چرا بارش‌ها با گرم شدن هوا شدیدتر می‌شوند؟

در ۲۲ شهریور (۱۳ سپتامبر)، بارندگی شدیدی در منطقه‌ی کارولینای شمالی آغاز شد؛ این در حالی بود که مرکز گردباد فلورانس کیلومترها از این منطقه فاصله داشت. با پیشروی این طوفان غول‌آسا به سمت این بخش و آسیب‌های احتمالی، مسئولان دستور تخلیه‌ی ۱.۵ میلیون نفر از خانه‌های خود را صادر کردند. در روز ۱۵ سپتامبر طوفان فلورانس به ایالات‌متحده رسید و سرعت آن به شکل باران‌های سنگین‌تر کند شد. در بعضی مناطق سیل بی‌وقفه به مدت چهار روز طول کشید.

رکورد بارش تا پایان این طوفان شکسته شد (تقریبا یک متر در شهر الیزابت تاون کارولینای شمالی) و نتیجه‌، یک سیل فاجعه‌بار بود. هزاران نفر جان خود را از دست دادند و ده‌ها میلیارد دلار خسارت بر جای ماند؛ حتی امروز یعنی ماه‌ها پس از این فاجعه، این منطقه هنوز هم در حال بازیابی است.

اینکه چگونه فلورانس توانست یک منطقه‌ی پررونق و حاصلخیز را به زانو دربیاورد، داستان آشنایی است. به‌عقیده‌ی دانشمندان، با افزایش دماهای جهانی، بارش‌های شدیدی در حین طوفان‌ها رخ خواهد داد. افزایش دمای جو باعث حفظ رطوبت بیشتر و در نتیجه افزایش رطوبت گردبادها و طوفان‌ها می‌شود. حتی قبل از طوفان فلورانس، یک تیم پژوهشی در دانشگاه استونی بروک نیویورک پیش‌بینی کرده‌ بودند که بارش‌های شدید نسبت به قبل از گرمایش زمین، حداقل ۵۰ درصد بیشتر هستند.

بارش‌های شدید همراه با سیلاب، رانش زمین و خرابی‌های دیگر، نوعی فاجعه‌ی آب‌وهوایی مهلک در سراسر جهان هستند. امسال باران‌های شدید ایالت کرالای هندوستان منجر به مرگ بیش از ۴۷۰ نفر شد و سیل در جنوب غربی ژاپن بیش از ۲۰۰ کشته بر جای گذاشت.

سیل در ایالت کرالای هندوستان صدها نفر را به کام مرگ کشاند

در ایالات متحده، سیل، طوفان‌های شدید و گردبادهای حاره‌ای ۹ عدد از ۱۱ فاجعه‌ی جهانی را تشکیل داده و بیش از یک میلیارد دلار خسارت به بار آوردند؛ اما پیش‌بینی تأثیر باران‌های سیل‌آسا بر وضعیت آب‌وهوایی آینده کمی دشوار است، زیرا دانشمندان نمی‌توانند این مدل‌ها را به‌صورت دقیق در کامپیوتر شبیه‌سازی کنند.

در صورت افزایش گازهای گلخانه‌ای طوفان‌هایی مثل فلورانس، هند و دیگر بارش‌های سیل‌آسا تنها بخش کوچکی از فجایع آینده را تشکیل خواهند داد و این میزان رو به افزایش خواهد بود. آنجلین پندرگراس پژوهشگر جوی در مرکز ملی پژوهش‌های جوی بولدر کلورادو (NCAR) می‌گوید:

تمام شواهد نشان می‌دهند که وضعیت آب‌وهوایی ۲۰ سال آینده، بدتر از ۲۰ سال گذشته خواهد بود و تا پایان قرن، این روند اتفاق خواهد افتاد.

رطوبت بیشتر

 در ماه ژوئن و ژوئیه، بارش در کل کرالا شروع شد و تا یک ماه بعد ادامه پیدا کرد. بارش ۲۰ روز اول آگوست ۱۶۴ درصد بیشتر از حد معمول بود. در این استان، رانش زمین به شهرها و ساختمان‌ها رسید و خانه‌ی بیش از یک میلیون نفر در زیر امواج غرق شد.

در این حادثه، مشکل فقط آب‌وهوا نبود. بعضی از مقامات محلی به دلیل عدم مدیریت بهتر موانع آبی مورد انتقاد قرار گرفتند. از طرفی این سیلاب شدیدتر و سنگین‌تر از طوفان‌های متداول تابستانی بود.

واضح است که رطوبت چنین طوفان‌هایی، بیشتر از حد معمول است. رطوبت موجود در هوا بسته به دما تغییر می‌کند؛ با افزایش دما به اندازه‌ی یک درجه‌ی سانتی‌گراد، رطوبت موجود در هوا ۷% افزایش می‌یابد. هیئت میان دولتی تغییرات آب‌وهوایی به این نتیجه رسید که بسیاری از مناطق به دلیل تغییرات آب‌وهوایی به‌وجودآمده توسط انسان، شاهد افزایش بارش‌های سنگین خواهند بود.

به‌گفته‌ی کنت کانکل، پژوهشگر جوی در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی در آشویل:

 طوفان‌های بزرگ و بارش‌زا با حجم قابل‌توجهی از بخار آب موجود در جو محدود می‌شوند. افزایش بخار آب، عامل افزایش بارش در چنین طوفان‌هایی است.

اما این طوفان‌ها، پیچیده‌تر از این‌ها هستند. یک طوفان گردبادی، برجی از بادهای رو به ‌بالا است که با مکش هوای گرم اطراف، تغذیه می‌شود. طوفان‌ها می‌توانند شرایط آب‌وهوایی منحصربه‌فردی را به‌وجود بیاورند (برای مثال ساخت مخازن سرد هوا نزدیک به زمین که باعث جریان همرفت می‌شوند). تغییرات آب‌وهوایی می‌تواند این آثار را تشدید کند و منجر به جریان‌های هوایی روبه بالا شوند که هوای گرم اطراف را جذب می‌کنند و بارش را افزایش می‌دهند.

طوفان هاروی

این اتفاق به‌وضوح در طوفان هاروی رخ داد (شدیدترین طوفان بارانی در تاریخ ایالات متحده که اوت سال گذشته تقریبا ۱۲۵ میلیارد دلار به هیوستون و جنوب تگزاس آسیب رساند). بر اساس سه بررسی مجزا، باران‌های شدید هاروی را نمی‌توان بر اساس افزایش بخار آب موجود در جو توصیف کرد. تغییرات آب‌وهوایی، رطوبت طوفان را بیش‌ازپیش افزایش داده‌اند.

پندرگراس در NCAR برای بررسی طوفان‌های احتمالی آینده، روی مدل‌های آب‌وهوایی جهانی کار می‌کند. او به بررسی تأثیر تغییرات آب‌وهوایی بر گرما و جریان انرژی موجود در جو می‌پردازد. این تغییرات به‌نوبه‌ی خود منجر به تغییر و گسترش بارش در سراسر جهان می‌شوند.

پندرگراس به بررسی پراکندگی‌های بارش یعنی تفاوت بین بارش متعادل و سیل‌آسا هم پرداخته است. او و رتو ناتی، دانشمند جوی در مؤسسه‌ی فناوری فدرال سوئیس در زوریخ (ETH Zurich) در سوئیس به تحلیل رکوردهای بارش جهانی بین ۱۹۹۹ و ۲۰۱۴ پرداختند. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، نیمی از بارش سالیانه تنها در ۱۲ روز رخ داد. او می‌گوید عوامل تشدید‌کننده‌ی بارش، تأثیر زیادی بر بارندگی کل داشتند.

بر اساس نتایج به‌دست‌آمده از یک مدل آب‌وهوایی، این نوع پراکندگی در آینده افزایش خواهد یافت. در صورت افزایش گازهای گلخانه‌ای، تنها ۶ روز برای رسیدن به حداکثر بارش کافی خواهد بود. این به معنی سیل‌ها و خطرات بیشتر است. پندرگراس اخیرا به‌دنبال مذاکره با مدیران آب دنور کلورادو است؛ آن‌ها برای آماده‌سازی سدها در آینده، به اطلاعات بیشتری نیاز دارند. به‌گفته‌ی پندرگراس بقیه‌ی مناطق هم باید آماده باشند. او و ناتی در مجموعه مقالات پژوهشی ژئوفیزیکی نوشته‌اند:

جامعه به‌جای نگرانی در مورد بارش بیشتر، باید مقیاس‌هایی را در نظر بگیرد که کمترین تغییرات را اعمال می‌کنند و در مجموع منجر به بارش بیشتر می‌شوند.

یک مدل آب‌وهوایی که به شبیه‌سازی تغییرات بارش روزانه پرداخته است، نشان می‌دهد اگر هوا به‌طورکلی ۳ درجه‌ی سانتیگراد سرد شود، بیشتر مناطق شاهد بارش‌های شدید خواهند بود

در یک مجموعه‌ی دیگر از شبیه‌سازی‌ها، بر آماده‌سازی جامعه برای نوسان وضعیت هوا تأکید شده است. این پروژه به رهبری دانشمند جوی، زاخاری زوبل (در دانشگاه ایلینویز اوربانا) از یک مدل جهانی آب‌وهوایی استفاده می‌کند که شرایط را به ازای هر ۱۰۰ کیلومتر محاسبه می‌کند و آن را تا دقت بالاتر ۱۲ کیلومتر هم محدود می‌کند. زوبل معتقد است برای انجام این محاسبات، حداکثر دقت فضایی لازم است.

 مدل با دقت ۱۲ کیلومتر قادر به نمایش پدیده‌های جوی در مقیاس کوچک است؛ اما مدل زوبل به توان محاسباتی بالایی نیاز دارد، بنابراین در این تست تنها ایالات‌ متحده بررسی شد. حتی از یک ابر کامپیوتر هم برای محاسبات استفاده شد اما در پایان پژوهشگرها به بررسی تأثیر افزایش گازهای گلخانه‌ای بر دما و بارش تا سال ۲۰۹۴ پرداختند.

رونق و خشکسالی

بر اساس پژوهش‌ها، بارش‌های شدید در اغلب مناطق کشور افزایش خواهند یافت. آن‌ها همچنین شاهد تغییرات بزرگی در الگوهای آب‌وهوایی آینده از جمله موقعیت تندبادهای غرب به شرق بودند؛ این تندبادها، آب‌وهوا را در بخش میانی ایالات متحده کنترل می‌کنند.

دلیل این تغییر هم این بود که قطب شمال سریع‌تر از عرض‌های جغرافیایی میانی گرم می‌شود؛ بنابراین اختلاف دمای کمتری بین دو منطقه وجود دارد. در مقابل، تغییرات تندباد به سمت شمال باعث افزایش هوای گرم و مرطوب از خلیج مکزیک شد. در نتیجه، استان‌های غربی (که محل کشت محصولات ذرت و گندم هستند) احتمالا در هر فصل بهار و در فصل کشت، شاهد طوفان‌های شدیدتری خواهند بود. از طرفی، دوره‌های خشکسالی هم بر اساس مدل طولانی‌تر می‌شوند. به‌گفته‌ی زوبل در مجله‌ی Earth's Future:

یک الگوی بارشی رونق و خشکسالی به‌وجود خواهد آمد و این روند، کشاورزی را دشوار خواهد کرد.

آندرس پرین، این الگوی آینده را کاملا در سال ۲۰۰۲ درک کرده بود؛ یعنی زمانی که کل اروپا شاهد بارش‌های شدید تابستانی بود. پرین آن زمان در ارتش اتریش خدمت می‌کرد و واحد او برای کمک به بخش‌های سیل‌زده‌ی شمال اتریش داوطلب شده بود. در آن منطقه، نهرهای کوچک طغیان کرده بودند و منجر به خسارت و آسیب‌هایی تا سقف سه میلیارد یورو شدند. پرین می‌گوید:

برایم بسیار تعجب‌آور بود که چطور جریان‌های کوچک می‌توانند چنین فاجعه‌ای را به بار بیاورند؛ تقریبا غیرقابل‌باور بود.

حالا پرین، یک دانشمند جوی در NCAR و رهبر مدل‌سازی جدید آب‌وهوایی است. هدف او، شبیه‌سازی آب‌وهوای آینده در مدل‌های دقیق‌تر نسبت به مدل زوبل است. دقت محاسبات در پروژه‌ی او به چهار کیلومتر یا کمتر هم می‌رسد. این محاسبات بسیار پرهزینه بوده و صرفا برای مناطق کوچک قابل اجرا هستند.

دلیل انتخاب دقت چهار کیلومتر این است که در این سطح، طوفان‌ها به تکامل می‌رسند و در طول همرفت قوی‌تر می‌شوند. این محدوده به محدوده‌ی مدلسازی آب‌وهوایی مجاز همرفت معروف است و به شبیه‌سازی واقعی‌تر طوفان‌ها هم کمک می‌کند. در محاسبات مشابه، توسعه‌ی طوفان‌ها در طی یک یا دو روز پیش‌بینی می‌شود. پرین می‌گوید:

اما هدف ما، شبیه‌سازی برای ده‌ها سال یا قرن‌های آینده است. این فرآیند از پیش‌بینی‌های متداول آب‌وهوایی تقلید می‌کند اما مقیاس‌های بزرگ‌تری را در نظر می‌گیرد.

در پروژه‌ی پیش‌رو، پژوهشگرهای بریتانیایی با دقت ۲.۲ کیلومتر به اجرای شبیه‌سازی‌های آب‌وهوایی در مقیاس کل اروپا پرداختند و علائم هشدار را برای طوفان‌های آینده ثبت کردند. یکی از اعضای تیم بررسی، الیزابت کندون، دانشمند آب‌وهوایی دفتر Met در بریتانیا می‌گوید: «در حال حاضر در اغلب نقاط اروپا، شاهد تشدید آب‌وهوا به‌ویژه در فصل تابستان خواهیم بود».

در شبیه‌سازی‌های گرمایش جهانی، بارش‌ها شدیدتر می‌شوند و فجایع زیست‌محیطی در طول سال افزایش می‌یابند. بر همین اساس، مقام‌های مربوطه باید خود را برای طوفان‌های زمستانی آماده کنند.

یکی دیگر از نگرانی‌های عمده، گردباد است. کریستینا پاتریکولا و مایکل وهنر در آزمایشگاه ملی برکلی لاورنس کالیفرنیا از مدل‌های مجاز همرفت برای بررسی طوفان‌های فاجعه‌بار کاترینا در سال ۲۰۰۵ و ایرما و ماریا در سال ۲۰۱۷ استفاده کردند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که تغییرات آب‌وهوایی، منجر به افزایش بارش ۱۹ درصدی در این طوفان‌ها شده است (و گرم شدن آینده‌ی زمین هم قطعا به معنی بارش‌های شدیدتر نسبت به طوفان‌های مشابه خواهد بود).

کار را با یک پیش‌بینی هوا شروع کردیم؛ اما بازه‌ی آن را به مدت ۱۳ سال افزایش دادیم.

شبیه‌سازی دوم با نگاهی به یک بازه‌ی مشابه در انتهای قرن انجام شد و با توجه به تولید گازهای گلخانه‌ای، از معیارهای قابل‌پیش‌بینی استفاده کرد. دانشمندان با مقایسه‌ی این دو شبیه‌سازی، به آثار احتمالی افزایش سطح گازهای گلخانه‌ای پی بردند. به‌لطف دقت بالای شبیه‌سازی‌ها، آن‌ها توانستند به تکامل و شکل‌گیری طوفان‌ها در آینده پی ببرند.

بر اساس یافته‌های متعدد، طوفان‌های تندری ایالات متحده تا انتهای قرن، بیش از سه بار تکرار خواهند شد و حداکثر بارش آن‌ها بین ۱۵ تا ۴۰ درصد افزایش خواهد یافت. طوفان‌ها، بزرگ‌تر خواهند شد و پوشش منطقه‌ای آن‌ها همراه با بارش شدید دو برابر خواهد شد. به این صورت، خطر سیل افزایش پیدا خواهد کرد. پرین می‌گوید:

قطعا بین طوفانی که کل شهر را بپوشاند، با طوفانی که تنها به نصف شهر برسد، تفاوت‌های زیادی است.

پرین و همکاران او در NCAR در حال توسعه‌ی یک مجموعه‌ی دوم از شبیه‌سازی‌ها هستند و امیدوارند در ماه‌های آینده آن‌ها را اجرا کنند. این شبیه‌سازی به بررسی جریان‌ها به سمت شمال کانادا می‌پردازد و هدف آن پاسخ به این سؤال است که آیا طوفان‌های تندری قدرتمند که به سرعت به بخش مرکزی غرب ایالات متحده می‌رسند، در آینده به کانادا هم راه پیدا می‌کنند یا خیر. این پروژه به‌جای بازه‌های ۱۳ ساله، از بازه‌های ۲۰ ساله استفاده می‌کند و دانشمندان امیدوارند به روندهای طولانی‌تر در الگوهای تغییر آب‌وهوایی برسند.