الكثير من الشمس في الماء الدافئ: اقترح عالم المحيطات الروسي طريقة لحساب التدفئة الصيفية للبحر الأسود

إن توزيع الحرارة الشمسية في عمود الماء لا يهم فقط المصطافين عن طريق البحر. إن “إنتاج” الطحالب الدقيقة (العوالق النباتية)، وهي أساس السلسلة الغذائية بأكملها في المحيط، وبالتالي إنتاجيتها البيولوجية ككل، يعتمد على ضوء الشمس. كما أن مثل هذه الحسابات ضرورية لتقييم تغير المناخ والتنبؤ به، ولتشغيل النماذج التي تصف تكوين التيارات المحيطية والبحرية. استنادا إلى نتائج سنوات عديدة من الملاحظات، قام ديمتري جلوخوفيتس ببناء نموذج يأخذ في الاعتبار الخصائص البصرية لمياه البحر الأسود، مما جعل من الممكن حساب تدفق الحرارة من الشمس بدقة من أبريل إلى سبتمبر. أشعة الشمس، التي تمر عبر مياه البحر، تسخنها بشكل غير متساو. يتم إنفاق جزء من الحرارة على تسخين الطبقة العليا من البحر الأسود – وهي طبقة شبه متجانسة لا تعتمد درجة الحرارة فيها على العمق. اعتمادًا على الموسم، يمكن أن يختلف سمكها بشكل كبير، حيث يصل إلى حوالي 19 مترًا بحلول شهر سبتمبر. ويتم امتصاص ما تبقى من الطاقة الشمسية في ما يسمى بالطبقة الحرارية الموسمية، حيث تنخفض درجة الحرارة بشكل حاد مع العمق إلى 9 درجات مئوية. تلعب هذه المنطقة دورًا مهمًا في العمليات البيولوجية والخلط الرأسي للمياه. تعود بعض الطاقة التي ذهبت إلى الأعماق في الشتاء وتؤثر على مدى برودة العام المقبل. تتأثر عمليات امتصاص الإشعاع الشمسي بشدة بالخصائص البصرية لمياه البحر. وفي المحيط المفتوح، حيث تكون المياه نظيفة وفقيرة في المواد العضوية، يتم تحديدها بالكامل تقريبًا من خلال تركيز الكلوروفيل في العوالق النباتية. لكن البحر الأسود بالقرب من غيليندزيك يتصرف بشكل مختلف. تحتوي مياهها على الكثير مما يسمى بالمادة الصفراء – وهي خليط معقد من عدة مئات من الجزيئات العضوية التي تأتي مع جريان النهر أو تتشكل مباشرة في البحر أثناء حياة العوالق النباتية والحيوانية وأثناء تحللها. تمتص المادة الصفراء ضوء الشمس بشكل مكثف، خاصة في المناطق الزرقاء والأشعة فوق البنفسجية من الطيف، ومساهمتها في الامتصاص الكلي للإشعاع هنا كبيرة جدًا لدرجة أن النماذج “المحيطية” القياسية تخطئ بعشرات بالمائة. لذلك، قام ديمتري جلوخوفيتس، الذي يأخذ كأساس لبرنامج HydroLight، الذي يحل عدديًا معادلة نقل الإشعاع في نظام الغلاف الجوي والمحيطات، بتعديل معلماته، مما يزيد معدلات امتصاص الضوء للمادة الصفراء إلى الظروف الحقيقية لموقع اختبار البحر الأسود التابع لمعهد علم المحيطات التابع لأكاديمية العلوم الروسية. من خلال حساب متوسط ​​البيانات التي تم الحصول عليها على مدى سنوات عديدة من الملاحظات، حصل الباحث على الخصائص المائية البصرية المحلية: تركيز الكلوروفيل هو 0.5 ميكروغرام لكل لتر، وامتصاص المادة الصفراء عند طول موجة 443 نانومتر هو حوالي 0.1 من تدفق الإشعاع الوارد لكل متر. للمقارنة: في المحيط المفتوح هذا الرقم أقل عدة مرات. عندما قارن العالم نتائج البرنامج المعدل مع القياسات الميدانية للتوهين المنتشر للإشعاع من الأعلى، تبين أن التناقض أقل من 4٪، وهو أقل حتى من خطأ الأجهزة نفسها. ونشرت الدراسة في مجلة علم المحيطات. وقام عالم المحيطات بحساب التدفق الحراري الذي يأتي تحت الطبقة العليا شبه المتجانسة لكل فترة عشرة أيام من أبريل إلى سبتمبر، اعتمادًا على سمكها الحالي. إذا كانت الطبقة العليا رقيقة، على سبيل المثال أربعة أمتار في أوائل أبريل، فإن حرارة الشمس تخترق بسهولة العمق وتدفئ الخط الحراري. إذا ارتفعت درجة حرارته إلى 10-12 مترًا، فسيتم الاحتفاظ بمعظم الحرارة والضوء أعلى، وتتلقى الطبقة الحرارية طاقة أقل بكثير. ويمكن استخدام العلاقة الناتجة مباشرة في نماذج دوران البحر، وكذلك في النماذج والتنبؤات المناخية. “في البحر الأسود في شهر يونيو، تحدث أزهار جماعية من المكورات الحجرية – الطحالب المجهرية المغطاة بقشور الكالسيت – سنويًا”، كما يعلق ديمتري جلوكوخوفيتس، رئيس مختبر بصريات المحيطات في معهد علم المحيطات التابع للأكاديمية الروسية للعلوم والأستاذ المشارك في قسم الميكانيكا الحرارية المائية في MIPT. “تصبح المياه في هذا الوقت غائمة، وتكتسب لونًا فيروزيًا. هذه الأحداث تغير بشكل كبير البياض – انعكاس ضوء الشمس من السطح وسمك مياه البحر؛ يمكن أن يزيد ثلاث مرات أو أكثر. يخترق ضوء أقل إلى الأعماق، مما يعني أن تسخين المياه يتغير أيضًا. لذلك، في سنوات الإزهار المكثف، تحتاج حساباتنا للتدفق الشمسي، التي يتم إجراؤها للمياه النظيفة، إلى تصحيح جدي. لكن الإزهار المكثف لا يحدث كل عام: على مدى عقد ونصف من الزمن الملاحظات، حدثت أربع حلقات قوية فقط، لذلك بالنسبة للتقديرات المتوسطة طويلة المدى، يمكن إهمال تأثيرها في الوقت الحالي، على الرغم من أننا نخطط في المستقبل لأخذ هذا العامل المهم في الاعتبار. حجم تدفق الحرارة النوعي الذي يدخل إلى الطبقة الحرارية الموسمية، يعتمد على سمك UCL H ورقم العقد. متوسط ​​قيم سمك VL للفترة 2010-2023. لكل عقد [4] يظهر بخط أسود / © “علم المحيطات” قارن العالم نموذجه بمخطط تجريبي مبسط يستخدم أحيانًا للبحر الأسود. اتضح أنه قلل من تقدير تدفق الحرارة في الطبقة التي يتراوح ارتفاعها من 4 إلى 30 مترًا بنسبة 62٪ عند موقع مرتفع من الشمس. مثل هذا الخطأ، إذا تم تضمينه في توقعات المناخ، يمكن أن يشوه بشكل كبير صورة التدفئة الموسمية. تم إجراء الحسابات من أجل سماء صافية – وهي صورة مثالية لا تحدث في الواقع كل يوم. لحل هذه المشكلة، تم قياس تدفق الإشعاع النشط ضوئيًا بشكل مستمر في موقع اختبار البحر الأسود التابع لمعهد علم المحيطات RAS في الفترة من يونيو إلى سبتمبر 2023. وتبين أن متوسط ​​الغيوم يقلل من الطاقة الواردة بحوالي 15-20٪ مقارنة بالسماء الصافية. هذا عامل تصحيح جاهز للممارسة. يمكن تكييف النموذج الإقليمي المطور مع مناطق ومواسم المياه الأخرى عن طريق تغيير المعلمات المائية الضوئية المدخلة.