ابرکامپیوتری به وسعت زمین

تاکنون تصور می شد تاثیر فعالیت های بشر بر آب و هوا نسبتاً ناچیز و صرف نظر کردنی است ولیکن پیش بینی های متعدد نشان می دهند که تا اواسط سده بیست ویکم, نقش انسان در تغییر محیط زیست درخور توجه و بسی فراتر از تمام ۱۰ هزار سال گذشته خواهد بود

● پیش بینی آب و هوا با کمک مدل های رایانه ای

تاکنون تصور می شد تاثیر فعالیت های بشر بر آب و هوا نسبتاً ناچیز و صرف نظر کردنی است. ولیکن پیش بینی های متعدد نشان می دهند که تا اواسط سده بیست ویکم، نقش انسان در تغییر محیط زیست درخور توجه و بسی فراتر از تمام ۱۰ هزار سال گذشته خواهد بود. با وجود ابهاماتی که درباره جزئیات تغییرات آب و هوایی وجود دارد این نکته مسلم است که فعالیت های بشر بی تردید از برخی جهات بر جو زمین موثرند.

سوخت های فسیلی که در نیروگاه ها و اتومبیل ها می سوزند، ذرات و گازهایی را در هوا رها می کنند که به تدریج ترکیب جو را تغییر می دهند. غیر از استفاده از سوخت های فسیلی، فعالیت های دیگر بشر نیز آثار مخربی بر سیستم آب و هوایی دارند. برای مثال، تبدیل جنگل ها به زمین های کشاورزی موجب نابودی درختانی می شود که می توانستند کربن موجود در هوا را جذب کرده و از شدت اثر گلخانه ای بکاهند.

درک و احساس نقش عوامل تغییردهنده وضعیت آب و هوا یک موضوع و دانستن چگونگی این تغییرات در سطوح محلی و جهانی موضوعی دیگر است. برای این منظور، لازم است مدل های دقیق تری از آب و هوا طراحی کرده، بازوی فناوری لازم را که همانا سوپرکامپیوترهایی میلیون ها بار سریع تر از امروز است، در اختیار داشته باشیم.

همچنین باید سر از هزاران کنش و واکنش اقیانوس ها، جو زمین و به خصوص بیوسفر درآوریم تا بتوانیم متغیرهای بسیار دقیقی را در اختیار مدل های کامپیوتری قرار دهیم. اما مهم تر از همه این که باید بتوانیم پیش از هر گونه اعتماد و اتکا به مدل های پیش بینی وضعیت آینده، نشان دهیم که مدل های ابداعی ما می توانند تغییرات آب و هوا در گذشته و حال را دقیقاً شبیه سازی کنند. برای این کار، به سوابق درازمدتی نیاز داریم. شبیه سازی و پیش بینی آب و هوا تنها زمانی امکان پذیر است که با ثبت دائمی تغییرات در زمان وقوع آنها همراه باشد.

از نظر دانشمندانی که به تهیه مدل های آب و هوایی می پردازند، هر چیزی، از اوجگیری و افول دوران های یخ تا تبدیل شدن بخش بزرگی از قاره آفریقا به صحرا، اهمیت دارد. هم کنشی بین اجزای مختلف سیستم اقلیمی- جو زمین، اقیانوس ها، زمین، یخ دریاها، آب شیرین و بیوسفر- طبق قوانین فیزیکی و بر اساس ده ها معادله ریاضی صورت می گیرد. مدل سازها برای هر قلمرو معادلاتی را - در یک شبکه سه بعدی دربرگیرنده کل زمین و هر آن چه که در آن می گذرد- برای محاسبه در اختیار کامپیوتر قرار می دهند.

چون طبیعت در چارچوب و محدوده این قلمروهای جداگانه باقی نمی ماند، نه تنها باید فرمول های مناسبی برای برهم کنش اجزای هر گروه از عوامل آب و هوایی داشته باشیم، بلکه باید بتوانیم چگونگی انتقال انرژی و جرم به داخل و خارج آنها را به نحو مناسبی تشریح و توجیه کنیم. کامپیوتر هایی که فعلاً مشغول به این کارند، می توانند بین ۱۰ تا ۵۰ عمل را در یک ثانیه انجام دهند ولی با این همه متغیر (که تعدادشان نیز همواره در حال افزایش است) شبیه سازی تنها یک متغیر ممکن است ماه ها به طول انجامد.

از این رو، زمان لازم برای شبیه سازی، خود نوعی عامل محدودکننده بزرگنمایی (یا تعداد و بزرگی قلمرو های آب و هوایی) این مدل ها به شمار می رود. در یک مدل معمولی که برای محاسبه و نمایش جزئیات تغییر و تحول سیستم های آب و هوایی طراحی شده، عوامل آب و هوایی برای قلمرو هایی به ابعاد حدود ۲۵۰ کیلومتر (۱۵۶ مایل) مربع در سطح افقی و یک کیلومتر ارتفاع (در یک شبکه سه بعدی) محاسبه می شوند. اگر بخواهیم قلمرو هایی با ابعاد کوچک تر را در نظر گیریم، کار بسیار دشوار خواهد بود.

حتی پیچیده ترین مدل های کنونی ما نمی توانند مستقیماً شرایطی چون پوشش ابرها و تشکیل باران را شبیه سازی کنند. ابرهای توفان زای بسیار قدرتمند (که می توانند باران های سیل آسا را موجب شوند) اغلب در ابعادی کمتر از ۱۰ کیلومتر عمل می کنند و قطرات باران در مقیاس های کمتر از میلی متر فشرده می شوند. از آنجا که هر یک از این رویدادها در مناطقی کوچک تر از حجم کوچک ترین حجره شبکه رخ می دهند، خصوصیات شان را باید با استفاده از تکنیک های آماری بسیار دقیق و سنجیده استنتاج کرد.

این پدیده های خرد آب و هوایی به صورت تصادفی روی می دهند. موارد وقوع این پدید ه ها می توانند از نقطه ای به نقطه دیگر متفاوت باشند ولی بیشتر عواملی که (مانند افزایش غلظت گازهای گلخانه ای) بر آب و هوا تاثیر می گذارند، در تمام سطح کره زمین و همه نواحی آن کاملاً یکدست و یکنواخت عمل می کنند. اگر بخواهیم نواحی هر چه کوچک تر را در نظر بگیریم، تفاوت و تنوع در آب و هوا، هرچه بیشتر بر فعالیت آب و هوایی کلان پرده خواهد افکند.

چنین است که برداشتن این پرده استتار تمام وقت کامپیوتر را می گیرد، چرا که مستلزم شبیه سازی های متعددی است که هر یک با اندکی تفاوت از نقطه نظر اوضاع و احوال آغازگر آن صورت می گیرد. به طور کلی، ویژگی های آب و هوایی را که در تمام موارد شبیه سازی رخ می دهند، «سیگنال» و آنهایی را که تکرار نمی شوند، «اخلال» (noise) به شمار می آورند.

برآوردهای محافظه کارانه نشان می دهند که سرعت پردازش کامپیوترها تا سال ۲۰۵۰ بیش از یک میلیون برابر امروز خواهد شد.

با چنین کامپیوترهایی، مدل پردازان آب و هوا خواهند توانست شبیه سازی های مختلفی با شرایط آغازگر متفاوت اجرا کرده و سیگنال ها را از اخلال ها بهتر تمییز دهند. به علاوه، می توانیم از شبیه سازی های صدها ساله با بزرگنمایی افقی کمتر از یک کیلومتر و بزرگنمایی متوسط عمودی حدود ۱۰۰ کیلومتر بر فراز اقیانوس ها و در جو استفاده کنیم.

کامپیوترهای سریع تر تنها زمانی به پیش بینی تغییر آب و هوا کمک می کنند که معادلات ریاضی مورد استفاده آنها بیانگر تصویر کاملی از هر آنچه باشد که در طبیعت روی می دهد. برای مثال اگر مدلی از جو که شبیه سازی می شود، چهار درجه سانتی گراد سردتر باشد (که در سده گذشته، امری چندان غیرمعمول نبود) شبیه سازی نشان خواهد داد که جو می تواند ۲۰ درصد کمتر از ظرفیت واقعی اش آب در خود نگاه دارد - خطایی درخور توجه که تمام برآوردهای بعدی میزان تبخیر و نزولات جوی را بی معنا می سازد.

مشکل دیگر این که هنوز نمی دانیم چگونه تمام فرآیندهایی - مانند تحولات ناگهانی در چرخه کربن و تغییر و تحولات در استفاده از زمین- را که بر آب و هوا تاثیر می گذارند، بازسازی کنیم و مهم تر آن که این گونه تغییرات می توانند آغازگر چرخه های بازخوردی باشند که اگر نادیده گرفته شوند، ممکن است کل مدل را به یک باره از هم بپاشند.

برای مثال، بالا رفتن درجه حرارت گاه موجب افزایش متغیر دیگری چون رطوبت موجود در جو می شود که به نوبه خویش بر آشفتگی کنونی می افزاید. (در این مورد خاص، رطوبت بیشتر هوا به این دلیل که بخار آب یکی از گازهای گلخانه ای بسیار نیرومند است، موجب افزایش گرما خواهد شد.)

پژوهشگران کم کم به میزان تاثیر برخی از این بازخوردهای مثبت بر چرخه کربن حیات بخش سیاره زمین پی می برند. به عنوان مثال، در آتشفشانی کوه پیناتوبو در فیلیپین در سال ۱۹۹۱، آن قدر خاکستر و دی اکسید گوگرد از دهانه آتشفشان بیرون آمد که توانست به خنک تر شدن کره زمین انجامد، زیرا ترکیبات مذکور با قطرات ریز آب موجود در هوا وارد واکنش شده، بخشی از اشعه نور خورشید را از رسیدن به سطح زمین بازمی دارند. همین انرژی تلف شده می تواند مانع برداشت دی اکسیدکربن در سیاره ما شود.

استفاده از زمین ها می تواند موجبات پریشانی سیستم های آب و هوایی قاره ای و منطقه ای به طرق گوناگون شود؛ که درآوردن آنها به قالب معادلات ریاضی دشوار است. پاکسازی جنگل ها برای کشاورزی و دامداری سطح زمین را درخشان تر می کند. زمین های زراعتی روشن تر از جنگل های تاریک اند؛ و هم از این رو نور بیشتری را منعکس می سازند که به خنک تر شدن جو زمین، به ویژه در فصل های پاییز و تابستان، کمک می کند.

● کمبود داده ها

شبیه سازی های آب و هوا، که فاقد مشاهدات دقیق اند، عملاً از حیطه گمانه زنی های خوب و قابل قبول خارج اند. به عبارت دیگر، برای آن که بر تردیدهای موجود درباره میزان تاثیرگذاری فعالیت های بشر بر سیستم آب و هوا فائق آییم، لازم است بدانیم در گذشته چه تغییراتی را پشت سر گذاشته است. باید بتوانیم شرایط پیش از انقلاب صنعتی را - به ویژه از زمانی که انسان ها تاثیرات بازگشت ناپذیری بر ترکیب جو گذاشتند - به حد کافی شبیه سازی کنیم.

برای درک تغییرات آب و هوایی در زمانی که هنوز ماهواره ها و ابزارها و دستگاه های هواشناسی وجود نداشتند، متکی به نشانگرهایی چون هوا و مواد شیمیایی به دام افتاده در عمق قطعات عظیم یخ، حلقه های چوب در بدنه درختان کهنسال، جزایر مرجانی و رسوبات نشسته بر کف اقیانوس ها و دریاچه ها هستیم. این گونه تصاویر لحظه ای، اطلاعات سودمندی در اختیار ما قرار می دهند.

در نهایت می توان با کنار هم گذاشتن تکه های مختلف دانسته ها (همچون قطعات پازل) به یک تصویر کلی از گذشته آب و هوایی زمین دست پیدا کرد. لیکن برای درک حقیقی آب و هوا در شرایط کنونی، لازم است تصاویر لحظه ای بیشتری از صفات و کیفیات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی کره زمین در اختیار داشته باشیم، همچنین به چیزی شبیه نوارهای ویدئویی طولانی از تحولات کنونی در آب و هوا نیازمندیم. اندازه گیری هایی که هم اکنون به طور مرتب از یخ دریاها، پوشش برف، رطوبت خاک، پوشش گیاهی، و درجه حرارت و نمک موجود در آب اقیانوس ها صورت می گیرند، تنها برخی از متغیرها را شامل می شوند.

کوین ترنبرت

مترجم : عبدالوهاب فخریاسری

ScientificAmerican,Dec.۱۹۹۹

---