كيف تساهم التقنيات النووية في قياس تغير المناخ والتكيف معه؟

شرح الموضوعات النووية

تستطيع التقنيات النووية والنظيرية أن تساعدنا في فهم العالم الذي نعيش فيه بشكل أفضل. ومن الممكن أن تؤدي البيانات التي نجمعها باستخدام هذه التقنيات إلى تحسين عملية صنع سياسات مسنودة علمياً، بما في ذلك ما يتصل بتغير المناخ. وبوسعنا أن ندرس كلاً من الأنظمة البرية والمائية بالاستعانة بأساليب نووية مختلفة لتقييم التأثيرات المترتبة عن تغير المناخ على البيئة.

(الصورة من: أ. فارغاس/الوكالة الدولية للطاقة الذرية)

تستطيع التقنيات النووية والنظيرية أن تساعدنا في فهم العالم الذي نعيش فيه بشكل أفضل. ومن الممكن أن تؤدي البيانات التي نجمعها باستخدام هذه التقنيات إلى تحسين عملية صنع سياسات مسنودة علمياً، بما في ذلك ما يتصل بتغير المناخ. وبوسعنا أن ندرس كلاً من الأنظمة البرية والمائية بالاستعانة بأساليب نووية مختلفة لتقييم التأثيرات المترتبة عن تغير المناخ على البيئة.

وتتسم هذه التقنيات والأدوات بفعاليتها في رصد انبعاثات غازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون (CO2)، والأكسيد النتري (N2O)، والميثان (CH4)، وفهم التغيرات البيئية في المحيطات والجبال ونظمها الإيكولوجية، وتطوير طرق للتكيف مع نقص الأغذية والمياه الذى ما فتئ يتفاقم بفعل تغير أنماط الطقس.

"تدرك البلدان في مختلف أنحاء العالم على نحو متزايد قيمة استخدام التقنيات النووية في مكافحة التحديات المختلفة التي تواجه تغير المناخ. وهي تكتشف على نحو مباشر مدى فائدة التكنولوجيات التي تروج لها الوكالة الدولية للطاقة الذرية"، على حد قول نجاة مختار، نائبة المدير العام للوكالة ورئيسة إدارة العلوم والتطبيقات النووية.

وتجمّع البيانات المتعلقة بتحديد ورصد وإدارة مصادر انبعاثات غازات الدفيئة باستخدام التقنيات النظيرية لفهم كيفية ارتباطها بالتغييرات التي تحدث في البر وفي المحيطات وفي شتى أنحاء الغلاف الجوي. وسنشرح كيف يحدث ذلك.

ما هي النظائر؟

تحتوي ذرات كل عنصر كيميائي على عدد مميز من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.

والذرات التي لها نفس عدد البروتونات ولكن يختلف عدد النيوترونات فيها هي نظائر تشترك في نفس الخصائص الكيميائية تقريباً ولكنها تختلف في الكتلة والخصائص الفيزيائية. وهناك نظائر مستقرة ــ لا ينبعث منها الإشعاع ــ ونظائر مشعة غير مستقرة.

وتستخدم تقنيات نووية مختلفة لقياس كميات النظائر ونسبها، ولتتبع منشأها وتاريخها ومصادرها وتفاعلاتها في البيئة. ومن خلال هذه القياسات، يستطيع الخبراء أن يكتسبوا فهماً أفضل لعمل الأنظمة البيئية المختلفة.

تعرف على المزيد حول النظائر واستخداماتها هنا.

الحد من الانبعاثات في الزراعة

تأتي ربع انبعاثات الغازات المسببة لانبعاثات غازات الدفيئة من الزراعة، بما في ذلك من خلال إطلاق غاز الميثان البشري المنشأ CH4 والأكسيد النتري N2O ــ وهو غاز أقوى 300 مرة من ثاني أكسيد الكربون من حيث التسبب في الاحترار العالمي ــ من الماشية والأسمدة الكيميائية. ولا تساهم الأسمدة الزائدة التي تتحول إلى ثاني أكسيد الكربون في الاحترار العالمي فحسب، بل تؤدي أيضًا إلى تلويث التربة والمياه العذبة. وللتقنيات النووية فائدتها في تقييم انبعاثات غازات الدفيئة كمًّا ونوعاً.

ويمكن للنظائر أن تساعد في تحديد كمية الأسمدة التي تأخذها النباتات، وبالتالي تقليل كمية الأسمدة المستخدمة وحجم الأكسيد النتري المنطلق.

ولمزيد من التفاصيل، انظر هذه المقالة حول الحد من انبعاثات غازات الدفيئة بمساعدة التقنيات النووية.

تعزيز إنتاج المحاصيل

لقد أدى تغير المناخ إلى ظروف بالغة الجفاف في العديد من البلدان، الأمر الذي جعل من الأهمية بمكان أن نفهم كيف يؤثر الجفاف على نمو المحاصيل في ظل هذه الظروف الجديدة وأن نساعد في إيجاد السبل الكفيلة بالمحافظة على المياه. انظر لماذا المياه مهمة.

وتستخدم النظائر في تقييم حالة الماء في التربة وحركته لفهم كيف يمكن إنتاج محاصيل قوية في ظل الظروف المتغيرة. وهي تساعد المجتمعات المحلية على التكيف مع ظروف الجفاف وكيف يمكنها أن تستخدم بنجاح أساليب أرخص وأكثر فعالية مثل الري بالتنقيط.

ومن خلال تسريع العملية الطبيعية للتغير الوراثي، تستخدم أشعة غاما والأشعة السينية في الاستيلاد الطفري لتطوير أنواع جديدة من المحاصيل التي تقاوم أو تتحمل الجفاف والملوحة والمرض والآفات. وتخضع البذور وغيرها من المواد النباتية للمعالجة لإحداث تغيرات جينية مماثلة للطفرات العفوية، ما يؤدي إلى أنواع محسنة من المحاصيل عالية الإنتاجية وإلى تكيف المحاصيل بشكل أفضل مع التغيرات المناخية.

اقرأ المزيد عن استخدام التقنيات النووية في الزراعة الذكية مناخيا.

دراسة المحيطات

تمص المحيطات ربع ثاني أكسيد الكربون المنطلق في الغلاف الجوي، ما يسمح بتخزين كمية من أكسيد الكربون في المحيطات أكثر بخمسين مرة من مخزونه في الغلاف الجوي. وتؤدي زيادة كميات ثاني أكسيد الكربون إلى تحمض المحيطات، مما قد يؤثر على الكائنات البحرية غير المتعودة على الظروف الحمضية، فيؤثر ذلك على النظم الإيكولوجية بأكملها، وعلى السلسلة الغذائية، وفي نهاية المطاف على معيشة المجتمعات المحلية التي تعتمد على المحيطات. وعندما تصبح المياه حمضية للغاية، تصبح الظروف مدمرة للكائنات الحية.

تستخدم التقنيات النووية والنظيرية لدراسة المحيطات وتحمّض المحيطات. وهي تساعد في تقييم قدرة المحيطات على تخزين الكربون، ومدى تأثير التحمض على الكائنات البحرية، والتغيرات السابقة في حموضة المحيطات والتأثيرات على سيناريوهات المناخ في المستقبل. وتستخدم النظائر المشعة المستقرة والموجودة في البيئة الطبيعية في فهم دورة الكربون، بما في ذلك مصادر المواد العضوية ومآلاتها.

وبعد التسلح بهذا الفهم، يصبح العلماء وصانعو السياسات في وضع أفضل يسمح لهم بالتفاعل مع التغيرات وحماية الحياة في المحيطات.

يمكن العثور على المزيد من المعلومات حول التقنيات المختلفة المستخدمة لفهم المحيطات هنا.

فهم احتياطيات المياه

ويؤثر تغير المناخ على مصادر الأمطار وتوزيعها في جميع أنحاء العالم، مما يؤدي إلى تغيرات في تدفق الأنهار وفي تجديد مصادر المياه الجوفية. وتُستخدم الهيدرولوجيا النظيرية في فهم كيفية تجديد طبقات المياه الجوفية وكيف تغدو هشة أمام تغير المناخ. وتساعد هذه البيانات على حماية أنظمة المياه الجوفية وحفظها.

وتفحص الهيدرولوجيا النظيرية التركيب النظيري للهيدروجين والأكسجين في الماء. وبما أن التركيب النظيري للماء فريد من نوعه فيما يتعلق بوقت ومكان هطول الأمطار الذي يأتي منه الماء، فإن هذه التقنية يمكن أن تقتفي من أين يأتي الماء، بحيث تتسنى حماية مصدره.

تستخدم نظائر أخرى لتحديد عمر المياه الموجودة في مختلف طبقات المياه الجوفية. ومن خلال تقييم عمر المياه، يستطيع العلماء أن يفهموا كيفية إدارة إمدادات المياه على أفضل وجه لضمان استدامتها على المدى البعيد.

اكتشف المزيد عن استخدام الهيدرولوجيا النظيرية.

ما هو دور الوكالة؟

  • تستخدم الوكالة العلوم والتكنولوجيا النووية لمساعدة البلدان على رصد تغير المناخ والتخفيف منه والتكيف معه. وهي تقدم الإرشادات بشأن كيفية الحفاظ على البيئة وإعادتها إلى ما كانت عليه، فضلاً عن نشر البحوث والمعلومات للمساعدة في وضع السياسات.
  • ويعمل المركز المشترك بين الفاو والوكالة لاستخدام التقنيات النووية في الأغذية والزراعة على تطوير التقنيات النووية والنظيرية والإمعان في تحسينها من أجل تكثيف الإنتاج الزراعي والحفاظ على الموارد الطبيعية، في حين تقوم الوكالة ببناء قدرات الخبراء في مختلف أنحاء العالم على استخدام هذه التقنيات.
  • وتقوم الوكالة بتعهّد مركز التنسيق الدولي المعني بتحمّض المحيطات، وتعمل على النهوض ببناء القدرات والاتصالات العالمية في مجال علوم تحمض المحيطات.
  • وتستخدم مختبرات البيئة التابعة للوكالة التقنيات النووية والنظيرية لفهم دورة الكربون العالمية على نحو أفضل، ودراسة قدرة المحيطات على تخزين الكربون وتأثير ذلك على سيناريوهات المناخ في المستقبل.
  • وبالشراكة مع المنظمة العالمية للأرصاد الجوية، تدير الوكالة الشبكة العالمية لاستخدام النظائر في دراسة الأمطار، التي تتضمن المشورة العلمية، والخدمات اللوجستية، والدعم التقني في مجال الهيدرولوجيا النظيرية.

لمعرفة المزيد عن التصدي لتغير المناخ بالاستعانة بالعلوم النووية، اقرأ هذا العدد من مجلة الوكالة الدولية للطاقة الذرية.

نُشرت هذه المقالة لأول مرة على موقع الوكالة في 7 تشرين الأول/أكتوبر 2021.

What are isotopes?

The atoms of each chemical element have a characteristic number of protons, neutrons and electrons.

Atoms with the same number of protons but different number of neutrons are isotopes, which share almost the same chemical properties but differ in mass and physical properties. There are stable isotopes – they do not emit radiation – and there are unstable, radioactive isotopes.

Different nuclear techniques are used to measure the isotopes’ amounts and proportions and to trace their origin, history, sources and interactions in the environment. Through these measurements, experts can gain a better understanding of the functioning of various ecosystems.

Learn more about isotopes and their uses here.

Reducing emissions in agriculture

A quarter of greenhouse gas emissions originate in agriculture, including through the release of CH4 and N2O – a gas 300 times more potent than CO2 in terms of leading to global warming – from livestock and chemical fertilisers. Excess fertiliser turning into N2O not only contributes to global warming but also pollutes soil and fresh water. Nuclear techniques are helpful to assess emissions of greenhouse gases in quantity and quality.

Isotopes can help identify the amount of fertiliser that plants take up and, therefore, reduce the amount of fertiliser applied and the volume of N2O released.

See this article on reducing greenhouse gas emissions with nuclear techniques for more details.

Strengthening crop production

Climate change has led to extremely dry conditions in many countries, making it important to understand how drought is affecting the growth of crops under these new conditions and to help find ways to save water. See why water matters.

Isotopes are used in assessing the status and movement of water in soil to understand how strong crops can be produced under changing conditions. They help communities adapt to dry conditions and successfully use cheaper and more effective methods such as drip irrigation.

By speeding up the natural process of genetic change, gamma and X-ray irradiation are used in plant mutation breeding to develop new crop varieties resistant or tolerant to drought, salinity, disease and pests. Seeds and other plant material are treated to induce genetic changes similar to spontaneous mutations, resulting in improved varieties of high yield and crops better adapted to climate changes.

Read more about the use of nuclear techniques for climate-smart agriculture.

Studying oceans

The ocean absorbs one quarter of CO2 released in the atmosphere, allowing 50 times more CO2 to be stored in the ocean than in the atmosphere. Increased amounts of CO2 lead to ocean acidification, which can affect marine organisms that are not used to acidic conditions, impacting entire ecosystems, the food chain and eventually livelihoods of communities dependent on the ocean. When the water becomes too acidic, conditions become destructive to organisms.

Nuclear and isotopic techniques are used to study the ocean and ocean acidification. They help evaluate the ocean’s capacity to store carbon, acidification’s impact on marine organisms, past changes in ocean acidity and impacts on future climate scenarios. Stable and naturally occurring radioisotopes are used to understand the cycling of carbon, including the sources and fates of organic matter.

Armed with this understanding, scientists and policy makers are in a better position to react to the changes and protect life in the ocean.   

Further information on the different techniques used to understand oceans can be found here.

Understanding water reserves

Climate change affects the sources and distribution of rain worldwide, leading to changes in river flow and in the replenishment of groundwater. Isotope hydrology is used to understand how groundwater aquifers are replenished and how vulnerable they may be to climate change. This data helps protect and conserve groundwater systems.

Isotope hydrology examines the isotopic composition of hydrogen and oxygen in water. Because the isotopic makeup of water is unique with respect to the time and location of the rain from where the water originates, this technique can track where the water comes from, so its source can be protected.

Other isotopes are used to date the age of water hosted in different aquifer systems. By evaluating the age of water, scientists can understand how to best manage water supplies to ensure their long-term sustainability.

Find out more on the use of isotope hydrology.

What is the role of the IAEA?

  • The IAEA uses nuclear science and technology to help countries monitor, mitigate and adapt to climate change. It gives guidance on how to preserve and restore the environment, as well as disseminate research and information to aid policy making.
  • The Joint FAO/IAEA Centre of Nuclear Techniques in Food and Agriculture works to develop and further improve nuclear and isotopic techniques to intensify agricultural production and preserve natural resources, while the IAEA builds the capacity of experts around the world in the use of these techniques.
  • The IAEA maintains the Ocean Acidification International Coordination Centre, advancing capacity building and global communication in ocean acidification science.
  • IAEA’s Environment Laboratories use nuclear and isotopic techniques to better understand the global carbon cycle, study the ocean’s carbon storage capacity and its impacts on future climate scenarios.
  • Partnering with the World Meteorological Organization, the IAEA operates the Global Network of Isotopes in Precipitation, which contains scientific advice, logistics and technical support in isotope hydrology.

To find out more about nuclear technology and its relation to climate change, read this edition of the IAEA Bulletin.