دورة الكربون وظاهرة الاحتباس الحراري

يدور الكربون بين الغلاف الجوي والنباتات والتربة والمحيطات. التدفقات الطبيعية كبيرة، لكنها تكاد تتوازن؛ أما الانبعاثات البشرية فهي تدفق بلا مقابل. يُظهر المحاكي إلى أين يذهب الكربون المنبعث، وكم يبقى منه في الهواء، وكم يُدفئ CO₂ الإضافي الكوكب. انقر على الخزانات لرؤية الداخل والخارج وزمن البقاء لكل منها.

إذا كانت النباتات والمحيط تمتص CO₂، فلماذا يتراكم في الهواء؟ قبل الثورة الصناعية، كان ما تأخذه الطبيعة من الهواء يُعاد إليه بالقدر نفسه. الانبعاثات البشرية تدفق إضافي بلا مقابل. تستجيب النباتات والمحيط للفائض وتبدأ بامتصاص المزيد، لكن جزءًا منه فقط. في المحاكي، من نحو 750 GtC انبعثت بين 1850 و2025، بقي نحو 42% في الهواء، وذهب 26% إلى المحيط، والباقي، نحو الثلث، إلى النباتات والتربة (ما يقارب ما أخذته منها إزالة الغابات). انظر رسم «المصير».

إذا كان المحيط بهذا الحجم، فلماذا لا يمتص كل CO₂ الإضافي؟ لثلاثة أسباب. الطبقة العليا وحدها (نحو 100 م) تتبادل CO₂ مع الهواء، والماء يحتاج إلى عقود ليصل إلى الطبقة الوسطى ونحو ألف سنة ليصل إلى القاع. ثم إن CO₂ الذائب يتفاعل مع الماء ومع الكربونات الذائبة فيه؛ وكلما امتص المحيط كربونًا أكثر، قلّت الكربونات المتبقية لهذا التفاعل، وصار امتصاص كل GtC إضافي أصعب (عامل ريفيل، من 9.5 إلى نحو 11 اليوم؛ وهي الكيمياء نفسها التي تسبب تحمض المحيطات). وأخيرًا، الماء الأدفأ يذيب غازًا أقل. في سيناريو «انبعاثات ثابتة»، يمتص المحيط في عام 2100 كربونًا سنويًا أكثر مما يمتصه اليوم (4.2 مقابل 3.5 GtC/سنة)، لكنه مقابل كل ppm إضافي من CO₂ في الهواء يمتص نصف ما يمتصه اليوم فقط.

ماذا يُظهر رسم ΔT × GtC؟ يزداد الاحترار بما يتناسب تناسبًا شبه طردي مع مجموع الكربون المنبعث حتى الآن، لا مع وتيرة الانبعاثات. في المحاكي، نحو 1.6 °C لكل 1000 GtC (تقدّر الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ 1.65 °C، بنطاق مرجّح من 1.0 إلى 2.3 °C). ومن هنا تأتي فكرة ميزانية الكربون: للبقاء دون مستوى معيّن من الاحترار، لا يمكن إطلاق إلا كمية إجمالية محدودة، ولا يتوقف الاحترار عن الارتفاع إلا عندما تقترب الانبعاثات من الصفر.

ماذا يحدث عندما تصل الانبعاثات إلى الصفر؟ في سيناريو «صفر خلال 25 سنة»، يبلغ الاحترار نحو 1.4 °C قرابة عام 2050 ثم ينخفض ببطء (1.3 °C في عام 2100). يكاد تأثيران يُلغي أحدهما الآخر: ينخفض CO₂ في الهواء لأن النباتات والمحيط يواصلان الامتصاص، لكن المحيط العميق، الذي لا يزال أبرد من السطح، يمتص حرارة أقل فأقل. لا يعود CO₂ إلى 280 ppm: في سيناريو «نبضة»، يبقى نحو 43% من الكربون المنطلق في الهواء بعد 100 سنة، و21% بعد 1000 سنة.

لماذا لا يأخذ المحاكي في الحسبان إلا CO₂؟ CO₂ هو الغاز الأكثر إسهامًا في الاحترار والأطول بقاءً في الهواء، وهو الغاز الوحيد الذي يدور بين الخزانات المعروضة هنا. غازات أخرى، مثل الميثان وأكسيد النيتروز، تُدفئ الكوكب أيضًا، أما الهباء الجوي الناتج عن التلوث فيبرّده. لذلك فإن ΔT في المحاكي هو الاحترار الناجم عن CO₂، ولا ينبغي مقارنته مباشرة بالاحترار الكلي المرصود. الخطان عند 1.5 °C و2 °C في رسمَي «درجة الحرارة» و«ΔT × GtC» يحددان أهداف اتفاق باريس، وهي تخص الاحترار الكلي (بجميع هذه التأثيرات): إنهما للاسترشاد، لا للمقارنة الدقيقة.

نموذج صناديق بخمسة خزانات للكربون (المخزونات بوحدة GtC؛ 1 ppm من CO₂ ≈ 2.124 GtC) وطبقتين لدرجة الحرارة، مُكامَل بطريقة رونج-كوتا من الرتبة الرابعة (خطوة زمنية 0.25 سنة).

الكربون. الغلاف الجوي $C_A$، والغطاء النباتي $C_V$، والتربة $C_S$، والمحيط السطحي $C_M$ (حتى 100 م)، والمحيط العميق، المقسوم إلى طبقة وسطى $C_I$ (من 100 إلى 1000 م) وقاع $C_P$ (يُظهر المحاكي المجموع $C_I + C_P$):

$$\begin{aligned} \dot C_A &= R_V + R_S + F_{\text{out}} - P\\ &\quad - F_{\text{in}} + E_{\text{fos}} + E_{\text{def}}\\ \dot C_V &= P - R_V - L - E_{\text{def}}\\ \dot C_S &= L - R_S\\ \dot C_M &= F_{\text{in}} - F_{\text{out}} + F_{\text{up}} - F_{\text{down}}\\ \dot C_I &= F_{\text{down}} - F_{\text{up}} + G_{\text{up}} - G_{\text{down}}\\ \dot C_P &= G_{\text{down}} - G_{\text{up}} \end{aligned}$$

بجمع المعادلات الست لا يبقى إلا $E_{\text{fos}}$: لا يزداد الكربون الكلي إلا بحرق الوقود الأحفوري؛ أما إزالة الغابات ($E_{\text{def}}$) فتنقل الكربون من الغطاء النباتي إلى الغلاف الجوي.

التدفقات البرية. التمثيل الضوئي $P$، وتنفس النباتات $R_V$، وسقوط الأوراق والأغصان $L$، وتنفس التربة $R_S$:

$$\begin{aligned} P &= P_0\,[1 + \beta \ln(C_A/C_{A0})]\\ R_V &= P/2\\ L &= \tfrac{P_0}{2}\,C_V/C_{V0}\\ R_S &= \tfrac{P_0}{2}\,(C_S/C_{S0})\,Q_{10}^{\,T/10} \end{aligned}$$

حيث $P_0 = 120$ GtC/سنة؛ والعامل $Q_{10}^{\,T/10}$ لا يدخل إلا مع تشغيل التغذية الراجعة للتربة.

التدفقات المحيطية. التبادل مع الهواء ($F_{\text{in}}$، $F_{\text{out}}$)، وخلط السطح مع الطبقة الوسطى ($F_{\text{down}}$، $F_{\text{up}}$)، وخلط الطبقة الوسطى مع القاع ($G_{\text{down}}$، $G_{\text{up}}$):

$$\begin{aligned} F_{\text{in}} &= k\,p_{\text{atm}}\\ F_{\text{out}} &= k\,p_{\text{oc}}\\ p_{\text{oc}} &= p_q(D)\,e^{0{,}0423\,T}\\ F_{\text{down}} &= \frac{C_{I0}}{\tau_{\text{mix}}}\,\frac{C_M}{C_{M0}}\\ F_{\text{up}} &= \frac{C_I}{\tau_{\text{mix}}}\\ G_{\text{down}} &= \frac{C_{P0}}{\tau_{\text{deep}}}\,\frac{C_I}{C_{I0}}\\ G_{\text{up}} &= \frac{C_P}{\tau_{\text{deep}}} \end{aligned}$$

حيث $k = 80/280$ GtC/سنة لكل ppm، و$p_{\text{atm}} = C_A/2.124$ و$p_{\text{oc}}$ بوحدة ppm، و$\tau_{\text{deep}} = 1000$ سنة (عمر المياه العميقة بحسب الكربون-14). العامل $e^{0.0423\,T}$ (4.2% لكل °C) لا يدخل إلا مع تشغيل التغذية الراجعة للمحيط.

كيمياء الكربونات. يتفاعل CO₂ الذائب مع الماء ($\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^- \rightleftharpoons 2\text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-}$)، ولا يعود إلى الهواء إلا الجزء الصغير الباقي على هيئة CO₂. الكربون غير العضوي الذائب في السطح هو $D = D_0\,C_M/C_{M0}$ ($D_0 \approx 1986$ µmol/kg). ومع ثبات القلوية ($A_T = 2300$ µmol/kg)، نحصل على $[\text{H}^+]$ من

$$\begin{aligned} A_T &= D\,\frac{K_1[\text{H}^+] + 2K_1K_2}{[\text{H}^+]^2 + K_1[\text{H}^+] + K_1K_2}\\ &\quad + \frac{B_T K_B}{K_B + [\text{H}^+]} + \frac{K_w}{[\text{H}^+]} - [\text{H}^+] \end{aligned}$$

ثم $p_q = D\,[\text{H}^+]^2 / \{K_0\,([\text{H}^+]^2 + K_1[\text{H}^+] + K_1K_2)\}$، مع ثوابت الاتزان لمياه البحر عند 18 °C وملوحة 35. عامل ريفيل، $\xi = (\Delta p_q/p_q)/(\Delta D/D)$، ينتج عن الحساب: ≈ 9.5 في عصر ما قبل الصناعة، ويزداد كلما امتص المحيط الكربون (≈ 11 اليوم)؛ ويصبح امتصاص كل GtC إضافي أصعب. وعند إيقاف عامل ريفيل، $p_q = 280\,C_M/C_{M0}$ (كان CO₂ سيذوب مثل أي غاز آخر، $\xi = 1$).

الانبعاثات. يتبع $E_{\text{fos}}$ و$E_{\text{def}}$ البيانات التاريخية حتى آخر سنة فيها بيانات؛ وبعدها قيم لوحة «الانبعاثات البشرية»، مخفّضةً في سيناريوهات الخفض. في سيناريو «نبضة»، يدخل كل الكربون في السنة الأولى.

المناخ. ميزان طاقة من طبقتين: السطح (الغلاف الجوي + الطبقة المختلطة في المحيط، الشذوذ $T$) والمحيط العميق ($T_p$):

$$\begin{aligned} C_s\,\dot T &= \Delta F - \lambda T - \gamma\,(T - T_p)\\ C_p\,\dot T_p &= \gamma\,(T - T_p) \end{aligned}$$

حيث التأثير $\Delta F = 5.35\,\ln(C_A/C_{A0})$ W/m²، و$\lambda = F_{2\times}/S$ ($F_{2\times} = 5.35 \ln 2 \approx 3.7$ W/m² و$S$ الحساسية المناخية)، و$C_s = 0.094\,h$ ($h$ بالأمتار)، و$C_p = 106$ W·سنة/(m²·°C) و$\gamma = 0.73$ W/(m²·°C).

توازن ما قبل الصناعة. $C_{A0} = 594.7$ (280 ppm)، $C_{V0} = 450$، $C_{S0} = 1700$، $C_{M0} = 900$، $C_{I0} = 9000$ و$C_{P0} = 28\,000$ GtC، مع $T = T_p = 0$: تنعدم جميع المشتقات (مثلًا، يستقبل الغلاف الجوي 60 + 60 + 80 ويفقد 120 + 80 GtC/سنة).

يُتتبَّع الكربون ذو الأصل الأحفوري كمادة متتبِّعة في جميع الخزانات (يحمل كل تدفق الحصة الأحفورية من الخزان الذي يخرج منه). تبدأ الاحتياطيات الأحفورية من 5000 GtC، وهي رتبة مقدار الموارد المقدّرة. النموذج تعليمي: لا يأخذ في الحسبان إلا CO₂ (من دون غازات الاحتباس الحراري الأخرى ومن دون الهباء الجوي). الانبعاثات التاريخية السنوية (الوقود الأحفوري والإسمنت، مطروحًا منها الكربنة؛ وتغيّر استخدام الأراضي) مأخوذة من Global Carbon Budget 2025، من 1850 إلى 2024، مضافًا إليها توقّع عام 2025.

Marco P. M. de Souza