چگونه مدل‌های داده‌ای جدید، تضعیف ۵۸ درصدی جریان اقیانوسی اطلس را تا سال ۲۱۰۰ پیش‌بینی می‌کنند

در عرض جغرافیایی ۲۶ درجه شمالی، یک نوار نقاله عظیم از آب اقیانوس، تقریباً ۱۵ میلیون متر مکعب آب را در هر ثانیه جابجا می‌کند. این جریان، گردش واژگونی نصف‌النهاری اطلس (AMOC) است؛ یک موتور در مقیاس سیاره‌ای که گرما را از مناطق گرمسیری به قطب شمال توزیع مجدد می‌کند. پیش‌بینی آینده این جریان برای دهه‌ها یکی از پیچیده‌ترین چالش‌ها در تحلیل داده و علوم اقلیمی بوده است. ترکیب اخیر مشاهدات واقعی اقیانوسی با مدل‌های پیشرفته اقلیمی، عدم قطعیت را کاهش داده و تضعیف قابل توجهی بین ۴۲ تا ۵۸ درصد را تا سال ۲۱۰۰ پیش‌بینی می‌کند. این داده‌ها نشان‌دهنده یک تغییر مهم نسبت به برآوردهای پایه قبلی است که کاهش ملایم‌تر یک سومی را پیش‌بینی می‌کردند و سیستم را به نقطه اوج نظری نزدیک‌تر می‌کند.[1]

برای درک این داده‌ها، لازم است سازوکار آن را بفهمیم. AMOC توسط گرادیان‌های چگالی آب هدایت می‌شود که توسط دما و شوری کنترل می‌شوند—فرآیندی که به عنوان گردش ترموهالین (گرما-شوری) شناخته می‌شود. آب‌های سطحی گرم و شور از مناطق گرمسیری به سمت شمال جریان می‌یابند. هنگامی که به اقیانوس اطلس زیرقطبی شمالی می‌رسند، گرما را در جو آزاد کرده و به طور قابل توجهی سرد می‌شوند. از آنجایی که آب سرد و شور چگالی فوق‌العاده‌ای دارد، به اعماق اقیانوس فرو رفته و به سمت جنوب باز می‌گردد. این حلقه پیوسته، الگوهای آب و هوایی جهانی را تنظیم می‌کند، اروپای شمالی را نسبتاً معتدل نگه می‌دارد و کمربند بارانی گرمسیری را که تعیین‌کننده بازده کشاورزی در چندین قاره است، تثبیت می‌کند.[4][5]

پیش‌بینی مسیر AMOC مستلزم شبیه‌سازی این تعادل ظریف دما و شوری در سراسر اقیانوس اطلس است. از لحاظ تاریخی، مدل‌های کامپیوتری استانداردی که توسط هیئت بین‌دولتی تغییرات اقلیمی (IPCC) استفاده می‌شوند—که به عنوان مجموعه CMIP۶ شناخته می‌شوند—نتایج بسیار متفاوتی ارائه می‌دادند. برخی شبیه‌سازی‌ها تقریباً هیچ کاهش سرعت دیگری را تا پایان قرن نشان نمی‌دادند، در حالی که برخی دیگر، حتی در سناریوهایی که انتشار گازهای گلخانه‌ای جهانی کاهش می‌یافت، کاهش سرعت فاجعه‌بار تا ۶۵ درصد را پیش‌بینی می‌کردند. این گستره عظیم عدم قطعیت ناشی از نحوه وزن‌دهی مدل‌های مختلف به ورود آب شیرین از بارندگی و ذوب یخ بود که شوری اقیانوس را رقیق کرده و از فرورفتن آب جلوگیری می‌کند.[2][3]

پیشرفت در محدود کردن این پیش‌بینی از طریق اعمال یک روش آماری به نام رگرسیون خطی منظم‌شده ریج (Ridge-regularized linear regression) بر روی مدل‌های موجود حاصل شد. محققان به جای تکیه صرف بر شبیه‌سازی‌های نظری، مدل‌ها را به مشاهدات واقعی اقیانوسی جمع‌آوری‌شده در طول دو دهه گذشته متصل کردند. با تجزیه و تحلیل همزمان متغیرهای متعدد—به ویژه، شوری سطح در اقیانوس اطلس جنوبی و گرادیان‌های دما در اقیانوس اطلس شمالی—دانشمندان داده توانستند تشخیص دهند که کدام مدل‌های اقلیمی واقعیت کنونی را با دقت بیشتری منعکس می‌کنند. مدل‌هایی که بهترین تطابق را با داده‌های مشاهده‌ای داشتند، همان‌هایی بودند که کاهش بسیار شدیدتری را پیش‌بینی می‌کردند.[1][6]

بسته شواهد حاصل، به تضعیف تقریباً ۵۰ درصدی AMOC تا سال ۲۱۰۰ اشاره دارد. کاهش سرعت در این مقیاس، فیزیک بنیادی اقیانوس را تغییر می‌دهد. با تضعیف جریان، آب گرم کمتری به سمت شمال منتقل می‌شود، که به نوبه خود به معنای آزاد شدن گرمای کمتر در جو قطب شمال است. به طور متناقض، این امر یک حلقه بازخورد ایجاد می‌کند: اقیانوس کندتر سرد می‌شود، آب چگالی کمتری دارد و فرآیند فرورفتن بیشتر کاهش می‌یابد. در حالی که IPCC اطمینان متوسطی را حفظ کرده است که فروپاشی ناگهانی و کامل AMOC قبل از سال ۲۱۰۰ رخ نخواهد داد، تضعیف ۵۸ درصدی سیستم را به قلمرویی بی‌سابقه سوق می‌دهد و احتمال ریاضی عبور از نقطه بی‌بازگشت را افزایش می‌دهد.[2][5]

با وجود این مدل‌های اصلاح‌شده، شکاف‌های قابل توجهی در داده‌ها باقی مانده است. برجسته‌ترین ناشناخته، نرخ دقیق آب ذوب‌شده‌ای است که از ورقه یخی گرینلند وارد اقیانوس می‌شود. بسیاری از مدل‌های اقلیمی کنونی در گنجاندن دقیق این جریان موضعی آب شیرین، که مستقیماً بر روی مناطق حیاتی فرورفتن AMOC قرار دارد، مشکل دارند. اگر یخ گرینلند سریع‌تر از آنچه مدل‌ها پیش‌بینی می‌کنند ذوب شود، شیرین شدن اقیانوس اطلس شمالی می‌تواند کاهش AMOC را فراتر از پیش‌بینی ۵۸ درصدی تسریع کند. در مقابل، برخی محققان به نیروی باد در اقیانوس جنوبی اشاره می‌کنند که به کشیدن آب به سطح و هدایت سیستم جهانی کمک می‌کند، به عنوان یک عامل تثبیت‌کننده بالقوه که ممکن است مدل‌ها آن را دست کم بگیرند.[3][7]

سوابق دیرینه‌اقلیمی (Paleoclimatic) مبنایی را برای آنچه در صورت عبور AMOC از نقطه اوج خود رخ می‌دهد، فراهم می‌کند. داده‌های هسته یخی نشان می‌دهد که در اواخر آخرین عصر یخبندان، ورود عظیم آب شیرین به اقیانوس اطلس شمالی باعث فروپاشی کامل AMOC شد. این امر منجر به سرمایش شدید و سریع در نیمکره شمالی و تغییرات چشمگیر در بارش جهانی شد. در حالی که گرمایش انسان‌زاد مدرن مجموعه‌ای متفاوت از شرایط اولیه را ارائه می‌دهد، داده‌های تاریخی تأیید می‌کنند که AMOC یک سیستم خطی نیست؛ بلکه پس از شکسته شدن یک آستانه چگالی خاص، قادر به تغییرات ناگهانی حالت است.[4][5]

اگر تضعیف ۴۲ تا ۵۸ درصدی محقق شود، پیامدهای فیزیکی آن در سطح جهانی قابل اندازه‌گیری خواهد بود، حتی بدون فروپاشی کامل. داده‌ها نشان می‌دهند که یک AMOC تضعیف‌شده، کمربند بارانی گرمسیری را به سمت جنوب جابجا می‌کند و چرخه‌های کشاورزی را در مناطقی که به بادهای موسمی قابل پیش‌بینی متکی هستند، مختل می‌سازد. در نیمکره شمالی، این امر منجر به آب و هوای زمستانی شدیدتر در اروپا و افزایش سطح آب دریا به صورت محلی و تسریع‌شده در امتداد سواحل شرقی آمریکای شمالی می‌شود، زیرا جریان تضعیف‌شده اجازه می‌دهد آب در برابر فلات قاره انباشته شود.[6]

آینده پیش‌بینی AMOC متکی بر گسترش شبکه مشاهداتی است. آرایه‌های نظارت مستمر، مانند لنگرگاه‌های RAPID که در ۲۶ درجه شمالی مستقر شده‌اند، داده‌های با وضوح بالا را برای آزمایش و اصلاح این مدل‌ها فراهم می‌کنند. با بهبود تکنیک‌های تحلیل داده، شکاف بین مدل‌سازی اقلیمی نظری و اقیانوس‌شناسی واقعی در حال بسته شدن است. شواهد به طور فزاینده‌ای نشان می‌دهند که AMOC نسبت به تغییرات جوی کنونی بسیار حساس است و عدم قطعیت پیرامون نقطه اوج دقیق آن، دلیلی برای نظارت دقیق‌تر است تا فرض ثبات.[1][5]