تأثير مضاد للاحتباس الحراري

لفهم كيفية تأثير ظاهرة الاحتباس الحراري على كوكب أو قمر كبير مع نجمه المضيف كمصدر خارجي للطاقة، يمكن حساب ميزانية الطاقة ، على غرار ما يُجرى للأرض. بالنسبة لكل مكون في النظام، يجب أن تتساوى الطاقة الواردة مع الطاقة الصادرة للحفاظ على قانون حفظ الطاقة والحفاظ على درجة حرارة ثابتة. ^{[ 9 ]} إذا كان أحد مصادر الطاقة أكبر من الآخر، يحدث اختلال في توازن الطاقة، وستتغير درجة حرارة الجسم لإعادة التوازن. يجب مراعاة مصادر الطاقة عبر الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله عند حساب توازن الطاقة. في حالة الأرض، على سبيل المثال، يتحقق التوازن بين الإشعاع الشمسي قصير الموجة الوارد والإشعاع الشمسي طويل الموجة الصادر من السطح والغلاف الجوي. بعد تحديد توازن طاقة المكون، يمكن استنتاج درجة حرارته.

في الحالة القصوى، لنفترض أن الغلاف الجوي العلوي لكوكب ما يحتوي على ضباب يمتص كل ضوء الشمس الذي لا ينعكس إلى الفضاء، ولكنه في الوقت نفسه شبه شفاف للأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة. وفقًا لقانون كيرشوف ، ولأن الضباب لا يمتص الأشعة تحت الحمراء جيدًا، فإنه لن يكون مصدرًا جيدًا لها أيضًا، وسيُصدر كمية ضئيلة منها في هذا الجزء من الطيف، سواءً إلى الفضاء أو باتجاه سطح الكوكب. وبحسب قانون ستيفان-بولتزمان ، يُصدر الكوكب طاقة تتناسب طرديًا مع القوة الرابعة لدرجة حرارة سطحه. عند السطح، يكون توازن الطاقة كما يلي:

${\displaystyle \sigma T_{surf}^{4}=OLR}$

أين${\displaystyle \sigma }$هو ثابت ستيفان-بولتزمان ،${\displaystyle T_{surf}}$هي درجة حرارة السطح، و${\displaystyle OLR}$يمثل هذا الإشعاع الموجي الطويل المنبعث من الضباب في طبقات الجو العليا. ولأن الضباب لا يمتص هذا الإشعاع بكفاءة، يُفترض أنه يمر بالكامل إلى الفضاء. يجب تقليل الطاقة الشمسية الواردة لحساب كمية الطاقة المفقودة نتيجة انعكاسها إلى الفضاء، كونها خارج نطاق نظام الكوكب والغلاف الجوي. في طبقات الجو العليا، يكون توازن الطاقة كما يلي:

${\displaystyle {\frac {S}{4}}(1-\alpha )\equiv \sigma T_{e}^{4}=OLR+\sigma T_{surf}^{4}}$

أين${\displaystyle S}$يمثل تدفق الطاقة الشمسية الواردة،${\displaystyle \alpha }$هو البياض الكوكبي (أي الانعكاسية)، و${\displaystyle T_{e}}$هي متوسط ​​درجة حرارة الإشعاع الفعالة . يتم تقسيم التدفق الشمسي الوارد على أربعة لمراعاة المتوسط ​​الزمني والمكاني على كامل الكوكب و${\displaystyle 1-\alpha }$يمثل هذا العامل نسبة الطاقة الشمسية التي يمتصها الضباب. استبدال${\displaystyle OLR}$مع${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle T_{surf}^{4}}$في المعادلة الثانية، لدينا،

${\displaystyle \sigma T_{e}^{4}=2\sigma T_{surf}^{4}}$

والنسبة${\displaystyle T_{surf}/T_{e}}$يساوي${\displaystyle \left(0.5\right)^{1/4}}$أو 0.84. وهذا يعني انخفاض درجة حرارة السطح بنسبة 16% عن متوسط ​​درجة حرارة الإشعاع الفعالة، وهو تأثير تبريد كبير محتمل. ^{[ 1 ]} هذه حالة مثالية، وتمثل أقصى تأثير يمكن أن يحدثه تأثير مكافحة الاحتباس الحراري، ولن يكون هذا هو التأثير على كوكب حقيقي أو قمر كبير.

أشارت مناقشات سابقة في الأوساط العلمية، سبقت التعريف الحالي الذي وضعه الدكتور كريستوفر مكاي عام 1991، إلى ظاهرة الاحتباس الحراري المضاد باعتبارها مقدمة للتجلد في أواخر العصر ما قبل الكمبري ، واصفةً إياها بأنها عملية عزل للكربون . ^{[ 10 ]} لم يعد هذا هو الاستخدام الحالي للمصطلح، الذي يركز على تبريد سطح الأرض نتيجة امتصاص الإشعاع الشمسي على ارتفاعات عالية.

يُعدّ تأثير الاحتباس الحراري السلبي ظاهرةً تُنتج تبريدًا موضعيًا، وليس تبريدًا عالميًا. فبينما ينطوي تأثير الاحتباس الحراري المضاد على انعكاس حراري عام في طبقة الستراتوسفير، ينطوي تأثير الاحتباس الحراري السلبي على انعكاس حراري موضعي في طبقة التروبوسفير. ويؤدي كلا التأثيرين إلى زيادة الانبعاثات الحرارية الخارجة - محليًا في حالة تأثير الاحتباس الحراري السلبي، وعالميًا في حالة تأثير الاحتباس الحراري المضاد. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

طُرحت فرضية وجود ضباب ثولين عضوي في الغلاف الجوي الثانوي للأرض خلال حقبة الأركي لأول مرة عام 1983، وقد يكون مسؤولاً عن ظاهرة مضادة للاحتباس الحراري. ^{[ 15 ] [ 16 ]} تنبع هذه الفرضية من محاولات حل مفارقة الشمس الفتية الخافتة ، حيث يجب التوفيق بين انخفاض الإشعاع الشمسي الصادر من الشمس المبكرة ووجود مياه سائلة على سطح الأرض (التي كانت آنذاك كوكبًا محيطيًا بالكامل مع مساحات يابسة قليلة ). ولتفسير كيفية بقاء الماء في حالته السائلة، اقتُرح أن غازات دفيئة قوية، مثل غاز الميثان الجوي (الذي تبلغ قدرته على إحداث الاحتباس الحراري 84 ضعف قدرة ثاني أكسيد الكربون ^{[ 17 ] [ 18 ]} _{) ،} ساعدت في الحفاظ على دفء سطح الأرض بما يكفي لمنع تجمد الماء تمامًا. وبينما تشير إحدى الفرضيات إلى أن _ثاني أكسيد الكربون وحده هو المسؤول عن هذه الحرارة الإضافية، تتضمن فرضية أخرى وجود كل من _ثاني أكسيد الكربون والميثان . أظهرت إحدى الدراسات أن الميثان في حقبة ما بعد الحياة الأركية ربما كان موجودًا بنسبة خلط تبلغ 1000 جزء في المليون أو أعلى، بينما قد يكون ثاني أكسيد الكربون منخفضًا إلى 5000 جزء في المليون لمنع تجمد الأرض، أي ما يعادل 12 ضعف الكمية المتوقعة في عام 2022. ^{[ 5 ] [ 19 ] [ 20 ]} ومع ذلك، عند هذه النسبة البالغة 0.2 من الميثان إلى ثاني أكسيد الكربون، يمكن أن تتكاثف نواتج التحلل الضوئي للميثان لتكوين جزيئات طويلة السلسلة تتجمع في جزيئات الثولين، مما يُنتج الضباب العضوي المضاد للاحتباس الحراري. ^{[ 4 ]}

يتشكل الضباب المضاد للاحتباس الحراري عندما تتجاوز نسبة الميثان _إلى ثاني _أكسيد الكربون 0.1 تقريبًا. ^{[ 15 ] [ 16 ]} يُفترض أن هذا الضباب العضوي سمح بتكوين حلقة تغذية راجعة سلبية ساهمت في استقرار مناخ الأرض في العصر الأركي ضد تأثيرات الاحتباس الحراري الجامحة . ^{[ 5 ]} إذا ارتفعت درجات الحرارة في العصر الأركي، سيزداد إنتاج الميثان نظرًا لاحتمالية تفضيل البكتيريا المنتجة للميثان لدرجات الحرارة الأكثر دفئًا (انظر الكائنات المحبة للحرارة ). ^{[ 5 ]} كما أن ارتفاع درجات الحرارة سيزيد من إزالة ثاني أكسيد الكربون من خلال تجوية البازلت والسيليكات (أي تكربن المعادن ) نتيجة لزيادة مفترضة في الهطول ، مما يؤدي إلى تآكل الغلاف الصخري وزيادة احتجاز الكربون غير العضوي. وهذا بدوره سيؤدي إلى زيادة نسبة الميثان إلى ثاني _{أكسيد الكربون،} مما يُفضّل زيادة إنتاج ضباب الثولين. سيؤدي هذا الارتفاع في إنتاج الضباب إلى زيادة عتامة الغلاف الجوي وبياضه لأشعة الشمس، مما يقلل من كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض، وبالتالي يقلل من درجة حرارة السطح، الأمر الذي يُلغي بدوره الارتفاع الأولي في درجة حرارة السطح. وقدّرت إحدى الدراسات تأثير هذا التباين في درجة حرارة سطح الأرض خلال حقبة الأركي بنحو 20 كلفن. ^{[ 21 ]} 

في الغلاف الجوي للأرض في العصر الحديث، لم تعد هناك أي ضباب عضوي في طبقات الجو العليا نتيجةً لعمليات الأكسدة المتتالية التي أزالت معظم غاز الميثان الجوي، وهو الغاز اللازم لتكوين الثولين. ومع ذلك، لا تزال هناك بعض المصادر التي تُسهم في الحد من ظاهرة الاحتباس الحراري. وقد أشارت بعض الدراسات إلى أن طبقة الأوزون في الستراتوسفير (التي تشكلت خلال العصر النيوبروتيروزوي ) والغلاف الحراري تُسهمان جزئيًا في الحد من ظاهرة الاحتباس الحراري نظرًا لانخفاض عتامةهما الحرارية وارتفاع درجة حرارتهما. ^{[ 3 ]} بالإضافة إلى ذلك، يُعتقد أن المقذوفات المتطايرة ، مثل أعمدة الدخان البركاني والتساقط النووي الناتج عن التجارب النووية في الهواء الطلق، تُمثل نموذجًا لظاهرة الاحتباس الحراري. ^{[ 3 ] [ 7 ]} كما لوحظ أن تكوّن رذاذ الكبريت في الستراتوسفير من انبعاثات الغازات البركانية المحتوية على ثاني أكسيد الكبريت له تأثير تبريد على الأرض، يستمر لمدة تتراوح بين سنة وسنتين تقريبًا. ^{[ 22 ]} تعمل كل هذه المصادر على خلق تدرج في درجة حرارة الغلاف الجوي حيث توجد طبقة علوية ساخنة فوق طبقات سفلية باردة، وهو ما يمثل تأثير مكافحة الاحتباس الحراري.