مقدمه: معمای متان و حلقه‌های بازخورد اقلیمی

در بهار سال ۲۰۲۱، دانشمندان اقلیم گیج شده بودند. در حالی که اقتصاد جهانی تازه از قرنطینه‌های همه‌گیری کووید-۱۹ در حال ظهور بود، به دلیلی نامشخص، سطح متان – یک گاز گلخانه‌ای که عمدتاً از طریق کشاورزی و تولید سوخت‌های فسیلی منتشر می‌شود – در سال گذشته به طرز بی‌سابقه‌ای در جو افزایش یافته بود، با سریع‌ترین نرخ ثبت‌شده در تاریخ. این افزایش ناگهانی، معمایی را برای جامعه علمی ایجاد کرد که نیاز به بررسی دقیق و فوری داشت. دانشمندان در سراسر جهان دست به کار شدند تا این پدیده مرموز را رمزگشایی کنند.

آنها شروع به بررسی دقیق داده‌ها از ماهواره‌ها، هواپیماها و ایستگاه‌های پایش گازهای گلخانه‌ای کردند. هدف آنها یافتن هرگونه الگوی قابل توجهی بود که بتواند علت این افزایش غیرعادی را توضیح دهد. پس از تجزیه و تحلیل گسترده، سرانجام به یک الگوی واضح دست یافتند: انتشار متان به شدت در مناطق گرمسیری افزایش یافته بود، جایی که تالاب‌ها در حال مرطوب‌تر و گرم‌تر شدن بودند. این شرایط محیطی جدید، زمینه‌های ایده‌آلی را برای رشد و فعالیت میکروب‌هایی فراهم کرده بود که در محیط‌های لجن‌زار فاقد اکسیژن رشد می‌کنند.

این میکروب‌ها، مواد آلی غنی از کربن را مصرف کرده و به عنوان یک محصول فرعی، متان بیشتری تولید می‌کردند. این پدیده، یک حلقه بازخورد طبیعی را نشان می‌دهد که در آن تغییرات اقلیمی به خودی خود منجر به انتشار بیشتر گازهای گلخانه‌ای می‌شود و این انتشار بیشتر، به نوبه خود، گرمایش جهانی را تشدید می‌کند. این یافته‌ها، یکی از واضح‌ترین نمونه‌هایی را ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد چگونه سیستم‌های طبیعی می‌توانند به گرمایش جهانی واکنش نشان داده و خود به منابع انتشار اضافی تبدیل شوند. (همچنین کاهش آلودگی ناشی از اکسیدهای نیتروژن، که به تجزیه متان در جو کمک می‌کنند، نیز احتمالاً نقش قابل توجهی در این افزایش داشته است.)

تالاب‌ها و انتشار متان: مکانیزم پیچیده یک تهدید

همانطور که اشاره شد، تالاب‌ها به عنوان اکوسیستم‌های حیاتی، نقش دوگانه‌ای در چرخه کربن ایفا می‌کنند. در شرایط عادی، آنها می‌توانند کربن را جذب و ذخیره کنند. اما با تغییرات اقلیمی، گرم شدن و مرطوب‌تر شدن تالاب‌ها در مناطق گرمسیری، توازن اکوسیستمی آنها بر هم می‌خورد. این تغییرات، شرایط را برای رشد باکتری‌های متان‌زا که در محیط‌های بی‌هوازی فعالیت می‌کنند، فراهم می‌سازد. این باکتری‌ها، هنگام تجزیه مواد آلی، متان تولید می‌کنند و افزایش فعالیت آنها به دلیل شرایط مساعدتر، منجر به انتشار بی‌سابقه این گاز قدرتمند گلخانه‌ای می‌شود.

تصویر زیر نمونه‌ای از این تالاب‌های استوایی را نشان می‌دهد که در آن پدیده‌ی انتشار متان ناشی از فعالیت‌های میکروبی به وضوح مشاهده می‌شود. این تصویر، اهمیت درک و نظارت بر این اکوسیستم‌ها را برای پیش‌بینی دقیق‌تر تغییرات اقلیمی آتی، دوچندان می‌کند. اگرچه ممکن است این فرآیندها در نگاه اول ساده به نظر برسند، اما در واقعیت، مجموعه‌ای پیچیده از واکنش‌های بیوشیمیایی و اکولوژیکی هستند که تحت تأثیر دمای محیط، سطح آب، و ترکیب میکروبی خاک قرار دارند.

علاوه بر این، تغییر در ترکیب شیمیایی جو، مانند کاهش آلاینده‌هایی که به طور معمول متان را تجزیه می‌کنند، می‌تواند تأثیر این انتشار طبیعی را تشدید کند. این بدان معناست که حتی اگر انتشار متان ناشی از فعالیت‌های انسانی ثابت بماند، تغییرات در سیستم‌های طبیعی و شیمیایی جو می‌توانند به تنهایی منجر به افزایش غلظت متان و در نتیجه گرمایش جهانی بیشتر شوند. این تعاملات پیچیده، لزوم یک رویکرد جامع‌تر و دقیق‌تر را در مدل‌سازی‌های اقلیمی آشکار می‌سازد.

حلقه‌های بازخورد اقلیمی: یک تهدید خاموش و نادیده گرفته شده

یافته‌های اخیر در مورد نقش تالاب‌ها، یکی از واضح‌ترین شواهد را ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد چگونه تغییر اقلیم، به خودی خود، باعث انتشار بیشتر گازهای گلخانه‌ای از سیستم‌های طبیعی می‌شود. این پدیده، یک “حلقه بازخورد” ایجاد می‌کند: گرمایش جهانی باعث انتشار بیشتر می‌شود، که این انتشار بیشتر، گرمایش جهانی را تشدید می‌کند و این چرخه بی‌وقفه ادامه می‌یابد. این حلقه‌های بازخورد، تهدیدی جدی برای رسیدن به اهداف توافق پاریس هستند، زیرا سرعت گرمایش زمین را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند.

تالاب‌ها تنها نمونه‌ای از این حلقه‌های بازخورد نیستند. راه‌های متعدد دیگری نیز وجود دارد که این پدیده در حال حاضر یا در آینده نزدیک می‌تواند رخ دهد. به عنوان مثال، آتش‌سوزی‌های جنگلی، که خود ناشی از خشکسالی و گرمای شدید هستند، مقادیر عظیمی از کربن دی‌اکسید و متان را در جو آزاد می‌کنند. این گازها، گرمایش را تشدید کرده و به نوبه خود، شرایط را برای آتش‌سوزی‌های شدیدتر و مکررتر فراهم می‌آورند. ذوب شدن پرمافراست (خاک‌های دائمی منجمد) در مناطق قطبی نیز یکی دیگر از نگرانی‌های بزرگ است.

پرمافراست حاوی مقادیر عظیمی از کربن آلی است که طی هزاران سال در آن محبوس شده است. با ذوب شدن این لایه‌های یخی، مواد آلی تجزیه شده و متان و دی‌اکسید کربن به اتمسفر آزاد می‌شوند. برون‌ریزی دی‌اکسید کربن از اقیانوس‌ها نیز یکی دیگر از این حلقه‌های بازخورد است. با گرم شدن اقیانوس‌ها، توانایی آنها برای جذب کربن دی‌اکسید کاهش می‌یابد و این گاز به جای حل شدن در آب، در جو باقی می‌ماند. همچنین، فعالیت‌های کشاورزی نیز می‌توانند منابعی از اکسید نیتروژن، یک گاز گلخانه‌ای قوی و مخرب لایه ازن، را منتشر کنند که با گرم شدن هوا تشدید می‌شود.

مسئله نگران‌کننده این است که بسیاری از این منابع بزرگ انتشار گازهای گلخانه‌ای، در تعهداتی که کشورها تحت توافق آب و هوایی پاریس داده‌اند، و همچنین در سناریوهای گرمایش اخیر هیئت بین‌دولتی تغییر اقلیم سازمان ملل (IPCC) به طور کامل لحاظ نشده‌اند. این عدم احتساب، به معنای پیش‌بینی‌های ناقص و کمتر از واقعیت در مورد سرعت و شدت گرمایش جهانی است، که خود می‌تواند به برنامه‌ریزی‌های ناکافی و فاجعه‌بار منجر شود. این شکاف در محاسبات، نیاز فوری به تحقیقات جامع‌تر و به‌روزرسانی مدل‌های اقلیمی را ایجاب می‌کند.

تلاش برای درک بهتر: پروژه مقایسه مدل «راهکارهای اقلیمی اسپارک»

با توجه به این شکاف‌های حیاتی در درک و مدل‌سازی تغییرات اقلیمی، سازمان غیرانتفاعی «راهکارهای اقلیمی اسپارک» در سانفرانسیسکو، ابتکار جدیدی را برای تغییر این وضعیت آغاز کرده است. این سازمان در حال راه‌اندازی پروژه‌ای به نام “پروژه مقایسه مدل” (Model Intercomparison Project) است. در این نوع پروژه‌ها، تیم‌های تحقیقاتی مختلف، مجموعه‌ای یکسان از آزمایش‌ها را با استفاده از مدل‌های اقلیمی متفاوت و در سناریوهای مختلف انتشار گازهای گلخانه‌ای اجرا می‌کنند تا نحوه بروز و پیشرفت تغییرات اقلیمی را بهتر درک کنند.

هدف اصلی پروژه اسپارک، بررسی دقیق این است که چگونه طیف وسیعی از حلقه‌های بازخورد اقلیمی می‌توانند به گرمایش بیشتر، انتشار اضافی گازهای گلخانه‌ای و ایجاد انواع جدیدی از حلقه‌های بازخورد منجر شوند. فیل دافی، دانشمند ارشد در «راهکارهای اقلیمی اسپارک» و مشاور سابق علوم اقلیمی رئیس‌جمهور جو بایدن، تأکید می‌کند: “این انتشارات افزایش‌یافته از منابع طبیعی، به انتشارات انسانی اضافه شده و تغییر اقلیم را تقویت می‌کنند. و اگر همه آنها را با هم در نظر نگیرید، نمی‌توانید قدرت آن اثر بازخورد را کمی‌سازی کنید.” این پروژه به دنبال ایجاد یک تصویر کامل‌تر و دقیق‌تر از تأثیرات متقابل بین سیستم‌های انسانی و طبیعی بر اقلیم زمین است.

«راهکارهای اقلیمی اسپارک» اعلام کرده است که دانشمندان برجسته‌ای از صندوق دفاع محیط زیست (Environmental Defense Fund)، دانشگاه استنفورد، مرکز تحقیقات آب و هوایی وودول (Woodwell Climate Research Center) و سایر مؤسسات معتبر در اروپا و استرالیا در این پروژه همکاری خواهند کرد. این همکاری بین‌المللی، به اعتبار و جامعیت یافته‌های پروژه خواهد افزود و اطمینان می‌دهد که نتایج به دست آمده، بر اساس داده‌ها و تحلیل‌های گسترده‌ای از سراسر جهان است.

این سازمان غیرانتفاعی امیدوار است یافته‌های این پروژه را به موقع منتشر کند تا در هفتمین گزارش ارزیابی بزرگ هیئت بین‌دولتی تغییر اقلیم سازمان ملل (IPCC) گنجانده شود. این گزارش، که در حال حاضر در مراحل اولیه تهیه است، نقش حیاتی در شکل‌دهی به سیاست‌ها و توافقات اقلیمی آینده جهان دارد. با گنجاندن این داده‌های جدید و دقیق‌تر، گزارش IPCC می‌تواند خطرات ناشی از حلقه‌های بازخورد را به طور کامل‌تر نشان دهد و به کشورها در تخمین دقیق‌تر بودجه‌های کربن جهان کمک کند؛ یعنی میزان گازهای گلخانه‌ای که می‌توانند قبل از رسیدن دمای سیاره به ۱.۵ درجه سانتی‌گراد یا ۲ درجه سانتی‌گراد بالاتر از سطوح پیش‌صنعتی، تولید کنند.

ذوب شدن پرمافراست: بمب ساعتی کربن و پیچیدگی‌های مدل‌سازی

یکی از مهم‌ترین و خطرناک‌ترین حلقه‌های بازخورد اقلیمی، ذوب شدن پرمافراست است. پرمافراست به لایه‌هایی از خاک اطلاق می‌شود که حداقل به مدت دو سال متوالی، دمای آنها زیر صفر درجه سانتی‌گراد باقی می‌ماند و بخش وسیعی از نیمکره شمالی، از آلاسکا تا سیبری را پوشانده است. این مناطق به دلیل دمای پایین و انجماد دائمی، به عنوان یک انبار یخی غول‌پیکر برای کربن عمل می‌کنند و دو برابر کربن موجود در جو را در خود جای داده‌اند. این حجم عظیم کربن ذخیره‌شده، پرمافراست را به یک “بمب ساعتی کربن” تبدیل کرده است، زیرا با گرمایش جهانی و ذوب شدن آن، این کربن آلی شروع به تجزیه می‌کند و متان و دی‌اکسید کربن را به اتمسفر آزاد می‌سازد.

سوزان ناتالی، دانشمند اقلیم‌شناس قطبی که بر پرمافراست در مرکز وودول تمرکز دارد، تأکید می‌کند که با ذوب شدن پرمافراست، این فرآیند تجزیه آغاز شده و منجر به انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود. یک مطالعه منتشر شده در ژانویه در نشریه «نیچر» (Nature) نشان داد که ۳۰ درصد از منطقه قطب شمال-شمالی جهان، با احتساب آتش‌سوزی‌های جنگلی، ذوب شدن پرمافراست و سایر عوامل، از یک «سینک کربن» (جاذب کربن) به یک «منبع کربن» (منتشرکننده کربن) تبدیل شده است. این تغییر وضعیت، زنگ خطر جدی برای آینده اقلیم زمین است و نشان می‌دهد که این حلقه‌های بازخورد، بسیار سریع‌تر از آنچه پیش‌بینی می‌شد، در حال فعال شدن هستند.

با وجود افزایش این خطرات، تنها اقلیتی از مدل‌هایی که در آخرین گزارش بزرگ IPCC سازمان ملل استفاده شده‌اند، اثرات بازخورد ناشی از ذوب شدن پرمافراست را در خود جای داده بودند. ناتالی اشاره می‌کند که خطرات انتشار گازها همچنان به طور کامل محاسبه نشده‌اند، زیرا پایش و مدل‌سازی این اکوسیستم‌ها بسیار دشوار است. پیچیدگی‌ها متعددند: آتش‌سوزی‌های جنگلی، که خود پیش‌بینی‌شان سخت است، می‌توانند ذوب شدن پرمافراست را تسریع کنند. همچنین، پیش‌بینی اینکه کدام مناطق خشک‌تر یا مرطوب‌تر می‌شوند، که تعیین‌کننده انتشار بیشتر متان یا دی‌اکسید کربن است، دشوار است؛ این دو گاز اثرات گرمایشی بسیار متفاوتی در بازه‌های زمانی مختلف دارند. علاوه بر این، اثرات متوازن‌کننده نیز باید در نظر گرفته شوند، به عنوان مثال، هنگامی که گیاهان جذب‌کننده کربن جایگزین یخ و برف در برخی مناطق می‌شوند، این فرآیندها پیچیدگی مدل‌سازی را بیشتر می‌کنند.

عواقب نادیده گرفتن: گرمایش سریع‌تر و نیاز به آمادگی

همانطور که فیل دافی و بن پولتر از «راهکارهای اقلیمی اسپارک» بیان می‌کنند، یک نکته از قبل روشن است: از آنجایی که سناریوهای فعلی به طور کامل این اثرات بازخورد را در نظر نمی‌گیرند، جهان تقریباً به طور قطع سریع‌تر از پیش‌بینی‌های کنونی گرم خواهد شد. این واقعیت، اهمیت حیاتی انجام این پروژه تحقیقاتی و گنجاندن یافته‌های آن در مدل‌های اقلیمی آینده را بیش از پیش نمایان می‌سازد. اگر این حلقه‌های بازخورد طبیعی نادیده گرفته شوند، بشریت با چالش‌های غیرمنتظره و شدیدتری روبرو خواهد شد که پیامدهای جبران‌ناپذیری خواهند داشت.

دانشمندان در صندوق دفاع محیط زیست (EDF)، وودول و سایر مؤسسات در مقاله‌ای که در دست بررسی است، دریافتند که آتش‌سوزی‌ها در شمالی‌ترین جنگل‌های جهان، ذوب شدن پرمافراست و گرم شدن تالاب‌های گرمسیری می‌توانند مجموعاً سیاره را سال‌ها زودتر از مرز ۲ درجه سانتی‌گراد عبور دهند. این به معنای از دست دادن تا یک چهارم زمان باقی‌مانده قبل از عبور جهان از هدف اصلی توافق پاریس است. چنین شتابی در گرمایش، زمان کمتری برای سازگاری و کاهش اثرات فراهم می‌کند و جوامع را در برابر بلایای طبیعی، ناامنی غذایی و بحران‌های بهداشتی آسیب‌پذیرتر می‌سازد.

ناتالی تأکید می‌کند که بهبود درک ما از این اثرات بازخورد پیچیده، برای درک خطراتی که با آنها روبرو هستیم، ضروری است. او می‌گوید: “این به معنای هزینه‌های اضافی برای سلامت انسان، زندگی انسان خواهد بود. ما می‌خواهیم مردم در امان باشند – و اگر ندانید چه چیزی در راه است و برای آن آماده نباشید، انجام این کار بسیار دشوار است.” آمادگی شامل سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های مقاوم در برابر اقلیم، توسعه سیستم‌های هشدار اولیه و ترویج راهکارهای مبتنی بر طبیعت برای کاهش آسیب‌پذیری است.

در نهایت، هدف از برنامه گسترده‌تر «راهکارهای اقلیمی اسپارک» و این پروژه تحقیقاتی، “واقعاً جریان اصلی کردن این موضوع در علوم اقلیمی و سیاست‌گذاری اقلیمی، و هدایت تحقیقات در مورد راهکارهای اقلیمی” است. این شامل توسعه فناوری‌های جدید برای حذف کربن، بهبود مدیریت اکوسیستم‌ها و ترویج سیاست‌هایی است که نه تنها انتشارات انسانی را کاهش دهند، بلکه به سیستم‌های طبیعی نیز کمک کنند تا کربن را به طور مؤثرتری مدیریت کنند. تنها با یک رویکرد جامع و همه‌جانبه می‌توانیم امید به آینده‌ای پایدار برای سیاره خود داشته باشیم.

این مقاله از «جرقه» (The Spark)، خبرنامه هفتگی اقلیمی MIT Technology Review، برگرفته شده است. برای دریافت آن هر چهارشنبه در صندوق ورودی خود، اینجا ثبت‌نام کنید.