مدل‌های فعلی بسیار خام و در مراحل ابتدایی پیشرفت خود قرار دارند.

گذشته از تمام این محدودیت‌ها، همواره تفاوت‌های نگران‌کننده‌ای میان پیش‌بینی مدل‌های آب و هوایی و آنچه در واقعیت وجود دارد، است. دکتر فرد سینگر از دانشگاه ویرجینیا با بیان این‌که به مدل‌سازی‌های جدید باید با احتیاط نگاه کرد می‌گوید: جالب این است که مدل‌سازی‌های فعلی با مشاهدات ما اختلافات زیادی دارند.

پس در این میان حق با کیست؟ زمانی که صحبت از زمین و آینده آن به میان می‌آید نمی‌توان به این اختلاف به عنوان یک بحث آکادمیک نگاه کرد. بدون شک زندگی تک‌تک افرادی که ساکن زمین هستند تحت تأثیر نتایج شبیه‌سازی‌های این ابررایانه و احتمالا ابررایانه‌های دیگری از این دست قرار خواهد گرفت.

بیش از 50 سال است بحث داغ مدل‌سازی‌های رایانه‌ای مربوط به پیش‌بینی‌های جوی در رسانه‌های جهان مطرح شده است و هر روز نیز با ابداع تازه‌ای که در این زمینه صورت می‌گیرد بر جذابیت این خبرها افزوده می‌شود.

در حقیقت می‌توان گفت از دهه 50 میلادی که نخستین رایانه‌های تجاری پا به عرصه حیات گذاشتند مدل‌های شبیه‌سازی اوضاع جوی نیز به یک قطب مهم علمی و تحقیقاتی تبدیل شدند. با این حال طی بیش از 50 سال گذشته همواره دو موضوع اصلی موجب بروز نگرانی‌های مزمن میان دانشمندان این عرصه بوده‌اند؛ نبود قدرت محاسباتی قابل توجه و نگرانی‌هایی درباره مواد اولیه مورد نیاز برای چنین مدل‌سازی‌هایی.

خطرات کوچک و بزرگ استفاده از مدل‌های بسیار ساده و به دور از پیچیدگی‌های لازم از همان ابتدای حیات چنین مدل‌هایی کاملا به چشم می‌خوردند. در سال 1971 دانشمندان ناسا دست به انجام مطالعه بسیار مهمی زدند که از آن به عنوان محور اصلی تحقیقات آب و هوایی یاد می‌شود: نقش ذرات گرد و غبار و ترکیبات دودی بر فرآیند گرمایش زمین. این ذرات معلق در هوا که از آنها به اورسل‌ها (aerosols) یاد می‌شود به شیوه‌های گوناگون تولید و روانه اتمسفر زمین می‌شوند. طبیعت یکی از منابع اصلی تولید این ذرات به شمار می‌آید. بیابان‌ها و کوه‌های آتشفشانی از جمله عناصر طبیعی هستند که در این خصوص می‌توان به آنها اشاره کرد. اما زمانی که صحبت از اقدامات انسانی به میان می‌آید تنوع شیوه‌ها قابل توجه می‌شود از جمله تأسیسات تولید برق به وسیله زغال‌سنگ و سایر سوخت‌های فسیلی. در تحقیقات آن سال ناسا به این موضوع پرداخته شد که چگونه این ذرات معلق می‌توانند با انعکاس حجم قابل توجهی از پرتوهای خورشیدی به اعماق فضا در کاهش فرآیند گرمایش زمین نقش اساسی ایفا کنند. محققان ناسا در آن سال‌ها و با استفاده از برآوردهایی که درخصوص سطح این ذرات معلق در 50 سال آینده زمین (یعنی در دوران فعلی) انجام داده بودند به دستاوردهای جالب توجهی دست یافتند: انعکاس گرمای خورشید به اعماق فضا نقش خیره‌کننده‌ای بر کند شدن فرآیند گرمایش زمین خواهد داشت. آنها هشدار دادند دمای زمین تا 5/3 درجه سانتی‌گراد کاهش خواهد یافت و حتی این احتمال وجود دارد که زمین بتدریج عصر یخبندان دیگری را تجربه کند.

درحالی که آن محققان هرگز مدعی نشدند این سناریوی
هیجان‌انگیز غیرقابل اجتناب خواهد بود، ایده عصر یخبندان جدید توجه رسانه‌های جهان را به خود برانگیخت تا آنجاکه در دهه 70 میلادی این موضوع پوشش رسانه‌ای جهانی و عجیبی پیدا کرد. اما در عصر حاضر یعنی حدود 50 سال پس از آغاز این تحقیقات بخوبی مشخص شد که نمی‌توان هرگز به به چنین مدل‌سازی‌های ساده‌ای اعتماد کرد چون نه تنها زمین با عصر یخبندان تازه‌ای روبه‌رو نشده بلکه گرمایش زمین همچنان یک فاکتور نگران‌کننده به شمار می‌آید.

این فرآیند موجب شد تا بدبینی‌های قابل توجهی نسبت به پیش‌بینی‌های جوی و بخصوص پیش‌بینی‌های طولانی مدت ایجاد شود. حتی برخی نظریه‌ها و حقایق علمی نیز در این میان به سایه برده شدند.

به عنوان مثال نبود اطلاعات و ابزارهای لازم موجب شد تا مدل‌سازی‌های ناسا در تبیین یک حقیقت بزرگ علمی ناکام باشد. ‌ذرات معلق در هوا ذاتا تمایل دارند بر فراز مناطق صنعتی جهان نظیر اروپا معلق بمانند و این درحالی است که گازهای گلخانه‌ای تقریبا در سراسر زمین منتشر می‌شوند. در این میان دو نکته دیگر نیز به چالش کشیده شد؛ سرعت تولید ذرات معلق در هوا و تأثیر سرمایشی آنها.

در مدل‌های امروزی پیش‌بینی آب و هوا نگاه پیچیده‌تری نسبت به ذرات معلق در هوا دارند. این نگاه نه تنها شامل تأثیرات مستقیم ذرات معلق ـ نظیر تأثیر سرمایشی آنها به واسطه منعکس شدن نور خورشید به اعماق فضا ـ می‌شود بلکه دربرگیرنده تأثیر غیرمستقیم آنها نیز هست. در میان تمامی این فاکتورها به شیوه عمل کردن ذرات معلق در هوا به عنوان دانه‌های تشکیل‌دهنده ابرها در قالب فاکتور اصلی و درجه اول نگاه می‌شود که تأثیر آن بر گرمایش زمین بسیار پیچیده‌تر است.

به عقیده ویکی پاپ، ابرهایی که به این ترتیب تولید می‌شوند می‌توانند تاثیرات همزمان سرمایشی و گرمایشی داشته باشند. در یک روز ابری گرمای کمتری از خورشید به سطح زمین می‌رسد و احساس می‌کنیم هوا خنک‌تر شده است. اما این یک روی سکه است و در یک شب ابری گرمای تولید شده در طول روز در زمین به دام می‌افتد و در نتیجه دمای نزدیک به سطح زمین تقریبا گرم خواهد بود.

مشخص شدن این نکته که چگونه ابرها مانع گرمایش زمین می‌شوند هنوز به عنوان بزرگ‌ترین چالش فرا روی مدل‌های پیش‌بینی اوضاع جوی در عصر حاضر تلقی می‌شود. اما هنوز هم شبیه‌سازی ذرات معلق در هوا و شکل‌گیری ابرهای سفیدی که در بر هم زدن تعادل سیستم‌های اقلیمی زمین مؤثر هستند قدرتمندترین ابررایانه‌های جهان را نیز به زانو درآورده‌اند. دکتر پاپ در این خصوص می‌گوید: این ابرها عمدتا به اندازه صدها کیلومتر هستند، اما مدلسازی‌های رایانه‌ای فعلی این ابرها در بهترین حالت تنها به یکصد متر می‌رسد.

پروفسور توماس ریچلر از دانشگاه یوتا می‌گوید: این محدودیت به معنای آن است که این ابرها و واکنش آنها نسبت به تغییرات جوی در مدل‌های فعلی بدرستی شبیه‌سازی نمی‌شوند.

بنابراین باید پذیرفت که شبیه‌سازی این ابرها آن هم با جزییات کامل بسیار مهم است زیرا تأثیر آب و هوایی آنها با مؤلفه‌هایی نظیر ارتفاع، ضخامت و گرما که همگی مبتنی بر اندازه ابرهاست، ارتباط مستقیم دارد. اما زمانی که محققان با نبود ابررایانه‌های مورد نیاز روبه‌رو می‌شوند تنها می‌توانند بر فاکتورهای بنیادینی نظیر دما و رطوبت تکیه کنند، اما به نظر می‌رسد تنها با تکیه بر چنین فاکتورهایی، مدل‌سازی‌های رایانه‌ای چندان قابل اطمینان نخواهند بود.

چندی پیش یک رشته تحقیقات در این زمینه انجام شد که در نهایت مشخص شد مدل‌های رایانه‌ای ویژه پیش‌بینی اوضاع جوی و تغییرات آن احتمالا اغراق‌های زیادی درخصوص رابطه ابرهای زمین و گرمایش آن ایجاد می‌کنند. از سال 1980 میلادی به این سو میانگین دمای منطقه اروپا یک درجه سانتی‌گراد افزایش داشته که این بسیار بیشتر از پیش‌بینی‌هایی است که در آنها گازهای گلخانه‌ای مقصر شماره یک معرفی می‌شوند. پس ریشه این افزایش در کجاست؟

یک احتمال منطقی این است که حجم بیشتری از نور خورشید به زمین می‌رسد و این یعنی هوای اطراف زمین به لطف تلاش‌هایی که در سال‌های اخیر صورت گرفته تمیزتر شده است.

مهدی کیا

منبع:‌Focus