مفهوم التباين الشمسي وعلاقته بالمناخ والأرض
 

هو التغير في كمية الإشعاع المنبعث من الشمس، حيث يمكن تعريف الإشعاع الشمسي بأنه هو الطاقة لكل وحدة مساحة (واط لكل متر مربع ، W / m2)، يتم تلقيها من الشمس في شكل إشعاع كهرومغناطيسي كما هو مذكور في نطاق الطول الموجي لأداة القياس، غالبًا ما يتم دمج الإشعاع الشمسي خلال فترة زمنية معينة من أجل الإبلاغ عن الطاقة المشعة المنبعثة في البيئة المحيطة خلال تلك الفترة الزمنية.


يصف التباين الشمسي التغير في ناتج أشعة الشمس، الشمس هي في الأساس مصدر كل الطاقة على الأرض وبغض النظر عن العوامل المقيدة وحتى التضخمية الأخرى فإذا تم تغيير كمية الإشعاع من الشمس فإن ذلك سيؤثر على التشوه لدرجة الحرارة، يمكن أن يختلف الإشعاع من حيث الكمية والنوعية حيث أن الكمية تصف ببساطة كمية الإشعاع لكن الجودة تشير أيضًا إلى النوع الموجود في الطيف أي نوع الأشعة فوق البنفسجية المنبعثة.


تختلف كمية الإشعاع من خلال مقدار النشاط الذي يتم رؤيته على سطح الشمس والذي يمكن أن يتجلى على أنه “بقعة شمسية” وهي منطقة معزولة على سطح الشمس تكون أكثر برودة وأكثر قتامة بشكل واضح، البقع الشمسية هي عمومًا ضعف قطر الأرض وتتكون بشكل عام في أزواج وتكون عند درجة حرارة أكثر برودة بكثير حوالي 4240 كلفن (3966.85 درجة مئوية) مقارنة بدرجة الحرارة العادية لسطح الشمس عند حوالي 6000 كلفن (5.726.85 درجة مئوية).


ولدراسة وقياس الإشعاع الشمسي هناك عدة تطبيقات مهمة بما في ذلك التنبؤ بتوليد الطاقة من محطات الطاقة الشمسية وتسخين وتبريد الأحمال للمباني وفي النمذجة المناخية والتنبؤ بالطقس.
 

علاقة التباين الشمسي بالمناخ والأرض:
 

في مخطط المجرة للأشياء تعتبر الشمس هي نجمة ثابتة بشكل ملحوظ، في حين أن بعض النجوم تُظهر نبضات دراماتيكية باردة بشكل كبير في الحجم والسطوع، حيث أن لمعان شمسنا يختلف بنسبة 0.1 ٪ على مدار الدورة الشمسية لمدة 11 عامًا.


مع ذلك فإن هناك إدراك بلزوغ الفجر بين فيه الباحثين أنه حتى هذه الاختلافات الصغيرة على ما يبدو يمكن أن يكون لها تأثير كبير على المناخ الأرضي، حيث وجد تقرير جديد صادر عن المجلس القومي للبحوث (NRC) “آثار التقلبات الشمسية على مناخ الأرض” يوضح فيه بعض الطرق المعقدة بشكل مدهش والتي يمكن أن يجعل النشاط الشمسي نفسه على كوكبنا.


يتطلب فهم الاتصال بين الشمس والمناخ مجموعة واسعة من الخبرات في مجالات مثل فيزياء البلازما والنشاط الشمسي وكيمياء الغلاف الجوي وديناميكيات السوائل وفيزياء الجسيمات النشطة وحتى التاريخ الأرضي، لا يوجد باحث واحد لديه مجموعة كاملة من المعرفة المطلوبة لحل المشكلة.


وأشار احد العلماء أنه في حين أن الاختلافات في السطوع خلال الدورة الشمسية التي تبلغ 11 عامًا تصل إلى عُشر نسبة مئوية فقط من إجمالي إنتاج الشمس مثل هذا الجزء الصغير لا يزال مهمًا، حيث يقول أيضاً: “حتى الاختلافات النموذجية قصيرة المدى بنسبة 0.1٪ في الإشعاع الناتج عن الحوادث تتجاوز جميع مصادر الطاقة الأخرى (مثل الإشعاع الطبيعي في قلب الأرض) مجتمعة”.


من الأهمية بمكان إشعاع الشمس فوق البنفسجي المتطرف الذي يبلغ ذروته خلال السنين حول الحد الأقصى للطاقة الشمسية ضمن النطاق الضيق نسبيًا لأطوال موجات، لا يختلف ناتج الشمس بمقدار ضئيل 0.1٪ ، ولكن بعوامل ضخمة تبلغ 10 أو أكثر وهذا يمكن أن يؤثر بشدة على الكيمياء والهيكل الحراري للغلاف الجوي العلوي.


يمكن أن تنتقل التغيرات في الغلاف الجوي العلوي إلى سطح الأرض، حيث أن هناك العديد من المسارات “من أعلى إلى أسفل” لتأثير الشمس فعلى سبيل المثال وصف تشارلز جاكمان من مركز جودارد لرحلات الفضاء كيف يمكن لأكاسيد النيتروجين (NOx) التي تم إنشاؤها بواسطة جزيئات الطاقة الشمسية والأشعة الكونية في الستراتوسفير أن تقلل من مستويات الأوزون بنسبة قليلة نظرًا لأن الأوزون يمتص الأشعة فوق البنفسجية وهذا يعني انخفاض نسبة الأوزون، حيث أن المزيد من الأشعة فوق البنفسجية من الشمس ستصل إلى سطح الأرض.


اتخذ إسحاق هيلد من NOAA هذه الخطوة إلى الأمام ووصف كيف يمكن لفقدان الأوزون في الستراتوسفير أن يغير ديناميكيات الغلاف الجوي ويوضح قائلاً: “إن تبريد الستراتوسفير القطبي المرتبط بفقدان الأوزون يزيد من التدرج الأفقي لدرجة الحرارة بالقرب من التروبوبوز وهذا يغير تدفق الزخم الزاوي من خلال خطوط العرض المتوسطة، كما أن الزخم الزاوي مهم؛ لأن ميزانية الزخم الزاوي من طبقة التروبوسفير تتحكم في السطح الغربي وبعبارة أخرى يمكن للنشاط الشمسي الذي يتم الشعور به في الغلاف الجوي العلوي من خلال سلسلة معقدة من التأثيرات أن يدفع مسارات العاصفة السطحية بعيدًا عن المسار.


إن تقلبية الطاقة الشمسية تترك بصمة على المناخ خاصة في منطقة المحيط الهادئ، فعندما ينظر الباحثون إلى بيانات درجة حرارة سطح البحر خلال سنوات ذروة البقع الشمسية يظهر المحيط الهادئ الاستوائي نمطًا واضحًا يشبه النينا مع تبريد حوالي 1 درجة مئوية في شرق المحيط الهادئ الاستوائي، بالإضافة إلى ذلك فهناك علامات على زيادة هطول الأمطار في منطقة المحيط الهادئ بالإضافة إلى الضغط فوق مستوى سطح البحر في منتصف خط العرض شمال وجنوب المحيط الهادئ، حيث أنها مرتبطة بالقمم في دورة البقع الشمسية.


تلعب الشمس دورًا في الاحتباس الحراري، حيث أن الشمس هي المصدر الرئيسي للحرارة لكوكبنا ومع ذلك فإن تأثير تقلبية الطاقة الشمسية أكثر من كونه إقليميًا وتعتبر منطقة المحيط الهادئ هي مثال عليها، عندما يتغير التوازن الإشعاعي للأرض كما هو الحال في حالة تغير في التأثير على الدورة الشمسية لا تتأثر جميع المواقع بشكل متساوٍ.


كما أن السجلات التاريخية للنشاط الشمسي التي طبعتها النظائر المشعة في حلقات الأشجار وقلب الجليد تقول أن الأمطار الإقليمية تبدو أكثر تأثراً من درجة الحرارة، وإذا كان هناك بالفعل تأثير شمسي على المناخ فإنه يتجلى في التغيرات في الدورة الدموية العامة وليس في إشارة درجة حرارة مباشرة.


الشمس ليست كرة مميزة من اللمعان الموحد وبدلاً من ذلك فإن النواة المظلمة من البقع الشمسية تتخلل القرص الشمسي وتنتشر مع الزبد المغناطيسي اللامع المعروف باسم التركيبات، من شأن التصوير الإشعاعي بشكل أساسي رسم خريطة لسطح الشمس وكشف إسهامات كل منها في لمعان الشمس، في حين تميل البقع الشمسية الداكنة إلى الزوال خلال الحد الأدنى من الطاقة الشمسية فإن التركيبات اللامعة لا تتلاشى، وفي القرن التاسع عشر كان هناك نشاط كبير يسمى البقع الشمسية، حيث كان هناك الكثير من التحليل الإحصائي لأعداد البقع الشمسية المتعلقة بمعلمات الأرصاد الجوية المختلفة.


وأخيرًا أشار العديد من البشر إلى صعوبة فك الارتباط بين الشمس والمناخ من سجلات المناخ القديم مثل حلقات الأشجار ونوى الجليد، حيث يمكن أن تؤثر الاختلافات في المجال المغناطيسي للأرض والدوران الجوي في ترسب النظائر المشعة أكثر بكثير من النشاط الشمسي الفعلي، وقد يتم تشفير سجل أفضل على المدى الطويل لإشعاع الشمس في صخور ورواسب القمر أو المريخ.