استخرجت البعثات العلمية الحديثة عينات أسطوانية من الغطاء الجليدي في القطب الجنوبي الذي يحتوي على الجليد الذي تشكل منذ حوالي 3 ملايين سنة. تحتوي هذه المواد على تجاويف غازية صغيرة بداخلها. يعمل الهواء المحبوس في هذه الفقاعات بمثابة سجل مباشر لتكوين الغلاف الجوي للأرض في العصور الجيولوجية البعيدة. وهدف الباحثين هو مقارنة خصائص هذا المناخ القديم مع الظروف الجوية والغلاف الجوي التي يواجهها الكوكب حاليا.
تركز الفرق المتخصصة في علم الجليد وعلم المناخ القديم تحليلاتها على تركيزات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والميثان (CH₄) المحفوظة في المادة. تعمل هذه الغازات الدفيئة كمؤشرات دقيقة لكيفية تفاعل الكوكب مع التقلبات الطبيعية في الطاقة الشمسية في الماضي. يتم دمج النتائج التي تم الحصول عليها من الجليد مع نماذج الكمبيوتر الحديثة التي تتوقع ظاهرة الاحتباس الحراري. توفر قاعدة البيانات مرجعًا تاريخيًا أساسيًا لمعايرة التنبؤات المناخية للعقود القادمة.
عملية الحفر والتأريخ للعينات المجمدة
ويتطلب الحصول على العينات الجليدية عمليات حفر عميقة في الطبقات الواسعة من القارة القطبية الجنوبية. يتراكم تساقط الثلوج السنوي على السطح ويخضع للضغط المستمر. تشكل هذه العملية طبقات متداخلة تعمل بمثابة أرشيف مناخي عالي الدقة. يتيح استخراج أسطوانة مستمرة للعلماء الوصول إلى جدول زمني مادي. ويمتد التسلسل من السطح الحديث إلى الأعماق التي تمثل ملايين السنين من التاريخ الجيولوجي.
تظهر أجزاء من الجليد تقترب من علامة 3 ملايين سنة تشوهات هيكلية ناجمة عن الضغط الهائل الذي تحملته على مدى آلاف السنين. يتم التغلب على هذه العقبة التحليلية من خلال تقنيات المواعدة المتقدمة. تستخدم المختبرات أعداد النظائر المشعة والمعلومات المرجعية مع سجلات الرواسب البحرية لتحديد العمر الدقيق لكل طبقة. وتضمن دقة هذه الأساليب موثوقية التقديرات الزمنية المطبقة على الدراسات المناخية.
الفاصل الزمني الذي تم فحصه يتوافق مع العصر الحديث. سجلت هذه الحقبة الجيولوجية متوسط درجات حرارة عالمية أعلى من تلك الموثقة طوال القرن العشرين. وكانت المحيطات أعلى بعدة أمتار من الخط الساحلي الحالي. الفرق في هذه الفترة يكمن في غياب التدخل البشري. كان الكوكب يعمل في حالة أكثر دفئًا دون حرق الوقود الأحفوري. ويقدم السيناريو للعلم أساسًا نظيفًا للمقارنة لتقييم حجم الاحترار الناجم عن الأنشطة الصناعية منذ الثورة الصناعية.
التحليل المختبري لفقاعات الهواء المحاصرة
تحدث آلية تكوين فقاعة الهواء أثناء الانتقال من الثلج إلى الجليد الكثيف. يؤدي الضغط تدريجيًا إلى إزالة المساحات الفارغة بين البلورات المجمدة. تغلق المسام بشكل محكم على مر القرون. الهواء من البيئة المحيطة في تلك الحقبة المحددة محصور داخل الهيكل. ويظل خليط الغازات الذي يتكون منه الغلاف الجوي لتلك الفترة محفوظًا دون تغيير تقريبًا داخل كل كبسولة صغيرة.
تتطلب معالجة المواد بيئات مختبرية خاضعة لرقابة صارمة. يقوم المتخصصون بقطع شظايا ملليمترية من القلب الرئيسي وإدخالها في غرف استخراج متخصصة. ينكسر الجليد تحت ظروف الفراغ المطلق. يقوم هذا الإجراء بإطلاق هواء الأجداد إلى أنظمة التحليل دون التعرض لخطر التلوث بالهواء المعاصر. تقوم أجهزة قياس الطيف عالية الحساسية بقياس النسب الدقيقة لثاني أكسيد الكربون، والميثان والغازات النزرة الأخرى الموجودة في العينة.
وتعتمد إعادة بناء الغلاف الجوي القديم على تكامل متغيرات متعددة مستخرجة من نفس القطعة. يحمل هيكل الماء المتجمد نفسه بيانات أساسية للبحث. تكشف نسبة الأكسجين إلى نظائر الهيدروجين عن تقلبات درجات الحرارة المحلية وقت هطول الثلوج. يقوم الفريق العلمي بدمج قياسات الغاز وتحليل النظائر وتعداد جزيئات الغبار الدقيقة. يتيح الجمع بين هذه المعلومات إنشاء نظرة عامة مفصلة عن ديناميكيات المناخ منذ ملايين السنين.
العلاقة التاريخية بين الغازات الدفيئة ودرجة الحرارة
ويؤكد امتداد السجلات الجليدية إلى علامة 3 ملايين سنة أنماط السلوك الجوي التي تم تحديدها في العينات الأحدث. الزيادة في تركيزات ثاني أكسيد الكربون تسبق الزيادة في درجات الحرارة العالمية. يحدث ارتفاع درجة حرارة الكوكب مع تأخر الاستجابة لبضع مئات من السنين بعد ذروة الغاز. يُظهر الميثان ديناميكيات مماثلة في السجلات. يتمتع CH₄ بقدرة أكبر على الاحتفاظ بالحرارة، على الرغم من أنه يدور بكميات أصغر في الغلاف الجوي للأرض.
تشير تقديرات المراحل الأكثر سخونة من العصر البليوسيني إلى تركيزات ثاني أكسيد الكربون تقترب من 400 جزء في المليون. كان متوسط درجة حرارة الكوكب أعلى ببضع درجات من المعدلات الحالية في ظل هذا التكوين الجوي. تسببت الحرارة الإضافية في تراجع كبير للكتل الجليدية الكبيرة الموجودة في جرينلاند وغرب القارة القطبية الجنوبية. وأدى الذوبان واسع النطاق إلى إعادة تشكيل الجغرافيا القطبية لتلك الحقبة الجيولوجية.
وتشير الدراسات الإضافية التي أجريت على التكوينات الرسوبية الساحلية إلى أن مستوى سطح البحر وصل إلى ما بين 10 و20 مترًا فوق المستوى المعاصر. إن العلاقة بين وجود الغازات والتغير الحراري تحدد درجة حساسية الأرض للمناخ. يحدد المؤشر متوسط الاحترار الناتج عن كميات محددة من ثاني أكسيد الكربون. تُظهر العينات الجليدية أن النظام المناخي يحافظ على استجابة متسقة عبر الزمن الجيولوجي. إن العلاقة بين تركيز الغاز واحتباس الحرارة تتغلب على التغيرات الطبيعية في مدار وميل محور الأرض.
توقعات المناخ على أساس سجلات البليوسين
تسجل محطات مراقبة الغلاف الجوي الحالية تركيزات ثاني أكسيد الكربون تتجاوز 420 جزءًا في المليون. يتجاوز المؤشر جميع القيم القصوى الموثقة في أقدم العينات الجليدية التي تم استخراجها على الإطلاق. لقد عززت البشرية التركيب الكيميائي للغلاف الجوي إلى مستوى غير مسبوق ضمن المقياس الجيولوجي الذي يمكن التحقق منه مباشرة من خلال عينات من القارة القطبية الجنوبية.
تتضمن نماذج الإسقاطات المناخية بيانات الجليد القديمة لحساب السيناريوهات المستقبلية. وتشير عمليات المحاكاة إلى احترار إضافي شديد في العقود المقبلة. يتفاعل النظام المناخي ببطء مع التغيرات في تكوين الهواء. إن التخفيض الفوري في الانبعاثات لا يمنع استمرار بعض العمليات التي بدأت بالفعل. تستغرق القبعات القطبية والتيارات المحيطية والغطاء النباتي قرونًا لإنشاء نقطة توازن حراري جديدة. ينظم المجتمع العلمي الاكتشافات الهيكلية على النحو التالي:
- ديناميات الغاز: الزيادات في تركيزات ثاني أكسيد الكربون والميثان تسبق وترافق مراحل الاحتباس الحراري الطويل الأمد.
- التمدد الحراري: يؤدي ارتفاع درجة حرارة مياه المحيطات إلى تمدد حجمي ويسرع من ذوبان الرفوف الجليدية الساحلية.
- الارتفاع المحيطي: سجلت العصور الجيولوجية ذات مستويات ثاني أكسيد الكربون المكافئة لمستويات اليوم خطوطًا ساحلية أعلى بكثير.
- سرعة التغير: كانت التحولات المناخية الطبيعية في الماضي تتطلب آلاف السنين، بينما تحدث التغيرات الحديثة في غضون بضعة عقود.
تعمل النوى الجليدية التي يبلغ عمرها 3 ملايين عام كأرشيف للقدرات والحدود المادية للكوكب. إن تجاوز كميات معينة من غازات الدفيئة يؤدي إلى آليات استجابة حتمية. إن الزيادة في درجة الحرارة والذوبان القطبي وتعديل أنظمة هطول الأمطار تخضع للمبادئ الراسخة للديناميكا الحرارية في الغلاف الجوي. إن مراقبة الماضي تعزز فهم الأداء الميكانيكي لمناخ الأرض.
إن دمج البيانات المستخرجة من الجليد مع المعلومات من الرواسب البحرية وحلقات نمو الأشجار يشكل قاعدة معرفية قوية. يتجه المناخ المعاصر نحو حالة حرارية تشبه البليوسين. الفرق المركزي يكمن في سرعة التحول. ويؤدي الحرق المستمر للوقود الأحفوري والتوسع الزراعي وتغير استخدام الأراضي إلى تسريع العملية بوتيرة غير مسبوقة. توفر الطبقات المتجمدة في القارة القطبية الجنوبية مقاييس دقيقة حول عواقب تراكم الغاز. إن دراسة الجليد القديم تحول السجلات السابقة إلى معايير أساسية لتخطيط سياسات التخفيف من آثار المناخ في الوقت الحاضر.