دورات المناخ في شمال أفريقيا

طُرحت فكرة أن التغيرات في الإشعاع الشمسي الناتجة عن تحولات في معايير مدار الأرض تُعد عاملاً مُتحكماً في التباينات طويلة الأجل في قوة أنماط الرياح الموسمية حول العالم لأول مرة من قِبل رودولف سبيتالر في أواخر القرن التاسع عشر، ^{[ 5 ]} ثم طُرحت هذه الفرضية رسمياً واختبرها عالم الأرصاد الجوية جون كوتزباخ في عام 1981. ^{[ 6 ]} أصبحت أفكار كوتزباخ حول تأثيرات الإشعاع الشمسي على أنماط الرياح الموسمية العالمية مقبولة على نطاق واسع اليوم باعتبارها المحرك الأساسي لدورات الرياح الموسمية طويلة الأجل. لم يُسمِّ كوتزباخ فرضيته رسمياً، ولذلك يُشار إليها هنا باسم "فرضية الرياح الموسمية المدارية" كما اقترحها روديمان في عام 2001. ^{[ 5 ]}

الإشعاع الشمسي ، وهو ببساطة مقياس لكمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى مساحة سطح معينة خلال فترة زمنية محددة، هو العامل الأساسي وراء فرضية الرياح الموسمية المدارية. ونظرًا لاختلاف السعة الحرارية ، تسخن القارات أسرع من المحيطات المحيطة بها خلال أشهر الصيف عندما يكون الإشعاع الشمسي في ذروته، وتبرد أسرع من المحيطات المحيطة بها خلال أشهر الشتاء عندما يكون الإشعاع الشمسي في أضعف حالاته. يُعرف نمط الرياح الناتج عن تدرج درجة حرارة الإشعاع الشمسي بين القارات والمحيطات بالرياح الموسمية . وتُعد قيم الإشعاع الشمسي الصيفي أكثر أهمية لمناخ منطقة ما من قيمه الشتوية، لأن المرحلة الشتوية من الرياح الموسمية تكون جافة دائمًا. وبالتالي، يتحدد الغطاء النباتي والحيواني في المناخ الموسمي بكمية الأمطار التي تهطل خلال المرحلة الصيفية من الرياح الموسمية. ^{[ 5 ]} وعلى مدى فترات تتراوح من عشرات إلى مئات آلاف السنين، تتغير كمية الإشعاع الشمسي في دورة معقدة للغاية تعتمد على المعايير المدارية. ينتج عن هذه الدورة من الإشعاع الشمسي تذبذب في قوة المناخات الموسمية حول العالم. وقد أظهرت أدلة جيولوجية عديدة أن الرياح الموسمية في شمال أفريقيا تتأثر بشكل خاص بدورات الإشعاع الشمسي، ويمكن ربط الاتجاهات طويلة الأجل في قوة الرياح الموسمية بالتغيرات البطيئة في الإشعاع الشمسي. ومع ذلك، فإن التحولات المفاجئة ذهابًا وإيابًا من "الصحراء الخضراء" إلى "الصحراء القاحلة" لا تُفسر بالكامل بالتغيرات طويلة الأجل في دورة الإشعاع الشمسي.

يمكن تقسيم ترنح الاعتدالين على الأرض إلى مرحلتين متميزتين. المرحلة الأولى ناتجة عن تذبذب محور دوران الأرض وتُعرف بالترنح المحوري . أما المرحلة الثانية فتُعرف بالترنح الأوجّي أو ترنح الإهليلج، وهي مرتبطة بالدوران البطيء لمدار الأرض الإهليلجي حول الشمس. عند دمج هاتين المرحلتين، ينتج عنهما ترنح للاعتدالين يتميز بدورة قوية مدتها 23000 عام ودورة ضعيفة مدتها 19000 عام. ^{[ 5 ]}

وُجد أن التغيرات في قوة الرياح الموسمية في شمال أفريقيا ترتبط ارتباطًا وثيقًا بدورة التبادر القوية التي تبلغ 23000 عام. ^{[ 2 ] [ 7 ] [ 8 ]} وتعود هذه العلاقة بين دورة التبادر وقوة الرياح الموسمية في شمال أفريقيا إلى تأثير التبادر على كمية الإشعاع الشمسي الواصل إلى نصف الكرة الأرضية. تبلغ كمية الإشعاع الشمسي ذروتها في نصف الكرة الشمالي عندما تكون دورة التبادر متوافقة بحيث يشير نصف الكرة الشمالي نحو الشمس عند نقطة الحضيض . ووفقًا لفرضية الرياح الموسمية المدارية، فإن هذه الذروة في الإشعاع الشمسي تزيد من قوة دورات الرياح الموسمية في نصف الكرة الشمالي. وعلى النقيض من ذلك، عندما يشير نصف الكرة الشمالي نحو الشمس عند نقطة الأوج ، يكون الإشعاع الشمسي في أدنى مستوياته، وتكون الرياح الموسمية في شمال أفريقيا في أضعف حالاتها.

الميل المحوري ، أو ما يُعرف أيضًا بالميل المحوري، هو الزاوية التي يصنعها محور دوران الأرض مع خط عمودي على مستوى مدارها . يبلغ ميل محور الأرض حاليًا حوالي 23.5 درجة. مع ذلك، يتغير ميل محور دوران الأرض على مدى فترات زمنية طويلة بسبب التوزيع غير المتساوي للكتلة على سطح الكوكب والتفاعلات الجاذبية مع الشمس والقمر والكواكب . ^نتيجةً لهذه التفاعلات ، يتراوح ميل محور دوران الأرض بين 22.2 درجة و24.5 درجة في دورة مدتها 41,000 عام. [ ^{5 ]}

يُعدّ تعديل دورة الإشعاع الشمسي الناتجة عن التبادر المحوري التأثير الرئيسي لميل محور الأرض على الرياح الموسمية في شمال إفريقيا. وقد وُجدت أدلة على تأثير ميل محور الأرض على شدة هذه الرياح في سجلات رواسب الغبار من عينات لبّية قاعية في شرق البحر الأبيض المتوسط ، والتي تتشكل نتيجةً للعمليات الريحية . ^{[ 2 ]} يتطلب تفسير هذه الأدلة وجود آليات تغذية راجعة معقدة، إذ يُلاحظ أقوى تأثير لميل محور الأرض على الإشعاع الشمسي في خطوط العرض العليا. وقد اقتُرحت آليتان محتملتان لوجود مؤشر لميل محور الأرض في رواسب الغبار الريحية في شرق البحر الأبيض المتوسط. تشير الأولى إلى أنه في أوقات ميل محور الأرض الأعلى، يكون تدرج درجة الحرارة بين القطبين وخط الاستواء في نصف الكرة الجنوبي أكبر خلال فصل الصيف في نصف الكرة الشمالي (الصيف في نصف الكرة الشمالي). ونتيجةً لهذا التدرج، تزداد قوة الرياح الموسمية في شمال إفريقيا. تُشير نظرية ثانية قد تُفسر وجود بصمة ميل محور الأرض في سجل مناخ شمال أفريقيا إلى أن ميل محور الأرض قد يكون مرتبطًا بتغيرات في خط عرض المناطق المدارية. ^{[ 2 ]} يُحدد الامتداد العرضي للمناطق المدارية تقريبًا بأقصى مسار لتحرك خط الاستواء الحراري ، وهي منطقة تقع اليوم بين مدار الجدي ومدار السرطان . ومع ذلك، مع تغير ميل محور الأرض، يتحرك مسار تحرك خط الاستواء الحراري الكلي بين 22.2 درجة و24.5 درجة شمالًا وجنوبًا. قد يؤثر هذا التحرك على موقع جبهة الرياح الموسمية الصيفية في شمال أفريقيا، وبالتالي يؤثر على قوة الرياح الموسمية في شمال أفريقيا. وقد تم تقديم تأكيد إضافي لتأثيرات ميل محور الأرض على الرياح الموسمية في شمال أفريقيا من خلال نموذج مناخي عالمي متكامل للغلاف الجوي والمحيطات والجليد البحري ، والذي أكد أن التبادر وميل محور الأرض يمكن أن يتضافرا لزيادة هطول الأمطار في شمال أفريقيا من خلال تأثيرات التغذية الراجعة للإشعاع الشمسي . ^{[ 8 ]}

الانحراف المداري هو مقياس لانحراف مدار الأرض عن الدائرة الكاملة. إذا كان مدار الأرض دائرة كاملة، فإن قيمة الانحراف المداري ستكون صفرًا، بينما تشير قيمة 1 إلى شكل قطع مكافئ. للأرض دورتان للانحراف المداري، تحدثان كل 100,000 و400,000 سنة. على مر السنين، تراوح الانحراف المداري للأرض بين 0.005 و0.0607، ويبلغ اليوم حوالي 0.0167. ^{[ 5 ]} مع أن قيمة الانحراف المداري تؤثر على بُعد الأرض عن الشمس، إلا أن تأثيرها الأساسي على الإشعاع الشمسي ينبع من تأثيرها المُعدِّل على الدورة المدارية. على سبيل المثال، عندما يكون مدار الأرض بيضاويًا للغاية، سيشهد أحد نصفي الكرة الأرضية صيفًا حارًا وشتاءً باردًا، مما يُؤدي إلى تدرج سنوي في الإشعاع الشمسي أكبر من المتوسط . في الوقت نفسه، سيشهد النصف الآخر من الكرة الأرضية صيفاً دافئاً وشتاءً بارداً بسبب انخفاض متوسط ​​التدرج السنوي للإشعاع الشمسي.

على غرار ميل محور الأرض، لا يُعتبر الانحراف المداري عاملاً رئيسياً في قوة الرياح الموسمية في شمال إفريقيا. بل يُعدّل الانحراف المداري سعة ذروة وانخفاض الإشعاع الشمسي الناتج عن دورة التبادر. ويمكن إيجاد أدلة قوية على تأثير الانحراف المداري على دورة التبادر في رواسب الغبار الريحي في شرق البحر الأبيض المتوسط. فبالفحص الدقيق، يتضح أن فترات انخفاض وارتفاع تدفقات الهيماتيت تتوافق مع دورات الانحراف المداري التي تبلغ 100,000 عام و400,000 عام. ويُعتقد أن هذه الأدلة على دورات الانحراف المداري في سجل الغبار في شرق البحر الأبيض المتوسط ​​تشير إلى تقدم أقوى للجبهة الموسمية في شمال إفريقيا شمالاً خلال الفترات التي تتزامن فيها ذروة الإشعاع الشمسي الناتجة عن الانحراف المداري والتبادر. ^{[ 2 ]} كما تم إثبات تأثير الانحراف المداري على دورة التبادر باستخدام نموذج مناخي عالمي متكامل تماماً للغلاف الجوي والمحيطات والجليد البحري. ^{[ 8 ]}

تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في فرضية الرياح الموسمية المدارية في أن فحصًا دقيقًا لسجلات المناخ يُشير إلى وجود تأخر يتراوح بين 1000 و2000 عام بين ذروة الرياح الموسمية المُلاحظة في شمال إفريقيا والذروة المُتوقعة. وتنشأ هذه المشكلة لأن فرضية الرياح الموسمية المدارية تفترض استجابة فورية من النظام المناخي للتغيرات في الإشعاع الشمسي الناتجة عن التأثيرات المدارية. ومع ذلك، توجد عدة حلول لهذه المشكلة. ويمكن توضيح الحل الأنسب من خلال مقارنة بسيطة بمناخ اليوم. ففي الوقت الحالي، تبلغ ذروة الإشعاع الشمسي في 21 يونيو، بينما تبلغ ذروة الرياح الموسمية الصيفية في شمال إفريقيا بعد شهر في يوليو. يُفترض أن يُمثل هذا التأخير لمدة شهر واحد تأخيرًا يتراوح بين 1500 و2000 عام تقريبًا في ذروة دوران الرياح الموسمية، لأن ذروة الإشعاع الشمسي في شهر يوليو، ضمن دورة ترنح محوري تتراوح بين 19000 و23000 عام، تحدث بعد حوالي 1500 إلى 2000 عام من ذروة الإشعاع الشمسي في شهر يونيو. وقد طُرح تفسيران آخران محتملان للتأخير الملحوظ في البيانات. يشير التفسير الأول إلى أن تطور الرياح الموسمية في المناطق شبه الاستوائية يتأثر بذوبان الصفائح الجليدية القطبية ببطء . وبالتالي، لا تُلاحظ القوة الكاملة للنمط الموسمي إلا عندما تصبح الصفائح الجليدية القطبية صغيرة جدًا بحيث يكون تأثيرها على تطور الرياح الموسمية السنوية ضئيلاً. أما التفسير البديل الثاني فيقترح أن المحيطات الاستوائية الباردة نسبيًا، المتبقية من العصر الجليدي، قد تُبطئ في البداية تطور الرياح الموسمية عالميًا، نظرًا لأن المحيطات الباردة تُعد مصادر أقل فعالية للرطوبة. ^{[ 5 ]}

السابروبيل هي رواسب بحرية داكنة غنية بالمواد العضوية ، تحتوي على أكثر من 2% من الكربون العضوي وزناً. في شرق البحر الأبيض المتوسط، توجد طبقات من السابروبيل في عينات لبية من الرواسب البحرية، تتوافق مع فترات ذروة الإشعاع الشمسي في دورة المبادرة المحورية فوق شمال إفريقيا. ^{[ 9 ] [ 10 ]} يُعزى هذا التوافق إلى ارتباطه بالرياح الموسمية في شمال إفريقيا. خلال فترات الإشعاع الشمسي العالي، يؤدي ازدياد قوة جبهة الرياح الموسمية في شمال إفريقيا وتقدمها شمالاً إلى هطول أمطار غزيرة على طول المجرى العلوي والأوسط لحوض نهر النيل . تتدفق هذه الأمطار شمالاً وتصب في شرق البحر الأبيض المتوسط، حيث يتسبب التدفق الكبير للمياه العذبة الغنية بالمغذيات في تدرج رأسي حاد في الملوحة . ونتيجة لذلك، يتوقف الحمل الحراري الملحي ، ويصبح عمود الماء طبقيًا مستقرًا. بمجرد حدوث هذا الاستقرار الطبقي ، تنضب مياه القاع في شرق البحر الأبيض المتوسط ​​بسرعة من الأكسجين، ويُحفظ التدفق الكبير للمواد العضوية البحرية من المياه السطحية الغنية بالمغذيات على شكل تكوينات سابروبيل. ^{[ 11 ]} من أهم الأدلة التي تربط تكوّن طبقات السابروبيل بزيادة تدفق مياه نهر النيل هو حدوثها خلال فترات ما بين الجليدية والجليدية . لذا، لا بد أن يكون تكوّن طبقات السابروبيل مرتبطًا بتدفق المياه العذبة من نهر النيل، وليس بمياه الذوبان الناتجة عن ذوبان الصفائح الجليدية . ^{[ 12 ]}

يمكن العثور على أدلة على وجود بحيرات كبيرة في الصحراء الكبرى وتفسيرها من السجل الجيولوجي . تمتلئ هذه البحيرات مع اقتراب دورة المبادرة المحورية من ذروة الإشعاع الشمسي، ثم تجف مع اقترابها من أدنى مستوياته. كانت بحيرة ميغاشاد أكبر هذه البحيرات القديمة ، حيث بلغ عمقها في ذروتها 173 مترًا، وغطت مساحة تقارب 400,000 كيلومتر مربع ^. [ ^{13 ] تُعرف} بقايا هذه البحيرة الضخمة اليوم باسم بحيرة تشاد ، التي يبلغ أقصى عمق لها 11 مترًا، ومساحتها 1,350 كيلومترًا مربعًا ^فقط . تُظهر صور الأقمار الصناعية لشواطئ بحيرة ميغاشاد القديمة أن البحيرة كانت موجودة في ظل نظامين رياحيين متميزين، أحدهما شمالي شرقي والآخر جنوبي غربي. يتوافق نظام الرياح الشمالية الشرقية مع أنماط الرياح الحالية، وهو سمة مميزة لتدفق موسمي ضعيف. في المقابل، يتميز نظام الرياح الجنوبية الغربية بتدفق موسمي أقوى. ^{[ 13 ]}  

يُعدّ وجود رواسب الدياتومات في المياه العذبة في المحيط الأطلسي الاستوائي دليلاً رئيسياً آخر على تأثير دورة ترنّح الرياح الموسمية في شمال أفريقيا . فقد وُجد أن عينات لبّية من المحيط الأطلسي الاستوائي تحتوي على طبقات متميزة من دياتوم المياه العذبة Aulacoseira granulata ، المعروف أيضاً باسم Melosira granulata . وتتشكل هذه الطبقات وفق دورة مدتها 23000 عام، تتأخر عن ذروة الإشعاع الشمسي الناتج عن ترنّح الرياح بنحو 5000 إلى 6000 عام. ^{[ 5 ] [ 14 ]} ولتفسير هذه الرواسب الدورية للدياتومات في المياه العذبة، علينا أن ننظر إلى المناطق الداخلية من أفريقيا، وتحديداً منطقة الصحراء الكبرى. ففي وقت ذروة الإشعاع الشمسي في دورة ترنّح الرياح، تكون الرياح الموسمية في شمال أفريقيا في أوج قوتها، وتُهيمن البحيرات الموسمية الكبيرة على منطقة الصحراء الكبرى. ثم مع مرور الوقت نحو أدنى مستويات الإشعاع الشمسي، تبدأ هذه البحيرات بالجفاف نتيجة ضعف الرياح الموسمية في شمال أفريقيا. مع جفاف البحيرات، تنكشف رواسب رقيقة تحتوي على دياتومات المياه العذبة. وعندما تهب الرياح الشمالية الشرقية السائدة خلال فصل الشتاء، تُحمل رواسب دياتومات المياه العذبة من قيعان البحيرات الجافة على شكل غبار، وتُنقل آلاف الكيلومترات إلى المحيط الأطلسي الاستوائي. من هذه السلسلة من الأحداث، يتضح سبب تأخر ظهور رواسب دياتومات المياه العذبة لمدة تتراوح بين 5000 و6000 عام، إذ يجب أن يضعف موسم الرياح الموسمية في شمال إفريقيا بدرجة كافية قبل أن تبدأ بحيرات موسم الرياح الموسمية في الصحراء الكبرى بالجفاف وكشف مصادر محتملة لدياتومات المياه العذبة. ^{[ 5 ]} من العوامل الرئيسية التي يجب مراعاتها عند دراسة رواسب دياتومات المياه العذبة تحديد أنواعها. فعلى سبيل المثال، تُظهر بعض عينات اللب المحيطي المأخوذة مباشرة من الساحل الغربي لأفريقيا مزيجًا من أنواع دياتومات بحيرات وأنهار المياه العذبة. لذا، لكي يُمثل اللب دورة دياتومات الصحراء الكبرى بدقة، يجب استخراجه من منطقة في المحيط الأطلسي الاستوائي تبعد مسافة كافية عن الساحل بحيث يتم تقليل تأثيرات تدفقات الأنهار إلى أدنى حد. ^{[ 15 ]}

يمكن استخدام التغيرات الملحوظة في قوة منطقة التيارات الصاعدة في شرق المحيط الأطلسي الاستوائي لدعم فرضية دورة الرياح الموسمية في شمال إفريقيا، والتي تنظمها دورة المبادرة المحورية. فعندما تبلغ الإشعاعات الشمسية ذروتها في شمال إفريقيا خلال دورة المبادرة المحورية، تنحرف الرياح التجارية الشرقية فوق المحيط الأطلسي الاستوائي بقوة نحو الصحراء الكبرى. ويؤدي هذا الانحراف إلى إضعاف منطقة التيارات الصاعدة في شرق المحيط الأطلسي الاستوائي، مما ينتج عنه مياه أكثر دفئًا في المنطقة السطحية . وعلى النقيض من ذلك، عندما تكون الإشعاعات الشمسية في شمال إفريقيا في أدنى مستوياتها بسبب دورة المبادرة المحورية، يكون انحراف الرياح التجارية الشرقية ضعيفًا نسبيًا. ونتيجة لذلك، تبقى منطقة التيارات الصاعدة في شرق المحيط الأطلسي الاستوائي قوية، وتكون المياه في المنطقة السطحية أكثر برودة. ^{[ 16 ]} ويُستدل على وجود هذا النمط من الضعف الدوري للتيارات الصاعدة في شرق المحيط الأطلسي الاستوائي من خلال رواسب الكائنات العوالقية السطحية في عينات لباب الرواسب المحيطية . تُظهر هذه العينات اللبية أن الوفرة النسبية لأنواع العوالق في المياه الدافئة والباردة تتغير بإيقاع ثابت يبلغ 23000 عام، وهو ما يتوافق مع دورة الإشعاع الشمسي الناتجة عن ترنح المحور المركزي التي تبلغ 23000 عام. ^{[ 5 ]}

حدثت الفترة الرطبة الأفريقية بين 14800 و5500 عام مضت، وكانت آخر ظهور لما يُعرف بـ"الصحراء الخضراء". سادت ظروف الصحراء الكبرى خلال تلك الفترة رياح موسمية شمال أفريقية قوية، مما أدى إلى هطول أمطار سنوية غزيرة مقارنةً بالظروف الحالية. ^{[ 17 ]} ومع ازدياد هطول الأمطار، اختلفت أنماط الغطاء النباتي في شمال أفريقيا اختلافًا جذريًا عما نراه اليوم. فعلى سبيل المثال، تميزت معظم منطقة الصحراء الكبرى بمروج شاسعة ، تُعرف أيضًا بالسهوب . في حين كانت منطقة الساحل جنوب الصحراء الكبرى عبارة عن سافانا في الغالب. ^{[ 18 ]} أما اليوم، فتُعدّ الصحراء الكبرى صحراء في معظمها، بينما تتميز منطقة الساحل بمروج السافانا . كما تميزت الفترة الرطبة الأفريقية بشبكة واسعة من الممرات المائية في الصحراء الكبرى، تتألف من بحيرات وأنهار ودلتا كبيرة. وكانت أكبر أربع بحيرات هي: بحيرة ميغاشاد ، وبحيرة ميغافزان ، وبحيرة أهنيت مويدر الضخمة ، وبحيرة الشطوط الضخمة . شملت الأنهار الكبيرة في المنطقة نهر السنغال ، ونهر النيل ، ونهر الصحابي ، ونهر الكفرة . وقد وفرت هذه الأنظمة النهرية والبحيرية ممرات سمحت للعديد من أنواع الحيوانات، بما في ذلك البشر، بتوسيع نطاق انتشارها عبر الصحراء الكبرى. ^{[ 19 ]}

تشير الأدلة الجيولوجية من بداية ونهاية العصر الرطب الأفريقي إلى أن بداية ونهاية هذا العصر كانتا مفاجئتين. في الواقع، من المرجح أن كلا الحدثين وقعا على مدى عقود إلى قرون. تزامنت بداية ونهاية العصر الرطب الأفريقي مع وصول دورة الإشعاع الشمسي إلى قيمة أعلى بنحو 4.2% من قيمتها الحالية. مع ذلك، فإن التغيرات في دورة الإشعاع الشمسي تدريجية للغاية بحيث لا تُسبب تحولات مناخية مفاجئة كتلك التي شُوهدت في بداية ونهاية العصر الرطب الأفريقي بمفردها. لذا، ولتفسير هذه التحولات السريعة في مناخ الصحراء الكبرى، اقتُرحت عدة آليات تغذية راجعة غير خطية . ومن أكثر هذه الآليات شيوعًا تفاعلات الغطاء النباتي مع الغلاف الجوي . ^{[ 19 ]} وقد أظهرت النماذج الحاسوبية التي تدرس تفاعلات الغطاء النباتي مع الغلاف الجوي والإشعاع الشمسي في شمال أفريقيا قدرتها على محاكاة التحولات السريعة بين نظامي "الصحراء الخضراء" و"الصحراء القاحلة". ^{[ 1 ] [ 20 ]} وبالتالي تشير النتائج المستخلصة من هذه النماذج إلى إمكانية وجود عتبة للغطاء النباتي والإشعاع الشمسي، والتي إذا تم الوصول إليها، تسمح لمنطقة الصحراء الكبرى بالانتقال بسرعة من "الصحراء الخضراء" إلى "الصحراء القاحلة" والعكس صحيح.