چرا بارش‌ها با گرم شدن هوا شديدتر مي‌شوند؟

در ۲۲ شهريور (۱۳ سپتامبر)، بارندگي شديدي در منطقه‌ي كاروليناي شمالي آغاز شد؛ اين در حالي بود كه مركز گردباد فلورانس كيلومترها از اين منطقه فاصله داشت. با پيشروي اين طوفان غول‌آسا به سمت اين بخش و آسيب‌هاي احتمالي، مسئولان دستور تخليه‌ي ۱.۵ ميليون نفر از خانه‌هاي خود را صادر كردند. در روز ۱۵ سپتامبر طوفان فلورانس به ايالات‌متحده رسيد و سرعت آن به شكل باران‌هاي سنگين‌تر كند شد. در بعضي مناطق سيل بي‌وقفه به مدت چهار روز طول كشيد.

ركورد بارش تا پايان اين طوفان شكسته شد (تقريبا يك متر در شهر اليزابت تاون كاروليناي شمالي) و نتيجه‌، يك سيل فاجعه‌بار بود. هزاران نفر جان خود را از دست دادند و ده‌ها ميليارد دلار خسارت بر جاي ماند؛ حتي امروز يعني ماه‌ها پس از اين فاجعه، اين منطقه هنوز هم در حال بازيابي است.

اينكه چگونه فلورانس توانست يك منطقه‌ي پررونق و حاصلخيز را به زانو دربياورد، داستان آشنايي است. به‌عقيده‌ي دانشمندان، با افزايش دماهاي جهاني، بارش‌هاي شديدي در حين طوفان‌ها رخ خواهد داد. افزايش دماي جو باعث حفظ رطوبت بيشتر و در نتيجه افزايش رطوبت گردبادها و طوفان‌ها مي‌شود. حتي قبل از طوفان فلورانس، يك تيم پژوهشي در دانشگاه استوني بروك نيويورك پيش‌بيني كرده‌ بودند كه بارش‌هاي شديد نسبت به قبل از گرمايش زمين، حداقل ۵۰ درصد بيشتر هستند.

بارش‌هاي شديد همراه با سيلاب، رانش زمين و خرابي‌هاي ديگر، نوعي فاجعه‌ي آب‌وهوايي مهلك در سراسر جهان هستند. امسال باران‌هاي شديد ايالت كرالاي هندوستان منجر به مرگ بيش از ۴۷۰ نفر شد و سيل در جنوب غربي ژاپن بيش از ۲۰۰ كشته بر جاي گذاشت.

سيل در ايالت كرالاي هندوستان صدها نفر را به كام مرگ كشاند

در ايالات متحده، سيل، طوفان‌هاي شديد و گردبادهاي حاره‌اي ۹ عدد از ۱۱ فاجعه‌ي جهاني را تشكيل داده و بيش از يك ميليارد دلار خسارت به بار آوردند؛ اما پيش‌بيني تأثير باران‌هاي سيل‌آسا بر وضعيت آب‌وهوايي آينده كمي دشوار است، زيرا دانشمندان نمي‌توانند اين مدل‌ها را به‌صورت دقيق در كامپيوتر شبيه‌سازي كنند.

در صورت افزايش گازهاي گلخانه‌اي طوفان‌هايي مثل فلورانس، هند و ديگر بارش‌هاي سيل‌آسا تنها بخش كوچكي از فجايع آينده را تشكيل خواهند داد و اين ميزان رو به افزايش خواهد بود. آنجلين پندرگراس پژوهشگر جوي در مركز ملي پژوهش‌هاي جوي بولدر كلورادو (NCAR) مي‌گويد:

تمام شواهد نشان مي‌دهند كه وضعيت آب‌وهوايي ۲۰ سال آينده، بدتر از ۲۰ سال گذشته خواهد بود و تا پايان قرن، اين روند اتفاق خواهد افتاد.

رطوبت بيشتر

 در ماه ژوئن و ژوئيه، بارش در كل كرالا شروع شد و تا يك ماه بعد ادامه پيدا كرد. بارش ۲۰ روز اول آگوست ۱۶۴ درصد بيشتر از حد معمول بود. در اين استان، رانش زمين به شهرها و ساختمان‌ها رسيد و خانه‌ي بيش از يك ميليون نفر در زير امواج غرق شد.

در اين حادثه، اشكال فقط آب‌وهوا نبود. بعضي از مقامات محلي به دليل عدم مديريت بهتر موانع آبي مورد انتقاد قرار گرفتند. از طرفي اين سيلاب شديدتر و سنگين‌تر از طوفان‌هاي متداول تابستاني بود.

واضح است كه رطوبت چنين طوفان‌هايي، بيشتر از حد معمول است. رطوبت موجود در هوا بسته به دما تغيير مي‌كند؛ با افزايش دما به اندازه‌ي يك درجه‌ي سانتي‌گراد، رطوبت موجود در هوا ۷% افزايش مي‌يابد. هيئت ميان دولتي تغييرات آب‌وهوايي به اين نتيجه رسيد كه بسياري از مناطق به دليل تغييرات آب‌وهوايي به‌وجودآمده توسط انسان، شاهد افزايش بارش‌هاي سنگين خواهند بود.

به‌گفته‌ي كنت كانكل، پژوهشگر جوي در دانشگاه ايالتي كاروليناي شمالي در آشويل:

 طوفان‌هاي بزرگ و بارش‌زا با حجم قابل‌توجهي از بخار آب موجود در جو محدود مي‌شوند. افزايش بخار آب، عامل افزايش بارش در چنين طوفان‌هايي است.

اما اين طوفان‌ها، پيچيده‌تر از اين‌ها هستند. يك طوفان گردبادي، برجي از بادهاي رو به ‌بالا است كه با مكش هواي گرم اطراف، تغذيه مي‌شود. طوفان‌ها مي‌توانند شرايط آب‌وهوايي منحصربه‌فردي را به‌وجود بياورند (براي مثال ساخت مخازن سرد هوا نزديك به زمين كه باعث جريان همرفت مي‌شوند). تغييرات آب‌وهوايي مي‌تواند اين آثار را تشديد كند و منجر به جريان‌هاي هوايي روبه بالا شوند كه هواي گرم اطراف را جذب مي‌كنند و بارش را افزايش مي‌دهند.

طوفان هاروي

اين اتفاق به‌وضوح در طوفان هاروي رخ داد (شديدترين طوفان باراني در تاريخ ايالات متحده كه اوت سال گذشته تقريبا ۱۲۵ ميليارد دلار به هيوستون و جنوب تگزاس آسيب رساند). بر اساس سه مطالعه مجزا، باران‌هاي شديد هاروي را نمي‌توان بر اساس افزايش بخار آب موجود در جو توصيف كرد. تغييرات آب‌وهوايي، رطوبت طوفان را بيش‌ازپيش افزايش داده‌اند.

پندرگراس در NCAR براي مطالعه طوفان‌هاي احتمالي آينده، روي مدل‌هاي آب‌وهوايي جهاني كار مي‌كند. او به مطالعه تأثير تغييرات آب‌وهوايي بر گرما و جريان انرژي موجود در جو مي‌پردازد. اين تغييرات به‌نوبه‌ي خود منجر به تغيير و گسترش بارش در سراسر جهان مي‌شوند.

پندرگراس به مطالعه پراكندگي‌هاي بارش يعني تفاوت بين بارش متعادل و سيل‌آسا هم پرداخته است. او و رتو ناتي، دانشمند جوي در مؤسسه‌ي فناوري فدرال سوئيس در زوريخ (ETH Zurich) در سوئيس به تحليل ركوردهاي بارش جهاني بين ۱۹۹۹ و ۲۰۱۴ پرداختند. بر اساس نتايج به‌دست‌آمده، نيمي از بارش ساليانه تنها در ۱۲ روز رخ داد. او مي‌گويد عوامل تشديد‌كننده‌ي بارش، تأثير زيادي بر بارندگي كل داشتند.

بر اساس نتايج به‌دست‌آمده از يك مدل آب‌وهوايي، اين نوع پراكندگي در آينده افزايش خواهد يافت. در صورت افزايش گازهاي گلخانه‌اي، تنها ۶ روز براي رسيدن به حداكثر بارش كافي خواهد بود. اين به معني سيل‌ها و خطرات بيشتر است. پندرگراس اخيرا به‌دنبال مذاكره با مديران آب دنور كلورادو است؛ آن‌ها براي آماده‌سازي سدها در آينده، به اطلاعات بيشتري نياز دارند. به‌گفته‌ي پندرگراس بقيه‌ي مناطق هم بايد آماده باشند. او و ناتي در مجموعه مقالات پژوهشي ژئوفيزيكي نوشته‌اند:

جامعه به‌جاي نگراني در مورد بارش بيشتر، بايد مقياس‌هايي را در انديشه متخصصين بگيرد كه كمترين تغييرات را اعمال مي‌كنند و در مجموع منجر به بارش بيشتر مي‌شوند.

يك مدل آب‌وهوايي كه به شبيه‌سازي تغييرات بارش روزانه پرداخته است، نشان مي‌دهد اگر هوا به‌طوركلي ۳ درجه‌ي سانتيگراد سرد شود، بيشتر مناطق شاهد بارش‌هاي شديد خواهند بود

در يك مجموعه‌ي ديگر از شبيه‌سازي‌ها، بر آماده‌سازي جامعه براي نوسان وضعيت هوا تأكيد شده است. اين پروژه به رهبري دانشمند جوي، زاخاري زوبل (در دانشگاه ايلينويز اوربانا) از يك مدل جهاني آب‌وهوايي استفاده مي‌كند كه شرايط را به ازاي هر ۱۰۰ كيلومتر محاسبه مي‌كند و آن را تا دقت بالاتر ۱۲ كيلومتر هم محدود مي‌كند. زوبل معتقد است براي انجام اين محاسبات، حداكثر دقت فضايي لازم است.

 مدل با دقت ۱۲ كيلومتر قادر به نمايش پديده‌هاي جوي در مقياس كوچك است؛ اما مدل زوبل به توان محاسباتي بالايي نياز دارد، بنابراين در اين تست تنها ايالات‌ متحده مطالعه شد. حتي از يك ابر كامپيوتر هم براي محاسبات استفاده شد اما در پايان پژوهشگرها به مطالعه تأثير افزايش گازهاي گلخانه‌اي بر دما و بارش تا سال ۲۰۹۴ پرداختند.

رونق و خشكسالي

بر اساس پژوهش‌ها، بارش‌هاي شديد در اغلب مناطق كشور افزايش خواهند يافت. آن‌ها همچنين شاهد تغييرات بزرگي در الگوهاي آب‌وهوايي آينده از جمله موقعيت تندبادهاي غرب به شرق بودند؛ اين تندبادها، آب‌وهوا را در بخش مياني ايالات متحده كنترل مي‌كنند.

دليل اين تغيير هم اين بود كه قطب شمال سريع‌تر از عرض‌هاي جغرافيايي مياني گرم مي‌شود؛ بنابراين اختلاف دماي كمتري بين دو منطقه وجود دارد. در مقابل، تغييرات تندباد به سمت شمال باعث افزايش هواي گرم و مرطوب از خليج مكزيك شد. در نتيجه، استان‌هاي غربي (كه محل كشت محصولات ذرت و گندم هستند) احتمالا در هر فصل بهار و در فصل كشت، شاهد طوفان‌هاي شديدتري خواهند بود. از طرفي، دوره‌هاي خشكسالي هم بر اساس مدل طولاني‌تر مي‌شوند. به‌گفته‌ي زوبل در مجله‌ي Earth's Future:

يك الگوي بارشي رونق و خشكسالي به‌وجود خواهد آمد و اين روند، كشاورزي را دشوار خواهد كرد.

آندرس پرين، اين الگوي آينده را كاملا در سال ۲۰۰۲ درك كرده بود؛ يعني زماني كه كل اروپا شاهد بارش‌هاي شديد تابستاني بود. پرين آن زمان در ارتش اتريش خدمت مي‌كرد و واحد او براي كمك به بخش‌هاي سيل‌زده‌ي شمال اتريش داوطلب شده بود. در آن منطقه، نهرهاي كوچك طغيان كرده بودند و منجر به خسارت و آسيب‌هايي تا سقف سه ميليارد يورو شدند. پرين مي‌گويد:

برايم بسيار تعجب‌آور بود كه چطور جريان‌هاي كوچك مي‌توانند چنين فاجعه‌اي را به بار بياورند؛ تقريبا غيرقابل‌باور بود.

حالا پرين، يك دانشمند جوي در NCAR و رهبر مدل‌سازي جديد آب‌وهوايي است. هدف او، شبيه‌سازي آب‌وهواي آينده در مدل‌هاي دقيق‌تر نسبت به مدل زوبل است. دقت محاسبات در پروژه‌ي او به چهار كيلومتر يا كمتر هم مي‌رسد. اين محاسبات بسيار پرهزينه بوده و صرفا براي مناطق كوچك قابل اجرا هستند.

دليل انتخاب دقت چهار كيلومتر اين است كه در اين سطح، طوفان‌ها به تكامل مي‌رسند و در طول همرفت قوي‌تر مي‌شوند. اين محدوده به محدوده‌ي مدلسازي آب‌وهوايي مجاز همرفت معروف است و به شبيه‌سازي واقعي‌تر طوفان‌ها هم كمك مي‌كند. در محاسبات مشابه، توسعه‌ي طوفان‌ها در طي يك يا دو روز پيش‌بيني مي‌شود. پرين مي‌گويد:

اما هدف ما، شبيه‌سازي براي ده‌ها سال يا قرن‌هاي آينده است. اين فرآيند از پيش‌بيني‌هاي متداول آب‌وهوايي تقليد مي‌كند اما مقياس‌هاي بزرگ‌تري را در انديشه متخصصين مي‌گيرد.

در پروژه‌ي پيش‌رو، پژوهشگرهاي بريتانيايي با دقت ۲.۲ كيلومتر به اجراي شبيه‌سازي‌هاي آب‌وهوايي در مقياس كل اروپا پرداختند و علائم هشدار را براي طوفان‌هاي آينده ثبت كردند. يكي از اعضاي تيم مطالعه، اليزابت كندون، دانشمند آب‌وهوايي دفتر Met در بريتانيا مي‌گويد: «در حال حاضر در اغلب نقاط اروپا، شاهد تشديد آب‌وهوا به‌ويژه در فصل تابستان خواهيم بود».

در شبيه‌سازي‌هاي گرمايش جهاني، بارش‌ها شديدتر مي‌شوند و فجايع زيست‌محيطي در طول سال افزايش مي‌يابند. بر همين اساس، مقام‌هاي مربوطه بايد خود را براي طوفان‌هاي زمستاني آماده كنند.

يكي ديگر از نگراني‌هاي عمده، گردباد است. كريستينا پاتريكولا و مايكل وهنر در آزمايشگاه ملي بركلي لاورنس كاليفرنيا از مدل‌هاي مجاز همرفت براي مطالعه طوفان‌هاي فاجعه‌بار كاترينا در سال ۲۰۰۵ و ايرما و ماريا در سال ۲۰۱۷ استفاده كردند. آن‌ها به اين نتيجه رسيدند كه تغييرات آب‌وهوايي، منجر به افزايش بارش ۱۹ درصدي در اين طوفان‌ها شده است (و گرم شدن آينده‌ي زمين هم قطعا به معني بارش‌هاي شديدتر نسبت به طوفان‌هاي مشابه خواهد بود).

كار را با يك پيش‌بيني هوا شروع كرديم؛ اما بازه‌ي آن را به مدت ۱۳ سال افزايش داديم.

شبيه‌سازي دوم با نگاهي به يك بازه‌ي مشابه در انتهاي قرن انجام شد و با توجه به توليد گازهاي گلخانه‌اي، از معيارهاي قابل‌پيش‌بيني استفاده كرد. دانشمندان با مقايسه‌ي اين دو شبيه‌سازي، به آثار احتمالي افزايش سطح گازهاي گلخانه‌اي پي بردند. به‌لطف دقت بالاي شبيه‌سازي‌ها، آن‌ها توانستند به تكامل و شكل‌گيري طوفان‌ها در آينده پي ببرند.

بر اساس يافته‌هاي متعدد، طوفان‌هاي تندري ايالات متحده تا انتهاي قرن، بيش از سه بار تكرار خواهند شد و حداكثر بارش آن‌ها بين ۱۵ تا ۴۰ درصد افزايش خواهد يافت. طوفان‌ها، بزرگ‌تر خواهند شد و پوشش منطقه‌اي آن‌ها همراه با بارش شديد دو برابر خواهد شد. به اين صورت، خطر سيل افزايش پيدا خواهد كرد. پرين مي‌گويد:

قطعا بين طوفاني كه كل شهر را بپوشاند، با طوفاني كه تنها به نصف شهر برسد، تفاوت‌هاي زيادي است.

پرين و همكاران او در NCAR در حال توسعه‌ي يك مجموعه‌ي دوم از شبيه‌سازي‌ها هستند و اميدوارند در ماه‌هاي آينده آن‌ها را اجرا كنند. اين شبيه‌سازي به مطالعه جريان‌ها به سمت شمال كانادا مي‌پردازد و هدف آن پاسخ به اين سؤال است كه آيا طوفان‌هاي تندري قدرتمند كه به سرعت به بخش مركزي غرب ايالات متحده مي‌رسند، در آينده به كانادا هم راه پيدا مي‌كنند يا خير. اين پروژه به‌جاي بازه‌هاي ۱۳ ساله، از بازه‌هاي ۲۰ ساله استفاده مي‌كند و دانشمندان اميدوارند به روندهاي طولاني‌تر در الگوهاي تغيير آب‌وهوايي برسند.