خطوات الاستخدام
الخطوة الأولى: إدخال قيمة الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي (pCO2Atm) بوحدة ميكروأتموسفير (μatm). هذه القيمة تمثل تركيز CO2 في الهواء فوق سطح المحيط، ويتم قياسها عادة في محطات رصد الغلاف الجوي مثل مرصد مونا لوا. في ظل الاحترار العالمي، ارتفعت هذه القيمة من حوالي 280 μatm في عصر ما قبل الصناعة إلى أكثر من 420 μatm حالياً. الفهم الدقيق لهذه القيمة ضروري لحساب اتجاه تدفق الكربون بين الغلاف الجوي والمحيط.
الخطوة الثانية: إدخال قيمة الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون في مياه المحيط السطحية (pCO2Sea) بنفس الوحدة μatm. هذه القيمة تعكس تركيز CO2 المذاب في الطبقة السطحية للمحيط، وتتأثر بعوامل مثل درجة حرارة الماء، والتمثيل الضوئي للعوالق النباتية، وتيارات المحيط. على سبيل المثال، في المناطق الاستوائية الدافئة، يكون pCO2Sea مرتفعاً نسبياً مما يقلل من امتصاص الكربون. يتم قياس pCO2Sea بواسطة أجهزة استشعار موضوعة على العوامات أو السفن البحثية.
الخطوة الثالثة: إدخال سرعة انتقال الغاز (transferVelocity) والتي تمثل معدل تبادل CO2 عبر واجهة الهواء-الماء. غالباً ما تُعطى بوحدات مثل مول/م²/سنة/ميكروأتموسفير أو متر/يوم، وتعتمد على سرعة الرياح، واضطراب سطح البحر، ووجود الأمواج. هناك عدة معادلات تجريبية لحساب سرعة الانتقال، مثل معادلة Wanninkhof التي تربطها بسرعة الرياح. على سبيل المثال، عند سرعة رياح 7 م/ث، تكون سرعة الانتقال حوالي 0.5 مول/م²/سنة/μatm. في الحاسبة، يجب إدخالها بوحدة متسقة مع وحدات pCO2.
الخطوة الرابعة: تقوم الحاسبة بطرح pCO2Sea من pCO2Atm لحساب فرق الضغط الجزئي (ΔpCO2 = pCO2Atm - pCO2Sea). إذا كانت ΔpCO2 موجبة، فإن المحيط يمتص CO2 من الغلاف الجوي (مصرف كربون). أما إذا كانت سالبة، فإن المحيط يطلق CO2 إلى الغلاف الجوي (مصدر كربون). هذا الفرق هو القوة الدافعة لانتقال الغاز عبر واجهة المحيط-الغلاف الجوي، وفقاً لقانون الانتشار لفيك.
الخطوة الخامسة: تضرب الحاسبة فرق الضغط في سرعة الانتقال للحصول على تدفق ثاني أكسيد الكربون (CO2 flux). الصيغة الأساسية هي: Flux = transferVelocity × (pCO2Atm - pCO2Sea). الوحدات الناتجة تكون بوحدة سرعة الانتقال مضروبة في μatm، مثل مول/م²/سنة. يمكن تحويل هذه القيمة إلى كتلة كربون (مثلاً غرام كربون/م²/سنة) بضربها في الكتلة المولية للكربون (12.01 غ/مول). التدفق الموجب يعني امتصاصاً صافياً للكربون من الغلاف الجوي، بينما السالب يعني انبعاثاً صافياً.
أمثلة محلولة
تطبيقات عملية على امتصاص المحيط للكربون بخطوات الحل كاملة.
الحل
نفترض أن لدينا بيانات من محطة رصد في شمال المحيط الأطلسي في شهر أبريل. قيمة pCO2Atm المقاسة هي 415 μatm (متوسط عالمي حديث). قيمة pCO2Sea المقاسة من عينة مياه سطحية هي 390 μatm (انخفاض بسبب النشاط البيولوجي العالي للعوالق النباتية في الربيع). سرعة انتقال الغاز المقدرة بناءً على سرعة رياح متوسطة 8 م/ث هي 0.6 مول/م²/سنة/μatm. حساب فرق الضغط: ΔpCO2 = 415 - 390 = 25 μatm. التدفق = 0.6 × 25 = 15 مول/م²/سنة. هذا يعني أن المحيط يمتص 15 مولاً من CO2 لكل متر مربع سنوياً. لتحويل ذلك إلى كتلة كربون: 15 مول/م²/سنة × 12.01 غ/مول = 180.15 غرام كربون/م²/سنة. إذا حسبنا المساحة الكلية لشمال الأطلسي (حوالي 4.1×10^13 م²)، فإن إجمالي الامتصاص يصل إلى حوالي 7.4×10^15 غرام كربون سنوياً، أي 7.4 غيغاطن كربون. هذا المثال يبين أهمية العمليات البيولوجية في تعزيز امتصاص الكربون في فصل الربيع.
الحل
في المنطقة الاستوائية الشرقية للمحيط الهادئ، تكون درجة حرارة الماء مرتفعة (حوالي 28°م) مما يقلل من ذوبان CO2 ويزيد من pCO2Sea. لنفترض أن pCO2Atm = 410 μatm، و pCO2Sea = 440 μatm بسبب ارتفاع درجة الحرارة وقلة النشاط البيولوجي. سرعة انتقال الغاز منخفضة نسبياً بسبب ضعف الرياح (3 م/ث)، حوالي 0.2 مول/م²/سنة/μatm. ΔpCO2 = 410 - 440 = -30 μatm (سالب). التدفق = 0.2 × (-30) = -6 مول/م²/سنة. الإشارة السالبة تعني انبعاث CO2 من المحيط إلى الغلاف الجوي. لتحويله إلى كتلة كربون: -6 × 12.01 = -72.06 غرام كربون/م²/سنة. هذا الانبعاث يعوض جزئياً امتصاص الكربون في مناطق أخرى. في سنوات ظاهرة النينيو، تقل سرعة الرياح وترتفع درجة الحرارة أكثر، مما يضعف امتصاص الكربون أو يزيد الانبعاثات، وهو ما يؤثر على الميزان العالمي للكربون.
أمثلة محسوبة
قيم مُدخَلة ونتيجة محسوبة فعليًا بواسطة امتصاص المحيط للكربون.
قيم مُدخَلة قياسية
- pCO2 الجوي (µatm)
- 50
- pCO2 البحري (µatm)
- 50
- سرعة النقل (سم/ساعة)
- 8