ما هو بخار الماء
بخار الماء مكون مهم للغلاف الجوي من خلال الدور الذي يلعبه في نظام المناخ باعتباره غازًا قويًا للاحتباس الحراري وكمصدر للغيوم، يعد بخار الماء مهمًا أيضًا كمركب كيميائي ، سواء في طبقة التروبوسفير كمصدر لجذر الهيدروكسيل ، وهو أهم عامل مؤكسد في طبقة التروبوسفير ، وفي الستراتوسفير حيث يؤثر على استنفاد الأوزون ، خاصة في المناطق القطبية.
مقدار بخار الماء في الغلاف الجوي
من المستحيل أن نعرف بشكل دقيق كمية بخار الماء في الغلاف الجوي لأن الماء موجود في كل مكان على كوكبنا، فهو يغطي 71٪ من سطح الأرض، إذا أردنا الحد من كمية بخار الماء في الغلاف الجوي ومراقبة درجة حرارة الأرض، ويجب علينا أن نحد من الغازات المسببة للاحتباس الحراري التي يمكننا، عمليا، أن تفعل شيئا مثل غاز CO 2 وغيرها من الغازات المسببة للاحتباس الحراري المعمرة.
مصادر بخار الماء
مصادر بخار الماء الموجودة في الغلاف الجوي هي :
- يتكون البخار من الماء بواسطة المسطحات المائية الكبيرة مثل المحيطات والأنهار والبحار وغيرها، وهذا يوضح الفرق بين التكثف والتبخر.
- التربة الرطبة هي مصدر أساسي لبخار الماء أيضًا.
- تعتبر عمليات حيوية مثل عملية التنفس من مصادر بخار الماء أيضًا.
- يعد الغطاء الجليدي في الأماكن الجليدية مثل القطبين من بين مصادر بخار الماء.
قياس بخار الماء في الغلاف الجوي
يمكن قياس بخار الماء في الغلاف الجوي بواسطة مجموعة متنوعة من التقنيات ومنصات المراقبة. تستخدم هذه الملاحظات بشكل رئيسي للتنبؤ العددي بالطقس ورصد وبحث كيمياء المناخ والغلاف الجوي. يتم قياس بخار الماء في الموقع باستخدام البالونات والأجهزة المعتمدة على الطائرات، وأيضا عن بعد باستخدام أجهزة الاستشعار الأرضية والأقمار الصناعية.
تشمل التقنيات المختلفة لقياس بخار الماء استخدام:
- تم تثبيت أجهزة استشعار سلبية تعمل بالموجات الدقيقة على منصات مدارية قطبية.
- تستخدم أجهزة الاستشعار التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء لإنشاء أطول سجل ساتلي لتوصيف بخار الماء وأدوات السبر.
- تستخدم أجهزة التصوير فوق البنفسجية المرئية القريبة من الأشعة تحت الحمراء طرق الاسترجاع النهاري وتستخدم قناتين وتوفر دقة مكانية عالية (بحوالي 1 كيلومتر).
- السبر الأطراف هي تقنية يتم فيها سبر طبقات مختلفة من الغلاف الجوي عن طريق المراقبة على طول شعاع مماس لا يتقاطع مع سطح الأرض.
- المسابير الراديوية هي أداة شائعة الاستخدام للقياس في الموقع، وتوفر مؤشرات عالية الجودة للرطوبة النسبية بين متغيرات أخرى، باستخدام ترتيب رأسي فريد يصل إلى 5 أمتار على مستوى عالمي. يتم إطلاق حوالي 1000 مسبار راديوي كل يوم، وتوفر مستشعرات الرطوبة في المسابير الراديوية بيانات عالية الجودة للرطوبة في معظم أجزاء التروبوسفير. ومع ذلك، يجب تطبيق تصحيحات هامة على قراءات الرطوبة في الطبقات العليا للتروبوسفير والستراتوسفير.
- تستخدم أجهزة قياس الرطوبة بنقطة الصقيع المحمولة بالبالون والتي تستخدم مرآة مبردة، حيث يتم التحكم بدرجة حرارتها بعناية عند درجة حرارة نقطة الصقيع.
- الأدوات الأرضية تسمح بالتحقيق شبه المستمر للكتلة الهوائية فوق موقع ثابت.
- تحتوي طائرات التجارية ذات المدى الطويل على أجهزة استشعار للرصد والكشف عن البخار،
يتم إعاقة الاتجاهات في بخار الماء الملحوظ في الغلاف الجوي بسبب عدم التجانس في سجلات البيانات ، والذي يحدث عند توقف برامج القياس ، على سبيل المثال ، العمر المحدود لبعثات الأقمار الصناعية أو التغييرات غير الموثقة أو المفهومة بشكل كاف في الأجهزة، يعد دمج السجلات من أدوات مختلفة لا تتفق مع بعضها مشكلة أيضًا، أحد الأمثلة على ذلك هو الإزاحة بين السجلات من أجهزة الأقمار الصناعية HALOE و MLS، ومع ذلك ، تظهر الملاحظات زيادة مطردة في إجمالي عمود بخار الماء بالإضافة إلى زيادة صافية لمدة 30 عامًا في بخار الماء في الستراتوسفير.
بخار الماء وعلاقته بالمناخ
في النصف الثاني من القرن العشرين، ظهرت كمية بخار الماء في الستراتوسفير بشكل متزايد وواضح، ولكن منذ عام 2000، تعاقبت فترات من الزيادة والانخفاض” (نيدولوها وآخرون، 2013). “لا يوجد فهم شامل حاليا لجميع الآليات التي تؤدي إلى التغيرات المناخية بسبب كمية بخار الماء في الستراتوسفير، ومع ذلك، فإن الرطوبة النسبية تلعب دورا هاما وتسهم في نقل الغازات من التروبوسفير إلى الستراتوسفير عبر التروبوبوز المداري. تأثير الرطوبة على الضغط الجوي يرجع إلى درجات الحرارة المنخفضة في هذه المنطقة من الغلاف الجوي، حيث يتم تجفيف الهواء بالتجميد ويصل بخار الماء بكميات قليلة جدا إلى الستراتوسفير. في الواقع، تعتبر عملية أكسدة الميثان المنقول من التروبوسفير مصدرا مهما لبخار الماء في الستراتوسفير.
النماذج المستخدمة للتنبؤ بالمناخ في المستقبل
تهدف استخدام بيانات إعادة التحليل إلى التحقق من صحة تصميم المناخ الحالي، وبالتالي، فإن عدم توفر بيانات دقيقة حول تكثف بخار الماء في منطقة UTLS المهمة وعدم معرفة العوامل التي تؤثر في التكاثف سيؤدي إلى تقليل قدرة هذه النماذج على التنبؤ بالمناخ المستقبلي.
بخار الماء كمركب كيميائي
بالإضافة إلى كونها تعمل كغازات دفيئة وكمصدر للسحب ، فإن جزيئات الماء تشارك أيضًا في التفاعلات الكيميائية في الغلاف الجوي، يعد بخار الماء ، إلى جانب الأوزون ، مصدرًا مهمًا لتكوين شق الهيدروكسيل شديد التفاعل (OH)، وOH الراديكالي هو الأكثر أكسدة هامة في الغلاف الجوي السفلي، وتوفير بالوعة المهيمن للعديد من الغازات المسببة للاحتباس الحراري (على سبيل المثال، CH 4 ، مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية، الهيدروفلوروكربون) والملوثات (على سبيل المثال، CO وغير الميثان الهيدروكربونات). في الهواء النظيف ، يتم تشكيل جذور OH من خلال هذا الزوج من التفاعلات الكيميائية:
O 3 + n (I <340nm) -> O 2 + O ( 1 D)
O ( 1 D) + H 2 O -> 2OH
تعتمد وفرة الهيدروكسيل (OH) في الغلاف الجوي على كمية الأوزون وبخار الماء، ويعتمد إنتاج الهيدروكسيل أيضا على كمية الأوزون في الطبقات العليا لأن ذلك يحدد كمية الإشعاع فوق البنفسجي القصير اللازم لتفكيك جزيء الأوزون.
بينما تكون طبقة التروبوسفير رطبة تماما، تكون طبقة الستراتوسفير جافة جدا وعادة لا تحتوي على غيوم تقريبا بسبب تركيز بخار الماء الضعيف، حيث يكون نسبته حوالي 5 جزء في المليون. ومع ذلك، إذا انخفضت درجة الحرارة إلى أقل من -78 درجة مئوية، يمكن أن يتشكل نوع خاص من الماء وحمض النيتريك (HNO 3 • 3H 2 O) على جزيئات الجليد، وتحدث تفاعلات كيميائية لتحويل المركبات الكلورية الغير ضارة (مثل حمض الهيدروكلوريك ونترات الكلور، ClONO 2 ) إلى أشكال تفاعلية (مثل أول أكسيد الكلور، ClO) التي تدمر طبقة الأوزون.
زيادة تركيز بخار الماء ستؤدي إلى انخفاض درجات الحرارة في طبقة الستراتوسفير، وبسبب تغير المناخ، فإن ظهور المزيد من هذه السحب سيؤدي إلى استنفاد أكثر لطبقة الأوزون، طالما بقي تركيز الغازات المؤدية للاستنفاد مرتفعًا.
تتشكل سحب اللؤلؤ في الستراتوسفير على ارتفاع 20-25 كم فوق سطح الأرض، على شكل موجات ليبية، عندما تهب رياح غربية قوية فوق جبال النرويج. الألوان ناتجة عن الانعراج حول جزيئات الجليد التي تكون هذه السحب. على الرغم من جمالها، إلا أنها تنذر بتدمير طبقة الأوزون من خلال تحويل مركبات الهالوجين السلبية إلى أنواع نشطة تفسد الأوزون.
نتيجة مراقبة بخار الماء
توزيع بخار الماء في طبقة التروبوسفير العليا والستراتوسفير غير معروف جيدًا بسبب ندرة الملاحظات في هذه المنطقة من الغلاف الجوي، التوزيع العالمي لبخار الماء في طبقة التروبوسفير العليا والستراتوسفير غير معروف جيدًا بسبب ندرة عمليات الرصد الرأسية عالية الدقة في هذه المنطقة من الغلاف الجوي.
في بعض الحالات، تكون هناك اختلافات كبيرة بين بيانات الأقمار الصناعية وبيانات مقياس الرطوبة عند نقطة الصقيع وإعادة تحليل الأرصاد الجوية. هناك حاجة للحصول على بيانات أكثر دقة مع تغطية جغرافية أفضل، ونحن لا نفهم تماما التغيرات الزمنية الملحوظة في بخار الماء في الستراتوسفير وكيف يتم دخوله. هذه هي المجالات التي ستتناولها GAW في المستقبل.