لا أحد يعرف سبب حدوث ذلك يتسابق العلماء لفهم السلوك المحير لـ السحب المتكتلة

تنظر كارولين مولر إلى السحب بشكل مختلف عن معظم الناس. وفي حين قد يرى الآخرون أعشاب من الفصيلة الخبازية المنتفخة أو حلوى القطن الناعمة أو أجسامًا رمادية مدوية تقتحم السماء، يرى مولر السوائل تتدفق عبر السماء. إنها تتخيل كيف يرتفع الهواء وينخفض، ويسخن ويبرد، وكيف يلتف ويدور ليشكل السحب ويخلق العواصف.

لكن الإلحاح الذي يتعامل به مولر – عالم المناخ في معهد العلوم والتكنولوجيا النمساوي في كلوستيرنوبورج – مع مثل هذه الألغاز الجوية، قد تزايد في السنوات الأخيرة. بينما يعاني كوكبنا من الحرارة الشديدة بسبب ظاهرة الانحباس الحراري العالمي، أصبحت العواصف أكثر شدة، حيث تتسبب في بعض الأحيان في هطول أمطار أكثر مرتين أو حتى ثلاث مرات مما كان متوقعا. وكان هذا هو الحال في باهيا بلانكا، الأرجنتين، في مارس/آذار 2025: فقد سقط ما يقرب من نصف متوسط ​​هطول الأمطار السنوي في المدينة في أقل من 12 ساعة، مما تسبب في فيضانات مميتة.

لقد استخدم علماء الغلاف الجوي منذ فترة طويلة عمليات المحاكاة الحاسوبية لتتبع كيف يمكن لديناميكيات الهواء والرطوبة أن تنتج أنواعًا مختلفة من العواصف. لكن النماذج الحالية لم تفسر بشكل كامل ظهور هذه العواصف الأكثر شراسة. تصف نظرية عمرها 200 عام تقريبًا كيف يحتفظ الهواء الأكثر دفئًا بالرطوبة أكثر من الهواء البارد: 7 بالمائة إضافية لكل درجة مئوية من الاحترار. ولكن في النماذج وعمليات رصد الطقس، رأى علماء المناخ أن هطول الأمطار يتجاوز بكثير هذه الزيادة المتوقعة. ويمكن أن تؤدي هذه العواصف إلى فيضانات شديدة عندما تهطل الأمطار الغزيرة على التربة المشبعة بالفعل أو تتبع موجات الحر الرطبة.

يمكن أن تساعد الغيوم وطريقة تجمعها في تفسير ما يحدث.

تكشف مجموعة متزايدة من الأبحاث، التي بدأها مولر منذ أكثر من عقد من الزمان، عن العديد من العمليات الصغيرة النطاق التي تجاهلتها النماذج المناخية في السابق. وتؤثر هذه العمليات على كيفية تشكل السحب وتجمعها واستمرارها بطرق قد تؤدي إلى تفاقم هطول الأمطار الغزيرة وتغذية عواصف أكبر وطويلة الأمد. يقول مولر إن الغيوم لها “حياة داخلية يمكنها تقويتها أو قد تساعدها على البقاء على قيد الحياة لفترة أطول”.

ويحتاج علماء آخرون إلى قدر أكبر من الإقناع، لأن المحاكاة الحاسوبية التي يستخدمها الباحثون لدراسة السحب تقلل كوكب الأرض إلى أبسط أشكاله وأكثرها سلاسة، مع الاحتفاظ بفيزياءه الأساسية ولكنها بالكاد تشبه العالم الحقيقي.

لكن الآن هناك حاجة إلى فهم أعمق. يمكن لنماذج المناخ العالمية عالية الدقة أخيرًا محاكاة السحب والعواصف المدمرة التي تشكلها على نطاق الكوكب، مما يمنح العلماء صورة أكثر واقعية. ومن خلال فهم السحب بشكل أفضل، يأمل الباحثون في تحسين توقعاتهم لهطول الأمطار الغزيرة، خاصة في المناطق الاستوائية حيث تضرب بعض العواصف الرعدية الأكثر شراسة وحيث تكون توقعات هطول الأمطار في المستقبل غير مؤكدة.

القرائن الأولى لتكتل السحب

تتشكل جميع الغيوم في هواء رطب ومرتفع. أ جبل يمكنها دفع الهواء إلى الأعلى؛ وكذلك الحال بالنسبة للجبهة الباردة. يمكن أن تتشكل الغيوم أيضًا من خلال عملية تعرف باسم الحمل الحراري: انقلاب الهواء في الغلاف الجوي الذي يبدأ عندما تقوم أشعة الشمس أو الأرض الدافئة أو الماء المعتدل بتسخين الهواء من الأسفل. ومع صعود الهواء الدافئ، فإنه يبرد، مما يؤدي إلى تكثيف بخار الماء الذي يحمله إلى الأعلى إلى قطرات المطر. تؤدي عملية التكثيف هذه أيضًا إلى إطلاق الحرارة، مما يؤدي إلى تغذية العواصف المضطربة.

لكن تظل السحب واحدة من أضعف الحلقات في النماذج المناخية. وذلك لأن نماذج المناخ العالمي التي يستخدمها العلماء لمحاكاة سيناريوهات الاحترار المستقبلي خشنة للغاية بحيث لا يمكنها التقاط التيارات الصاعدة التي تؤدي إلى ظهور السحب أو وصف كيفية دورانها في العاصفة – ناهيك عن تفسير العمليات الفيزيائية الميكروفيزيائية التي تتحكم في كمية الأمطار المتساقطة منها إلى الأرض.

لمحاولة حل هذه المشكلة، لجأ مولر وغيره من العلماء ذوي التفكير المماثل إلى محاكاة أبسط لمناخ الأرض القادرة على نمذجة الحمل الحراري. في هذه العوالم الاصطناعية، التي يتخذ كل منها شكل صندوق ضحل يبلغ عرضه بضع مئات من الكيلومترات وعمقه عشرات الكيلومترات، تلاعب الباحثون بأغلفة جوية طبق الأصل لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم معرفة كيفية تصرف السحب في ظل ظروف مختلفة.

ومن المثير للاهتمام أنه عندما قام الباحثون بتشغيل هذه النماذج، تجمعت السحب معًا تلقائيًا، على الرغم من أن النماذج لم تكن تحتوي على أي من الميزات التي تدفع السحب معًا عادةً – لا جبال، ولا رياح، ولا دوران أرضي، أو تغيرات موسمية في ضوء الشمس. يقول دانييل هيرنانديز ديكرز، عالم الغلاف الجوي في جامعة كولومبيا الوطنية في بوجوتا: “لم يكن أحد يعرف سبب حدوث ذلك”.

في عام 2012، مولر اكتشف الدليل الأول: عملية تعرف بالتبريد الإشعاعي. تشع حرارة الشمس التي ترتد عن سطح الأرض مرة أخرى إلى الفضاء، وحيثما تكون السحب قليلة، يهرب المزيد من هذا الإشعاع، مما يؤدي إلى تبريد الهواء. تشكل البقع الباردة تدفقات جوية تدفع الهواء نحو المناطق الأكثر غيومًا، مما يؤدي إلى حبس المزيد من الحرارة وتشكيل المزيد من السحب. وأظهرت دراسة متابعة في عام 2018 أنه في عمليات المحاكاة هذه، تم التبريد الإشعاعي تسارع تشكيل الأعاصير المدارية. يقول مولر: “هذا جعلنا ندرك أنه لكي نفهم السحب، عليك أن تنظر إلى المنطقة المجاورة أيضًا – السحب الخارجية”.

بمجرد أن بدأ العلماء في النظر ليس فقط خارج السحب، ولكن أيضًا تحتها وعند حوافها، وجدوا عمليات أخرى صغيرة الحجم تساعد في تفسير سبب تجمع السحب معًا. العمليات المختلفة، التي وصفها مولر وزملاؤه في المراجعة السنوية لميكانيكا الموائعكل ذلك يجمع أو يجمع جيوبًا من الهواء الدافئ الرطب معًا بحيث تتشكل المزيد من السحب في المناطق الملبدة بالغيوم بالفعل. لم تكن هذه العمليات صغيرة النطاق مفهومة كثيرًا من قبل لأنها غالبًا ما تكون محجوبة بسبب أنماط الطقس الأكبر.

كان هيرنانديز ديكرز يدرس إحدى العمليات، التي تسمى التصريف، وهي الخلط المضطرب للهواء عند حواف السحب. معظم النماذج المناخية تمثل السحب كعمود ثابت من الهواء الصاعد، ولكن في الواقع “السحب تشبه القرنبيط”، كما يقول. “لديك الكثير من الاضطراب، ولديك فقاعات (من الهواء) داخل السحب.” يؤثر هذا الاختلاط عند الحواف على كيفية تطور السحب وتطور العواصف الرعدية. فهو يمكن أن يضعف العواصف أو يقويها بطرق مختلفة، ولكنه، مثل التبريد الإشعاعي، يشجع المزيد من السحب على التشكل ككتلة في المناطق الرطبة بالفعل.

من المرجح أن تكون مثل هذه العمليات أكثر أهمية في العواصف في المناطق الاستوائية من الأرض، حيث يوجد قدر كبير من عدم اليقين بشأن هطول الأمطار في المستقبل. (ولهذا السبب يميل هيرنانديز ديكرز ومولر وآخرون إلى تركيز دراساتهم هناك). وتفتقر المناطق الاستوائية إلى الجبهات الباردة، والتيارات النفاثة، وأنظمة الضغط المرتفع والمنخفض المتصاعدة التي تهيمن على تدفقات الهواء عند خطوط العرض العليا.

شحن أمطار غزيرة

هناك عمليات مجهرية أخرى تحدث داخل السحب وتؤثر على هطول الأمطار الغزيرة، خاصة على فترات زمنية أقصر. الرطوبة مهمة: القطرات المتكثفة التي تسقط عبر الهواء الرطب الغائم لا تتبخر كثيرًا عند هبوطها، لذلك يسقط المزيد من الماء على الأرض. ودرجة الحرارة مهمة أيضًا: فعندما تتشكل السحب في أجواء أكثر دفئًا، فإنها تنتج كميات أقل من الثلوج ومزيدًا من الأمطار. منذ سقوط قطرات المطر بشكل أسرع من رقاقات الثلجفهي تتبخر بشكل أقل عند هبوطها، مما يؤدي مرة أخرى إلى هطول المزيد من الأمطار.

تساعد هذه العوامل أيضًا في تفسير سبب هطول المزيد من الأمطار من السحابة مقارنة بارتفاع 7 بالمائة لكل درجة من الاحترار التي تنبأت بها النظرية التي يبلغ عمرها 200 عام. يقول مارتن سينغ، عالم المناخ في جامعة موناش في ملبورن، أستراليا: “في الأساس، تحصل على دفعة إضافية… في عمليات المحاكاة التي أجريناها، تضاعفت تقريبًا”.

ويضيف تجمع السحب إلى هذا التأثير عن طريق احتجاز الهواء الدافئ الرطب معًا، مما يؤدي إلى تساقط المزيد من قطرات المطر. وجدت إحدى الدراسات التي أجرتها مولر ومعاونوها ذلك تكثف السحب المتكتلة ويتراوح معدل هطول الأمطار على المدى القصير بين 30 إلى 70 في المائة، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى تبخر قطرات المطر بشكل أقل داخل السحب الرطبة.

كما وجدت أبحاث أخرى، بما في ذلك دراسة أجراها جياوي باو، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة مولر، أن العمليات الفيزيائية الدقيقة التي تحدث داخل السحب لها تأثير قوي على هطول أمطار غزيرة وسريعة. هذه الأمطار الغزيرة المفاجئة هي تكثيف أسرع بكثير مع تغير المناخ من الفيضانات التي طال أمدها، وغالبا ما تسبب فيضانات مفاجئة.

مستقبل هطول الأمطار الغزيرة

يريد العلماء الذين يدرسون تكتل السحب أن يعرفوا كيف سيتغير هذا السلوك مع ارتفاع حرارة الكوكب، وماذا يعني ذلك بالنسبة لحوادث هطول الأمطار الغزيرة والفيضانات.

وتشير بعض النماذج إلى أن السحب (والحمل الحراري الذي يؤدي إلى نشوئها) سوف تتجمع معاً بشكل أكبر مع الانحباس الحراري العالمي ــ وتنتج المزيد من الأمطار المتطرفة التي غالباً ما تتجاوز كثيراً ما تتنبأ به النظرية. لكن عمليات محاكاة أخرى تشير إلى أن السحب سوف تتجمع بشكل أقل. تقول أليسون وينج، عالمة المناخ بجامعة ولاية فلوريدا في تالاهاسي، التي قارنت نماذج مختلفة: “يبدو أنه لا يزال هناك مجموعة من الإجابات”.

وقد بدأ العلماء في محاولة التوفيق بين بعض هذه التناقضات باستخدام أنواع قوية من المحاكاة الحاسوبية تسمى نماذج حل العواصف العالمية. يمكنها التقاط الهياكل الدقيقة للسحب والعواصف الرعدية والأعاصير مع محاكاة المناخ العالمي أيضًا. إنها تحقق قفزة بمقدار 50 ضعفًا في الواقعية تتجاوز نماذج المناخ العالمية التي يستخدمها العلماء عمومًا، ولكنها تتطلب قوة حسابية أكبر بمقدار 30 ألف مرة.

باستخدام أحد هذه النماذج في ورقة بحثية نُشرت عام 2024، وجد باو ومولر ومعاونوهم أن السحب في المناطق الاستوائية تجمعوا أكثر مع ارتفاع درجات الحرارة – مما أدى إلى حدوث عواصف أقل تواترًا، ولكن العواصف كانت أكبر، واستمرت لفترة أطول، وعلى مدار اليوم، تسببت في هطول أمطار أكثر مما كان متوقعًا من الناحية النظرية.

لكن هذا العمل اعتمد على نموذج واحد فقط وظروف محاكاة من نقطة زمنية مستقبلية واحدة تقريبًا، وهي عام 2070. ويحتاج العلماء إلى إجراء عمليات محاكاة أطول باستخدام المزيد من نماذج حل العواصف، كما يقول باو، لكن عددًا قليلًا جدًا من الفرق البحثية يمكنها تحمل تكاليف تشغيلها. فهي كثيفة العمليات الحسابية إلى درجة أنها تدار عادة في مراكز مركزية كبيرة، ويستضيف العلماء أحيانًا “مسابقات هاكاثون” لمعالجة البيانات ومشاركتها.

يحتاج الباحثون أيضًا إلى المزيد من عمليات الرصد الواقعية للوصول إلى بعض أكبر الأمور المجهولة حول السحب. على الرغم من أن موجة من الدراسات الحديثة التي استخدمت بيانات الأقمار الصناعية ربطت بين تجمع السحب وهطول الأمطار الغزيرة في المناطق الاستوائية، إلا أن هناك فجوات كبيرة في البيانات في العديد من المناطق الاستوائية. وهذا يضعف التوقعات المناخية ويترك العديد من البلدان غير مستعدة. في يونيو من عام 2025، جرفت الفيضانات والانهيارات الأرضية في فنزويلا وكولومبيا المباني وقتلت ما لا يقل عن عشرة أشخاص، لكن العلماء لا يعرفون ما هي العوامل التي أدت إلى تفاقم هذه العواصف لأن البيانات تافهة للغاية. يقول هيرنانديز ديكرز: “لا أحد يعرف حقًا ما الذي أدى إلى ذلك”.

البيانات الدقيقة الجديدة في طريقها. يقوم وينج بتحليل قياسات هطول الأمطار من سفينة أبحاث ألمانية اجتازت المحيط الأطلسي الاستوائي لمدة ستة أسابيع في عام 2024. وقد رسم رادار السفينة خرائط لمجموعات من الحمل الحراري المرتبط بالعواصف التي مرت بها، لذلك من المفترض أن يساعد العمل الباحثين على معرفة كيفية تنظيم السحب على مساحات واسعة من المحيط.

وهناك رؤية أكثر عالمية تلوح في الأفق. ال وكالة الفضاء الأوروبية وتخطط الشركة لإطلاق قمرين صناعيين في عام 2029 لقياس الرياح القريبة من السطح التي تهز محيطات الأرض وتتزلج على قمم الجبال، من بين أشياء أخرى. ربما يأمل العلماء أن توفر البيانات التي ترسلها هذه الأقمار الصناعية أخيرًا فهمًا أفضل للسحب المتكتلة والأمطار الغزيرة التي تسقط منها.

تم دعم الأبحاث والمقابلات الخاصة بهذا المقال جزئيًا من خلال الإقامة الصحفية الممولة من معهد العلوم والتكنولوجيا في النمسا (ISTA). لم يكن لدى ISTA أي مساهمة في القصة.

ظهرت هذه المقالة في الأصل في مجلة المعرفة، وهي مطبوعة غير ربحية مخصصة لجعل المعرفة العلمية في متناول الجميع. اشترك في النشرة الإخبارية لمجلة Knowable.