klimaendringer (årsaker)

Strålingen fra Solen varierer over tid. Viktigst er en syklus på elleve år, men den endrer seg også over lengre tidsskalaer. Da solsystemet ble dannet for 4,6 milliarder år siden, var utstrålingen fra Solen antakelig 25–30 prosent svakere enn i dag.

Spørsmålet om hvorvidt endringer i solaktiviteten − og Solens innstråling − har skapt variasjoner i Jordens klima, har dype historiske røtter. Solflekkene ble oppdaget i Vesten på begynnelsen av 1600-tallet, og det finnes rikelig med anekdoter og publikasjoner som spekulerer over sammenheng mellom solflekker og temperatur allerede ved slutten av det samme århundret.

FNs klimapanel, IPCC, angir endringer i solaktiviteten som én av årsakene til den globale oppvarmingen etter den industrielle revolusjon. Solens bidrag anslås å stå for cirka ti prosent i perioden 1750–2011, men siden 1970-tallet har solens rolle vært å sette en svak brems på oppvarmingen.

Siden 1950-tallet har det ikke vært noen vesentlig endring i Solens tilstand, enten man ser på solflekker, kosmisk stråling eller solens utstråling. De fleste klimaforskerne mener derfor at den globale oppvarmingen siden 1980-tallet ikke kan tilskrives solaktiviteten. Det har likevel vært mye diskusjon om Solens rolle som pådriver for den globale oppvarmingen, spesielt med hensyn til forholdet mellom solaktivitet og dets evne til å styrke eller svekke mengden av den galaktisk-kosmiske strålingen som når Jorden. Hypotesen er at den kosmiske strålingen påvirker skydannelsen, og spesielt mengden av lave skyer.

En liten gruppe forskere mener fremdeles at solaktiviteten spiller en viss rolle siden 1950-tallet, men bevisene er svært svake for dette synet. Et problem er at man ikke har noen målinger som viser noen tydelig langsiktig endring i skystatistikken, og det er heller ingen langsiktig endring i mengden kosmisk stråling som er målt på Jorden. Selv om solaktiviteten skulle ha vært en viktig bidragsyter, ekskluderer ikke det betydningen av andre årsaker.

De store kontinentalplatene beveger seg svært langsomt, og forandringer i form og plassering betyr endringer i varmebalansen, som igjen gir endringer i sirkulasjonen i lufta og havet, og dermed også i klimaet. Det som i dag er Svalbard lå for eksempel nær ekvator for cirka 400 millioner år siden, og hadde den gang et tropisk klima. Dette forklarer forekomsten av kull på øygruppa. De siste 500 000 år har kontinentenes plassering vært omtrent som i dag.

Geologiske endringer kan også få store konsekvenser for klimaet lokalt, som for eksempel dannelse av fjellkjeder eller endringer i havets utforming, som åpning og stengning av streder.

Vulkanutbrudd bidrar til klimaendringer ved å sende store mengder CO ₂, svovel og aske ut i atmosfæren. Mengden CO₂ er likevel bare omtrent én hundredel av det menneskeskapte bidraget ved forbrenning av fossile brensler. Store vulkanutbrudd vil senke Jordens middeltemperatur for en kort periode fordi støvpartiklene reduserer solinnstrålingen. Utbruddet fra Pinatubo på Filippinene i 1991 senket middeltemperaturen med omkring 0,5 grader over en periode på halvannet år.

Jordaksens helning og Jordens bane rundt Solen varierer innenfor sykluser på fra cirka 20 000 til 100 000 år. Dette gir en variasjon i innstrålt energi, noe som i seg selv gir klimaendringer. Se Milanković-sykluser. I tillegg kan disse endringene forsterkes eller svekkes av tilbakekoblingsmekanismer.

Et av de viktigste eksemplene på naturlige variasjoner i klimaet i dag er forbundet med El Niño-fenomenet, som påvirker om lag halve Jordens overflate. Den vitenskapelige betegnelsen er El Niño–Southern Oscillation (ENSO), og omfatter både variasjonene i havtemperaturen og lufttrykket over den tropiske delen av Stillehavet. Disse variasjonene er også forbundet med passatvindene. Det var den norske meteorologen Jacob Bjerknes (1897–1975) som oppdaget at ENSO oppstod i et samspill mellom hav og atmosfære.

ENSO veksler mellom en varm fase (El Niño), og en kald fase (La Niña). Fasene opptrer uregelmessig med to til syv års mellomrom. Den globale middeltemperaturen er høyere i et El Niño-år enn i et La Niña-år.

Det finnes andre naturlige «interne» variasjoner i tillegg til ENSO. Disse kalles interne variasjoner fordi de oppstår spontant på grunn av forandringer i været, og blir styrt av en egen dynamikk som er bestemt av naturlovene. På midlere og høye breddegrader spiller jetstrømmen en stor rolle ved å flytte på skillet mellom kald arktisk luft og mildere temperert luft samt påvirke lavtrykksakktiviteten. Noen eksempler er vist i tabellen nedenfor.

Gjennom drivhuseffekten vil forandringer i atmosfærens innhold av bestemte gasser, såkalte «drivhusgasser» føre til klimaendringer: en høy konsentrasjon gir økt temperatur ved overflaten, mens lav konsentrasjon gir lav temperatur.

De viktigste drivhusgassene er

• vanndamp (H₂O)
• karbondioksid (CO₂)
• metan (CH₄)
• lystgass (dinitrogenoksid, N₂O)
• ozon (O₃)

Gjennom bruk av fossile brensler bidrar vi mennesker med å øke konsentrasjon av drivhusgassene, spesielt karbondioksid. Vi får dermed en forsterket drivhuseffekt, som klimaforskerne mener bidrar til en stigende gjennomsnittstemperatur på Jorden og som er beskrevet i den sjette klimarapporten til FNs klimapanel. Vanndampen inngår i vannets kretsløp, og har en typisk levetid i atmosfæren på om lag ti døgn. Når metning inntreffer, dannes skyer og eventuelt nedbør.

Karbondioksid (CO₂) har avgjørende betydning for livet på Jorden, gjennom fotosyntesen hos planter, alger, planteplankton og blågrønnbakterier, samt åndedrettsprosessen hos levende organismer. Konsentrasjonen av denne gassen i atmosfæren har opp gjennom Jordens historie variert naturlig på grunn av forandringer i biologisk opptak og frigjøring av CO₂, forvitring, avsetning av karbon i marine sedimenter og vulkansk aktivitet.

Etter den industrielle revolusjon har menneskene bidratt med økt konsentrasjon av både karbondioksid (CO₂), metan (CH₄) og lystgass (N₂O). Mye av CO₂ som er tilført atmosfæren tilskrives forbrenning av kull, olje og gass. Disse fossile brenslene inneholder store mengder karbon som tilføres Jordens overflate når de tas opp til overflaten og forbrennes. Karbonet flyttes fra et langsomt geologisk kretsløp, som omfatter dypere lag i jordskorpen, til et raskt karbonkretsløp ved overflaten, som omfatter atmosfære, hav, skog og jordsmonn. Karbon består av forskjellige isotoper – den dominerende ¹²C, den sjeldne ¹³C og den svært sjeldne ¹⁴C. Kull, olje og gass er stort sett dannet av plantematerialer, hvor andelen ¹²C er høy. Andelen ¹⁴C er lav for karbon som har ligget lenge i bakken. Målinger over mange år viser at forholdet mellom ¹³C/¹²C-isotopene i lufta går nedover, noe som viser at lufta tilføres karbon ved forbrenning av fossile brensler fra menneskelig aktivitet. Dette støttes også av uavhengige målinger av forholdet mellom nitrogen (N₂) i luften og O₂, hvor en reduksjon er i samsvar med at O₂ binder seg til karbonet (C) når fossilt brensel forbrennes. Moderne satellittmålinger viser også at CO₂-konsentrasjonene er høyest nær utslippskildene, det vil si storbyer.

Henrys lov sier at løseligheten av en gass i en væske er proporsjonal med partialtrykket til gassen. Økt mengde CO₂ i atmosfæren fører dermed til økt opptak i havet. Løseligheten avtar imidlertid med økende temperatur, så hvis havet blir varmere, vil det derfor gå CO₂ fra havet over til lufta. Disse to prosessene virker altså hver sin vei. Målinger viser at det er den første prosessen som dominerer nå, og at havets innhold av CO₂ øker, noe som bidrar til havforsuring.

Partikler som svever i atmosfæren, såkalte aerosoler, virker inn på klimaet. Ulike partikler kan påvirke klimaet på forskjellig vis. Støv, sot og sulfatpartikler kan både absorbere sollys direkte (sot), reflektere sollys og bremse jordoverflatens varmetap. Endringer i mengden partikler, hvor store de er og hvor høyt i atmosfæren de finnes, er av betydning for hvor mye solstråling som reflekteres tilbake til verdensrommet, og hvor mye som absorberes i atmosfæren. I tillegg kan partiklene påvirke dannelsen av skyer, ved å virke som kondensasjonskjerner.

Luftens innhold av aerosoler gir samlet sett en avkjøling av atmosfæren, fordi deler av solstrålingen stenges ute fra nedre del av atmosfæren. Aerosolmengden har økt på grunn av menneskelig aktivitet, noe som kan ha bremset den globale oppvarmingen (se global dimming).

Bruk av KFK-gasser (klorfluorkarboner) har brutt ned mengden ozon (O₃) i stratosfæren. Både KFK-gasser og ozon er drivhusgasser. KFK har den sterkeste effekten. Ozon absorberer ultrafiolett stråling fra Solen. Denne strålingen er farlig for levende organismer.

Endret arealbruk i verden er en del av menneskets påvirkning av klimasystemet. Omkring 30 prosent av CO₂-utslippene kommer fra avskoging og endret bruk av landarealer, og bidrar dermed til oppvarming. På den andre siden vil økt skogplanting kunne dempe oppvarmingen, fordi voksende trær binder CO₂. Når trærne er utvokst er de mer eller mindre i balanse med omgivelsene. Dette innebærer at det har en betydning hva som videre skjer med skogen. Hvis den brennes, går CO₂ tilbake til atmosfæren. Hvis den hogges ned og ny skog plantes, kan CO₂ bindes så lenge karbonet i hogsten ikke frigis til atmosfæren (for eksempel ved brenning av ved). Hvis den blir stående, vil den etter hvert «gå i null». Det er følgelig umulig å beregne effekten av skogplanting uten å ta hensyn til hva som vil skje med skogen senere.

I tillegg til trærnes betydning for karbonet, spiller jordsmonnet, myrområder og permafrost en viktig rolle for karbonets kretsløp ved Jordens overflate. Når permafrost tiner og organisk stoff forråtnes, dannes det metan (CH₄) som er en kraftigere drivhusgass enn CO₂. Et annet moment er at den avkjølende effekten av CO₂-bindingen i voksende skog på høyere breddegrader blir kansellert ved at refleksjonen av solstråler minker når skogen vokser. Derfor er det bare på lavere breddegrader at økt skogplanting kan ha en avkjølende effekt på energibudsjettet.