الدورة الطبيعية

تشهد الأنهار الجليدية والغطاء الجليدي دورات موسمية من الذوبان والتجميد. والليل القطبي هو عبارة عن فترة من الظلام الدامس يكسو فيها الثلج والجليد البحر والبر (الشكل 1A). وعندما يصل الشعاع الأول من النهار القطبي إلى المنطقة، يذوب الجليد الموجود على البر والبحر وينكمش، وتبدأ الأنهار في توصيل ماء الجليد المنصهر إلى المناطق الساحلية. إنه الربيع، أكثر الأوقات إنتاجية في السنة. فتنمو النباتات البحرية الدقيقة التي تُسمى العوالق النباتية وتتكاثر بسرعة باستخدام ضوء الشمس والمغذيات الموجودة في الماء لإنتاج الغذاء من خلال عملية التمثيل الضوئي. وتتغذى العوالق الحيوانية -وهي حيوانات صغيرة تحملها التيارات المائية- بصورة أساسية على العوالق النباتية. وفي القطب الشمالي، تكون العوالق الحيوانية أكثر عددًا خلال فصل الصيف، الذي هو أيضًا موسم الذوبان الرئيسي (الشكل 1B). وخلال فصل الصيف، تُراكِم العوالق الحيوانية الدهون لتتمكن من البقاء على قيد الحياة في حالة السبات الشتوي. وعندما يحل الليل القطبي، يقل ضوء الشمس وتنخفض درجات الحرارة بسرعة. ويتراكم الجليد والثلج في البر والبحر. وتتجمد الأنهار ويتوقف جريانها إلى المحيط.

بيد أن الدورة الموسمية الطبيعية للقطب الشمالي تتغير بسبب الاحترار العالمي. فيبدأ الجليد والثلج في الذوبان بسرعة أكبر وفي وقت مبكر من الموسم، ويتكوّن الجليد بكمية أقل في فصل الشتاء. لكن تأثير الاحترار لا يقتصر على الهياكل المادية مثل الأنهار الجليدية، بل يمتد إلى العديد من التغييرات التي تلحق بالنظام البيئي البحري في القطب الشمالي.

ما تأثير ارتفاع درجة حرارة القطب الشمالي على المياه الساحلية؟

تشهد المياه الساحلية في المناطق القطبية تغيرات ملحوظة. ولدراسة هذه التغيرات، نذهب كل صيف إلى أرخبيل سفالبارد في القطب الشمالي. فهو مكان مثالي لدراسة آثار الاحترار العالمي بسبب الزيادة الملحوظة في تدفق مياه المحيطات الدافئة من المحيط الأطلسي (الشكل 1C، السهم الأحمر) وتسارع ذوبان الجليد. تتدفق المياه العذبة الناتجة من ذوبان الأنهار الجليدية إلى البحر وتجلب الوحل من اليابسة. وتتسبب المياه الموحلة في تعتيم مياه البحر، حيث تحوُل جسيمات الوحل دون اختراق الضوء للمياه. وفي صور الأقمار الصناعية، يمكننا أن نلاحظ أن المياه المعتمة تنتشر أكثر فأكثر كل عام.

ويؤثر الضوء على دورات حياة جميع الكائنات الحية البحرية ونموها. وإذا أصبحت التغيرات في الضوء تحت الماء خلال فصل الصيف في القطب الشمالي شديدة، لن تتمكن العوالق النباتية من إجراء عملية التمثيل الضوئي، لذلك ستصبح أقل وفرة. كما يؤدي انخفاض عدد العوالق النباتية إلى شيوع ظروف غذائية غير مواتية للعوالق الحيوانية ويقلل من نموها، مما قد يؤثر بعد ذلك سلبًا على الأسماك والدببة القطبية والفقمات والطيور البحرية [1].

قبلنا التحدي

قد يكون لتعتيم مياه البحر الناجم عن ماء الجليد المنصهر آثار خطيرة على النظام البيئي البحري، ومع ذلك فقد حظي باهتمام أقل من فقدان الجليد البحري [2, 3]. ولما كنا نعتقد أن تعتيم مياه البحر ظاهرة لا تقل في أهميتها عن الآثار الأخرى للاحتباس الحراري، فقد قبلنا تحدي دراستها! فاستعنا بالعديد من المعدات وذهبنا إلى القطب الشمالي لإحضار أكثر المياه الموحلة القادمة من اليابسة (الشكل 2A). واستخدمنا كاميرا رقمية لنسترق النظر إلى الكائنات الحية البحرية في بيئتها الطبيعية (الشكل 2، الحواف). كما استخدمنا أجهزة خاصة لقياس توزيع الضوء تحت الماء وأحصينا الجسيمات وفحصنا العوالق. ودرسنا المناطق ذات المياه الصافية المفتوحة خارج «المناطق بنية اللون» على سبيل المقارنة (الشكل 2B). وحددنا مستويات التعّكر في كل منطقة من المناطق التي درسناها. والتعكر هو مقياس لمدى اتساخ الماء.

ثلج تحت الماء

كانت درجة التعكر عالية في الخِلجان الجليدية، مما يعني أن المياه كانت قذرة. فقد كان لونها بُنيًا حليبيًا بسبب وجود جسيمات صغيرة منقولة من اليابسة (الشكل 3A، الجدول 1). تلتصق هذه الجسيمات عادةً ببعضها البعض مما يؤدي إلى تكوين «قشيرات»، مما أعطانا انطباعًا بوجود عاصفة جليدية تحت الماء. وفي المقابل، كان التعكر منخفضًا للغاية في المياه الصافية، التي كان لونها أخضر بسبب وجود أصباغ في العوالق النباتية (الشكل 3B). وقد كان الثلج البحري أقل وفرة في المياه الصافية وكان يتكوّن من مجموعات من العوالق النباتية والحيوانية الميتة والبراز، وهي علامات تشير إلى أن الكائنات الحية تعيش هناك.

لم تكن العوالق النباتية موجودة داخل «المناطق بُنية اللون» إلا بالقرب من السطح، حيث يمكنها إدراك كل شعاع من الضوء. وكانت العوالق الحيوانية أيضًا أقل وفرة، وكانت أقل وفرة لها في المناطق الضحلة المغلقة التي يقل فيها تبادل المياه. غير أن بعض أنواع العوالق الحيوانية تأثرت بدرجة أقل من غيرها، لأنها يمكنها التغذي على الثلج البحري. وقد اتضح أن أحد أنواع العوالق الحيوانية -يُسمى العوالق الحيوانية الهُلامية (أو قناديل البحر)- مؤشر جيد على ظروف التعتيم. فعلى الرغم من أن القناديل حيوانات مفترسة تستخدم حاسة اللمس ولا تحتاج إلى الضوء لاصطياد فريستها، كانت القناديل نادرة في المياه المعتمة، وقد يرجع هذا إلى قلة الغذاء المتاح بالقرب من الأنهار الجليدية؛ فهي تتغذى على العوالق الحيوانية الصغيرة، أو لأن جسيمات الثلج البحري يمكنها أن تسد مجساتها اللزجة.

من الملاحظات إلى التنبؤات

لقد حصلنا على الكثير من المعلومات من قياساتنا، لكن البيانات التي توصلنا إليها لم تستطع إخبارنا بكل ما نريد معرفته بشأن كيفية تفاعل العوالق والجسيمات في مثل هذه الظروف المتدهورة خلال فصل الصيف في القطب الشمالي.

ولكي يتسنى لنا معرفة المزيد، أنشأنا نماذج حاسوبية، وهي عبارة عن برامج تستخدم المعادلات الرياضية لمساعدة العلماء في فهم ملاحظاتهم والتنبؤ بالمستقبل بصورة أفضل. ولتمثيل الظروف الفيزيائية (درجة الحرارة والملوحة والتيارات، وما إلى ذلك) في المنطقة الخاضعة لدراستنا، استخدمنا نموذجًا يُسمى GOTM (النموذج العام لاضطراب المحيط). ولتمثيل المادة الحية (العوالق النباتية والعوالق الحيوانية، وما إلى ذلك)، استخدمنا نموذجًا يُسمى ECOSMO (نموذج النظام البيئي). وقد رُبط هذان النموذجان معًا، مما سمح لنا بإنشاء عالم افتراضي يمثل موقع دراستنا. وقد تضمن نموذجنا معرفة عامة عن المفترسات والفرائس في النظام البيئي البحري في القطب الشمالي.

ولكن كيف يعمل النموذج؟ في كل يوم من أيام السنة، نُدخل البيانات التي تُقاس أو تُصمم لها نماذج، بما في ذلك درجة حرارة المياه وملوحتها وكمية الوحل المنقولة من اليابسة. يستخدم النموذج هذه المدخلات لحساب كيف تأكل الكائنات الحية وتنمو. وتُعد المدخلات المستمدة من النموذج هي وزن كل مجموعة من الكائنات الحية، الذي يخبرنا عن مدى وفرة كل مجموعة. وقد صُمم النموذج ليعطينا وزن العوالق النباتية والعوالق الحيوانية ويرقات الكائنات الحية التي تعيش في قاع المحيط. وحتى الآن، توضح النتائج التي توصل إليها النموذج وبياناتنا الميدانية اتجاهات متشابهة لجميع مجموعات العوالق المذكورة، وهذه أنباء سارة! فهي تعني أن الخطوة الأولى من تطوير نموذجنا تؤتي ثمارها.

وتتمثل الخطوة التالية في استخدام نموذجنا البسيط للتنبؤ بمدى تأثير الاحترار التدريجي على مجموعات العوالق المختلفة. ولتحقيق ذلك، علينا إجراء عمليات محاكاة باستخدام البيانات البيئية المستقبلية المحتملة للتنبؤ بما قد يحدث لكل مجموعة من الكائنات الحية. ويمكننا اختبار العديد من الأشياء التي لم تحدث بعد في عالم الواقع، فعلى سبيل المثال يمكننا استخدام نموذجنا للتنبؤ بما سيحدث لنظامنا البيئي البحري إذا استمرت درجات حرارة الهواء والمحيط في الارتفاع حسب تنبؤات النماذج المناخية. يتنبأ نموذجنا بأن ارتفاع درجات الحرارة سيؤدي إلى وجود المزيد من الوحل والثلج البحري في مياهنا الساحلية في المستقبل. ويمكننا أن نواصل تحسين نموذجنا وتعديله طوال الوقت استنادًا إلى البيانات التي نجمعها من عالم الواقع. وفي مرحلةٍ ما، نأمل أن يصبح هذا النموذج أداة أكثر تعقيدًا وقوة لمساعدة الباحثين على وضع تنبؤات يمكننا على أساسها بناء إجراءات لحماية الأنظمة البيئية في القطب الشمالي.

الملخص

يشهد القطب الشمالي تأثيرات تغير المناخ التي تكون أكثر وضوحًا من أي مكان آخر على سطح الأرض. لذلك ينتظره مستقبل مبهم. وقد تكون ثمة لحظة تُسمى نقطة التحول، حيث يصبح من المستحيل تدارك الاحترار ويبدأ في الانتشار مثل حرائق الغابات. بالتأكيد لن نكون قادرين على إيقاف جميع التغييرات التي ستلحق بالنظام البيئي في القطب الشمالي، ولكن يمكننا مراقبتها استعدادًا للمستقبل. فقد سمحت لنا دراسة ما يحدث في المياه المعتمة بأن نلاحظ أن المياه المعتمة لها تأثير سلبي على العوالق، لا سيما قناديل البحر. فقد تنتقل التغيرات في مجموعات الكائنات الحية الصغيرة من العوالق إلى أعلى السلسلة الغذائية وربما يكون لها تأثيرات سلبية على المفترسات العليا، مما يؤدي إلى تغيير النظام البيئي في القطب الشمالي بأكمله.

ومن جانبنا، نواصل تصميم تجارب افتراضية تتضمن المكونات الأساسية للمياه البحرية في القطب الشمالي. وباستخدام هذه النماذج الحاسوبية، نأمل أن نفهم آثار تعتيم مياه البحر الناجمة عن ذوبان الجليد بصورة أفضل. لكننا نحتاج إلى مزيد من البحث لأننا ما زلنا لا نعرف -في هذه المرحلة- مدى قوة تأثير تعتيم مياه البحر على العوالق -وربما على شبكة الغذاء في القطب الشمالي بأكملها- في المستقبل.

التمويل

حصلت هذه الدراسة على تمويل مشروع المركز الوطني البولندي للعلوم (NCN, CoastDark2018/29/B/NZ8/02463)، ومنحة وزارة العلوم والتعليم البولندية (AREX Project 3547/Norway/2016/2)، ومنحة DAAD البحثية قصيرة الأجل (57507441) 2020، ومشروع تغيير المحيط المتجمد الشمالي MiMeMo (NE/R012679/1) بتمويل مشترك من مجلس أبحاث البيئة الطبيعية التابع لهيئة البحث والابتكار في المملكة المتحدة، ووزارة التعليم والبحث الفيدرالية الألمانية (BMBF/03F0801A). وقد حصلت هذه الدراسة الاستقصائية أيضًا على دعم النشاط القانوني لمعهد علوم المحيطات التابع لأكاديمية العلوم البولندية.

مسرد للمصطلحات

العوالق النباتية (Phytoplankton): ↑ هي كائنات حية بحرية تعيش في المياه السطحية وتستخدم عملية التمثيل الضوئي للنمو. وهي غذاء للعوالق الحيوانية.

عملية التمثيل الضوئي (Photosynthesis): ↑ هي عملية إنتاج الطاقة (في شكل سكر) من ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون. وتستخدم النباتات والطحالب وبعض البكتيريا عملية التمثيل الضوئي.

العوالق الحيوانية (Zooplankton): ↑ هي كائنات حية صغيرة تنجرف مع التيارات المائية. وهي غذاء للسمك والطيور البحرية والحيتان.

النظام البيئي البحري (Marine ecosystem): ↑ هو مجتمعات البكتيريا والنباتات والحيوانات التي تعيش وتتفاعل مع بعضها البعض في بيئة مائية مثل البحر أو المحيط.

تعتيم مياه البحر (Seawater darkening): ↑ هو تدهور ظروف الإضاءة تحت الماء بسبب وجود العديد من الجسيمات التي تمنع الضوء من اختراق الماء.

التعكر (Turbidity): ↑ هو قياس الصفاء النسبي للماء.

الثلج البحري (Marine snow): ↑ هو التجمعات العيانية للمخلفات والكائنات الحية والجسيمات غير العضوية المتساقطة من الطبقات العليا لعمود الماء إلى قاع البحر.

النموذج الحاسوبي (Computer model): ↑ هو مجموعة من المعادلات الرياضية التي تصف سلوك الأنظمة البيئية والتي تُستخدم لمحاكاة ما قد يحدث أو ما قد حدث بالفعل.

إقرار تضارب المصالح

يعلن المؤلفون أن البحث قد أُجري في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها على أنها تضارب محتمل في المصالح.