قسم علوم الأرض والجو والكواكب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (EAPS)
19 مارس 2020
المترجم : عدنان أحمد الحاجي
المقالة رقم 191 لسنة 2020
التصنيف: أبحاث المناخ
Staring into the vortex
MIT researchers describe factors governing how oceans and atmospheres move heat around on Earth and other planetary bodies.
EAPS
وصف باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا العوامل التي تحكم كيف تحرك المحيطات والأغلفة الجوية الحرارة حول الأرض والأجسام الكوكبية الأخرى.
 |
| هذا التصور يطهر تيارات سطح بحر خليج المكسيك ودرجات حرارتها ، مصدر الصورة MIT/ JPL |
تخيل كوبًا كبيراً من الكريمة الباردة الكثيفة صُبت عليها قهوة حارة . الآن ضعه على طاولة دوارة. بمرور الوقت ، سيختلط السائلان ببطء ببعضهما البعض ، وستصل حرارة القهوة في نهاية المطاف إلى قاع كوب الكريمة. ولكن كما يعلم معظمنا من شاربي القهوة الذين ينتظرونها بفارغ الصبر ، فإن تحريك الطبقات معًا يعد طريقة أكثر فعالية لتوزيع الحرارة والاستمتاع بمشروب لا حار محرق ولا بارد مصقع كالثلج، المفتاح هو الدوامات vortices (الحركة الدوامية) ، التي تكونت في السائل المضطرب turbulent.
يقول رافائيل فيراري Raffaele Ferrari برفسور علوم المحيطات في قسم علوم الأرض والجو والكواكب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (EAPS): "لو فقط انتظرت لتعرف ما إذا كان الانتشار الجزيئي فعل ذلك ، فسيستغرق الأمر إلى الأبد ولن تحصل أبدًاعلى القهوة والحليب مختلطة معًا". .
هذا التشبيه يساعد في تفسير نظرية جديدة حول تعقيدات النظام المناخي على الأرض - والكواكب الدوارة الأخرى ذات الأجواء و / أو المحيطات - الموضحة في ورقة جديدة (1) نُشرت في مجلة PNAS التي كتبها فيراري Ferrari وبأساليب غاليت Basile Gallet ، الباحث الزائر في EAPS والآتي من قسم فيزياء الحالة المكثفة ، CEA Saclay ، الفرنسي
قد يبدو بديهيًا أن حرارة الشمس الشديدة تجعل خط الأستواء على الأرض حاراً بينما قطبا الأرض المحرومان من حرارة الشمس باردين ، مع وجود تدرج في درجات الحرارة بين القطبين وخط الإستواء. ومع ذلك ، فإن النطاق الفعلي لتدرج درجة الحرارة صغير نسبيًا مقارنة بما قد يكون عليه خلاف ذلك بسبب الطريقة التي ينقل بها نظام الأرض الحرارة في جميع أنحاء الكرة الأرضية إلى مناطق أكثر برودة ، مما يؤدي إلى تعديل نهايتي (طرفي) درجات الحرارة ( بين القطبين وخط الأستواء) .
وبخلاف ذلك ، "سيكون لديك درجات حرارة لا تحتمل عند خط الاستواء و [خطوط العرض المعتدلة] ستكون متجمدة" ، كما يقول فيراري. "لذا ، فإن حقيقة أن الكوكب صالح للسكن ، كما نعرفه ، لها علاقة بالإنتقال الحراري من خط الاستواء إلى القطبين."
ومع ذلك ، على الرغم من أهمية التدفق الحراري الكوني للحفاظ على مناخ الأرض المعاصر ، فإن الآليات التي تدفع العملية ليست مفهومة تمامًا. هنا يأتي أهمية العمل الأخير لفيراري وغاليت: بحثهما يطرح وصفًا رياضيًا للفيزياء الداعمة للدور الذي تلعبه الدوامات البحرية والجوية في إعادة توزيع تلك الحرارة في نظام المناخ العالمي.
يعتمد عمل فيراري وغاليت على عمل برفسور آخر من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وهو عالم الأرصاد الجوية الراحل نورمان فيليبس ، الذي اقترح عام 1956 مجموعة من المعادلات ، "نموذج فيليبس" ، لوصف النقل الحراري العالمي. يمثل نموذج فيليبس المحيط وجو المحيط كطبقتين من كثافتين مختلفين فوق بعضهما البعض. في حين أن هذه المعادلات تلتقط تطور الاضطراب الجوي turbulence وتتنبأ بتوزيع درجة الحرارة على الأرض بدقة نسبية ، إلا أنها لا تزال معقدة للغاية وينبغي حلها باستخدام أجهزة الكمبيوتر. توفر النظرية الجديدة لفيراري وغاليت حلولاً تحليلية للمعادلات وتتنبأ كمياً بتدفق الحرارة المحلية ، والطاقة التي وراء الدوامات المضطربة eddies [في المحيطات البحرية] ، وخصائص التدفق على نطاق واسع. وإطارها النظري قابلٌ للتوسع ، مما يعني أنه يصلح للدوامات ، التي تكون أصغر وأكثر كثافة في المحيط ، وكذلك الأعاصير في الغلاف الجوي الأكبر.
وضع العملية في حالة حركة
تختلف الفيزياء التي وراء الدوامات في فنجان القهوة عن تلك الموجودة في الطبيعة. تتميز وسائط السوائل مثل الغلاف الجوي والمحيطات باختلافات في درجة الحرارة والكثافة. على كوكب دوار ، هذه الاختلافات تسرع بالتيارات القوية ، في حين أن الاحتكاك - في قاع المحيط والغلاف الجوي - يبطئها. شد الحبل هذا يؤدي إلى عدم الاستقرار في تدفق التيارات الكبيرة وينتج تدفقات مضطربة غير منتظمة نشهدها كطقس دائم التغير في الغلاف الجوي.
الدوامات - وهي تدفقات دائرية مغلقة من الهواء أو الماء - تولد من رحم عدم الاستقرار هذا. في الغلاف الجوي ، تسمى الأعاصير والأعاصير العكسية (أنماط الطقس) ؛ في المحيطات البحرية يطلق عليهم الدوامات الاضطرابية eddies (للتعريف، راجع 2). في كلتا الحالتين ، تكون تشكيلات عابرة ومرتبة ، تظهر بشكل غير منتظم إلى حد ما وتتلاشى بمرور الوقت. وحين تخرج من الاضطراب الأساسي، فإنها أيضًا تكون معاقة بالاحتكاك، مما يتسبب في تبددها في نهاية المطاف، مما يكمل انتقال الحرارة من خط الاستواء (الجزء العلوي من القهوة الساخنة) إلى القطبين (الجزء السفلي من كوب الكريمة) .
تصغير الصورة حتى نري الصورة الأكبر
في حين أن نظام الأرض أكثر تعقيداً من الطبقتين (انظر اعلاه) ، فإن تحليل الإنتقال الحراري في نموذج فيليبس المبسط يساعد الباحثين على حل الفيزياء الأساسية المؤثرة. وجد فيراري وغاليت أن انتقال الحرارة بسبب الدوامات ، على الرغم من أنه فوضى اتجاهياً، إلاّ أنه ينتهي به الأمر إلى انتقال الحرارة إلى القطبين بشكل أسرع مما يستطيعه نظام تدفق أكثر سلاسة. وفقًا لفيراري ، "تقوم الدوامات بالعمل الشاق في نقل الحرارة ، وليس الحركة غير المنظمة (الاضطراب)".
سيكون من المستحيل تبرير حسابياً كل ميزة من مميزات الدوامة الإضطرابية الواحدة التي تتشكل وتختفي ، لذلك طور الباحثون حسابات مبسطة لتحديد الآثار الكلية لسلوك الدوامة ، استنادًا إلى خط العرض (تدرج درجة الحرارة) وعوامل الاحتكاك. بالإضافة إلى ذلك ، اعتبروا كل دوامة كجسيم واحد في سائل غازي. عندما دمجوا حساباتهم في النماذج الحالية ، تنبأت المحاكاة الناتجة بنظم درجات الحرارة temperature regimes الفعلية للأرض بدقة إلى حد ما ، وكشفت أن كلا من تكوين الدوامات ووظيفتها في النظام المناخي هي أكثر حساسية تجاه السحب الاحتكاكي مما كان متوقعًا.
يؤكد فيراري على أن جميع مساعي النمذجة تتطلب تبسيطًا وليست تمثيلًا دقيقاً للأنظمة الطبيعية - كما هو الحال في هذه الحالة ، مع الغلاف الجوي والمحيطات ممثلة كنظم بسيطة من طبقتين ، وتجاهل كروية الأرض. حتى مع هذه السلبيات ، لفتت نظرية غاليت وفيراري انتباه علماء المحيطات الآخرين.
يقول بيل يونغ Young، برفسور علم المحيطات الفيزيائي في معهد سكريبس لعلوم المحيطات، "منذ عام 1956 ، حاول علماء الأرصاد الجوية وعلماء المحيطات فهم نموذج فيليبس هذاوفشلوا. الورقة التي نشرها غاليت وفيراري هي الأولى في فهم هذا التنبؤ الإستنباطي الناجح لكيف يتفاوت تدفق الحرارة في نموذج فيليبس مع تفاوت تدرج درجة الحرارة ".
يقول فيراري إن الإجابة على الأسئلة الأساسية عن كيف يعمل انتقال الحرارة ستتيح للباحثين فهم النظام المناخي للأرض بشكل عام. على سبيل المثال ، في الماضي السحيق للأرض ، كانت هناك فترات زمنية عندما كان كوكبنا أكثر دفئًا، وعندما سبحت التماسيح في القطب الشمالي وامتدت أشجار النخيل إلى داخل كندا ، وأيضًا عندما كان الطقس أكثر برودةً وكانت خطوط العرض الوسطى مغطاة بالجليد. "من الواضح أن انتقال الحرارة يمكن أن يتغير عبر مناخات مختلفة ، لذا قد ترغب في أن تكون قادرًا على التنبؤ بذلك"، كما قال. "لقد كان سؤالاً نظرياً في أذهان الناس لفترة طويلة."
نظرًا لأن متوسط درجة الحرارة العالمية قد زاد بأكثر من درجة مئوية واحدة في ال 100 سنة الماضية ، وهي على وشك تجاوز ذلك بكثير في القرن المقبل، أصبحت الحاجة إلى فهم - والتنبؤ ب - نظام المناخ على الأرض أمرًا حاسمًا حيث أن المجتمعات والحكومات والصناعة تتكيف مع البيئة المتغيرة الحالية.
يقول غاليت: "أجد أنه من المفيد للغاية تطبيق أساسيات التدفقات المضطربة على مثل هذه المسألة في حينها. على المدى الطويل ، سيكون هذا النهج المستند إلى الفيزياء عاملاً رئيسيًا في الحد من عدم اليقين في النمذجة المناخية."
باتباع خطى عمالقة الأرصاد الجوية مثل نورمان فيليبس ، وجول تشارني ، وبيتر ستون ، الذين طوروا نظريات مناخية مهمة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، هذا العمل البحثي أيضًا يلتزم بنصيحة ألبرت أينشتاين: "من الفوضى ، ابحث عن البساطة."
مصادر من داخل وخارج النص
المصدر الرئيس
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق