Klima: prosesser og drivkrefter

Det er noen få grunnleggende prosesser som først og fremst styrer den globale klimautviklingen: innstrålingen av solenergi, jordoverflatens karakteristikk, atmosfærens evne til å holde på varme samt atmosfærens og jordoverflatens refleksjonsevne. Ulike mekanismer bidrar til både å forsterke og svekke disse prosessenes klimapåvirkning.

Globale prosesser

Albedoeffekten på hav

Albedoeffekten på hav. Lys overflate (is og snø) sender nesten 80 % av energien tilbake til atmosfæren, mens det mørke havet absorberer varmen og reflekterer bare ca. 10 %. Illustrasjon: Audun Igesund / Norsk Polarinstitutt

Strålingsenergien som kommer fra sola danner grunnlaget for jordas vær- og klimaforhold. Strålingen som tas opp gjør jorda varmere. For å hindre at jordas temperatur øker, må den miste like mye energi til verdensrommet som den tar opp fra sola. Jorda mister energi til verdensrommet ved å stråle ut infrarødt lys fra overflaten og atmosfæren. Dette resulterer i at jordas temperatur i gjennomsnitt over hele kloden og hele året, stråler ut like mye infrarødt lys som den tar opp fra solinnstrålingen.

For månen eller Merkur, som har ikke har atmosfærer, er det lett å regne ut overflatetemperaturen bare ved å vite hvor langt de er fra sola, hvor stor de er og hvor mye sollys de reflekterer. Tilsvarende utregning av forventet temperatur tilsier at jorda ville ha en gjennomsnittstemperatur på rundt -17 °C. Imidlertid tar gassene i jordas atmosfære opp mye av det infrarøde lyset som jordas overflate stråler ut, noe som fører til at atmosfæren varmes opp. Den varme atmosfæren stråler så ut infrarødt lys, både opp til verdensrommet og ned til overflaten. Lyset som utstråles nedover varmer opp overflaten. Denne prosessen er drivhuseffekten, og den er årsaken til at jorda har en gjennomsnittstemperatur nærmere +14 °C enn -17 °C. Vanndamp er den viktigste drivhusgassen, etterfulgt av karbondioksid (CO­2) og metan (CH4).

Klimaendringer skjer som et resultat  av både naturlige prosesser og menneskelig påvirkning. Den viktigste prosessen bak pågående klimaendringer er en økning i konsentrasjonen av CO­2 og andre drivhusgasser i atmosfæren, som gjør drivhuseffekten sterkere. FNs klimapanels siste gjennomgang av tilgjengelig kunnskap og dokumentasjon viser at karbondioksidets andel i atmosfæren har økt med om lag 40 % fra begynnelsen av den industrielle revolusjon til i dag. Det er klare indikasjoner på at menneskelig aktivitet er årsaken til denne økningen. Den atmosfæriske konsentrasjon av CO2 i dag er langt høyere enn den naturlige variasjonen i CO2 over de siste 800 000 årene som vi kjenner til fra iskjerner, og det er stor grad av sikkerhet at økningen i CO2nivå i atmosfæren som har skjedd over de siste hundre årene har vært fortere enn noen andre endringer på de siste 22 000 årene.[1] Les mer om drivhuseffekten og utviklingen i drivhusgasskonsentrasjoner på miljøstatus.no.

Aerosoler (små partikler, som f.eks. sot eller sulfater) i atmosfæren kan ha en avkjølende effekt på grunn av deres evne til å spre og absorbere innkommende solstråling. Aerosolene kan også gi en indirekte virkning ved at de fungerer som kondensasjonskjerner og bidrar til skydannelse. Økt skydekke øker jordas evne til å reflektere sollys, og virker avkjølende. Sot er en aerosol som også har en oppvarmende effekt. Les om sot som klimadriver på miljøstatus.no. Menneskelig aktivitet slipper ut mange aerosoler. FNs klimapanel anslår at samlet effekt av menneskelige aerosoler er avkjølende, dvs. at de har redusert oppvarmingen som vi ellers skulle ha fått fra økningen i konsentrasjon av drivhusgasser.[1]

Mange andre naturlige prosesser påvirker også klimaet. Disse har ført til store klimaendringer i fortida. Over de siste millioner årene har jorda vært gjennom flere istider, hvor innlandsismasser som de som i dag dekker Grønland og Antarktis, dekket store deler av Nord Amerika og Europa. Disse endringene var først og fremst forårsaket av sakte endringer i jordas sirkulasjon rundt sola.

Utstrålingen fra sola varierer over en syklus på 11 år, men endrer seg også over lengre tidsskalaer. FNs klimapanels gjennomgang av tilgjengelig kunnskap og dokumentasjon viser at endringer i solinnstrålingen trolig har bidratt kun i veldig begrenset grad til de samlede klimaendringene etter starten av den industrielle æra.[1] Enkelte studier viser at endringer i solinnstrålingen trolig kan ha bidratt til økte globale temperaturer i første halvdel av det 20. århundre, men trolig har spilt en minimal rolle i siste halvdel av århundret.[3]

Det globale klimasystemet styres videre av energibalansen i havet og atmosfæren. Global havsirkulasjon og atmosfærisk sirkulasjon drives av krefter som søker temperaturbalanse mellom høye og lave breddegrader. Varmeutveksling mellom havet og atmosfæren er en viktig faktor for klimaets regionale mønstre. Forhold som påvirker denne balansen, som for eksempel endrede luft- og havtemperaturer, eller endringer i skyer og havis vil dermed påvirke klimautviklingen. På lengre sikt, kan forandringer i kontinentenes form og plassering betyr mye for sirkulasjon og varmebalanse og følgelig for det globale klimaet, men i og med at kontinentenes plassering de siste 500 000 år har vært omtrent som i dag er ikke dette en vesentlig årsak til pågående klimaendringer.

På geologiske tidsskalaer endres konsentrasjoner av drivhusgasser, spesielt CO2, av naturlige prosesser. Vulkaner slipper ut CO2 til atmosfæren. Dette utslippet er balansert av CO2 som blir fanget opp i havbunnen gjennom andre prosesser, og det kan vises på forskjellige måter at økningen i atmosfærens konsentrasjon av CO2 siden industrialisering har skjedd pga. menneskelige aktiviteter.

Polare prosesser

Havis er en viktig faktor i det globale klimasystemet

Havis er en viktig faktor i det globale klimasystemet. Foto: Odd Harald Selboskar / Norsk Polarinstitutt

Unike polare prosesser, i nord og i sør, og på land (snø, isbreer og permafrost) og til vanns (havis og havsirkulasjon/dypvannsdannelse) spiller en avgjørende rolle i det globale klimasystemet gjennom et komplekst samspill og tilbakekoblingsmekanismer.

Havis er en viktig faktor med hensyn til opprettholdelse av strålingsbalansen i det globale klimasystemet gjennom albedoeffekten. Snødekt havis reflekterer om lag 80 % av solinnstrålingen, i motsetning til åpent hav som absorberer mer enn 90 % av solinnstrålingen og bare sender 10 % tilbake til atmosfæren. Endringer i forholdet mellom havis og åpent hav har på denne måten stor betydning for klimautviklingen i området. Det observeres nå stadig rekordlave forekomster av havis i nord, mens havisutbredelsen i sør holder seg relativt stabil eller er svakt økende. Studier tyder på at endringene i havisdekket i nord over de siste tiårene har bidratt til oppvarming i Arktis store deler av året, og antyder at mesteparten av senere tids temperaturøkning i Arktis er forårsaket av det reduserte isdekket, noe som på sin side igjen påvirker omfang av havisdannelse.[6][7] En studie fra 2010 konkluderte med at endringene i havisens utbredelse de siste årene har hatt mindre betydning for temperaturutviklingen utenfor regionen, dvs. sør for 60 °N.[8]

Endringer i isdynamikk og -struktur kombinert med varmeopptak i isfrie havområder bidrar til å forsterke oppvarmingen i Arktis og havistapet. Når slik oppmagasinert varme føres tilbake til  atmosfæren om høsten og vinteren blir ikke varmen værende i den nedre delen av atmosfæren, men stiger høyere opp hvor den påvirker vindsystemene i Arktis med hovedvekt på luftutveksling i en i nord-sør retning.[9] Dette var trolig medårsak da man opplevde rekordlave temperaturer og rekordhøye snøfall i sørligere deler av Europa og uvanlige høye temperaturer i Arktis vinteren 2009/10.

I polare strøk dannes kaldt, tungt vann som strømmer mot ekvator i dyphavene og fører til at det dannes kompenserende strømmer mot polene i overflaten. Dette er selve motoren i havsystemet, som igjen styrer utviklingen av det globale klimaet. Nytt dypvann dannes bare i noen få havområder. Global oppvarming kan påvirke dypvannsdannelse gjennom overflateoppvarming og økt ferskvannstilførsel, som begge reduserer tettheten i overflatevannet. En betydelig del av ferskvannet i Polhavet forlater Arktis gjennom Østgrønlandsstrømmen i Framstredet og ender opp i Grønlandshavet og Labradorhavet hvor det kan påvirke den viktige dypvannsdannelsen. Norsk Polarinstitutt har overvåket denne ferskvannsstrømmen i Framstredet siden 1997, gjennom permanent utplasserte instrumenter og årlige tokt på tvers av strømmen. Instituttet rapporterer resultatet fra denne overvåkingen gjennom MOSJ.

Snødekket er i likhet med havisdekket en viktig faktor mht. opprettholdelse av strålingsbalansen i det globale klimasystemet gjennom albedoeffekten. Gjennomsnittlig dekkes omlag 46 millioner kvadratkilometer av jordas overflate av snø hvert år. Men størrelsen på det snødekte området minker, og perioden med snødekke blir også kortere. FNs klimapanels gjennomgang av tilgjengelig kunnskap og dokumentasjon[1] viser at over de siste tiårene har området som er dekket av snø minket med om lag 1,6 % per tiår, og snøsmeltinga om våren skjer stadig tidligere. Studier tyder på at endring i overflatetemperatur forårsaket av endringer i snødekket er mindre enn tilsvarende endringer grunnet forandringer i havisdekket, men er mer omfattende og fremtredende om høsten og våren.[10]

Permafrost utgjør store deler av grunnen i Arktis, også noen steder under havbunnen. Permafrosten har betydning for den globale klimautviklingen ved at store mengder drivhusgasser (først og fremst metan) som så å si er «låst» i grunnen frigjøres når permafrosten forsvinner. Permafrosten tiner flere steder i Arktis, og temperaturen i permafrosten er nå 2 ˚C høyere enn for 20–30 år siden.[11] En overvåkingsserie, rapportert på gjennom MOSJMOSJ, viser at tining også finner sted på Svalbard. Det har imidlertid så langt vært vanskelig å beregne hvor store utslippene av drivhusgasser fra tinende permafrost vil kunne bli fordi det er en rekke sammenkoblede konsekvenser av slik tining som fremdeles er uavklart. FNs klimapanels gjennomgang av tilgjengelig kunnskap og dokumentasjon viser at det beste estimerte anslaget for 2100 ligger på mellom 50–250 gigatonn karbon (GtC) avhengig av global temperaturutvikling.[1]

Isbreene og iskappene i de polare områdene påvirker klimasystemet på flere måter. Også disse påvirker strålingsbalansen gjennom albedoeffekten (som for havis og snø), men har i tillegg betydning for ferskvannstilførselen til verdenshavene, og gjennom dette havsirkulasjonen. Nesten alle isbreer og iskapper i Arktis har minket de siste hundre år, med Alaska og det nordlige Canada som de områdene som opplevde størst massetap fra isbreer det siste tiåret.[1] I takt med dette har man observert en reduksjon i havets saltinnhold og tetthet. Det har blitt anslått at tilførselen av ferskvann (fra alle kilder) har økt med 7700 km3 over de siste årene. Det er en risiko for at en slik trend, dersom den fortsetter, vil endre de store havstrømmene som igjen har betydning for den globale klimautviklingen.[11] 

Referanser

  1. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 2013. Fifth assessment report contribution.
  2. Working Group I contribution to the IPCC 5th Assessment Report "Climate Change 2013: The Physical Science Basis"
  3. L. J. Gray et al. 2010. Solar influences on climate. Reviews of Geophysics (48): 4. DOI:10.1029/2009RG000282
  4. Stephen R. Hudson et al. 2013. Energy budget of first-year Arctic sea ice in advanced stages of melt. Geophysical Research Letters 40 (11).2679–2683 DOI:10.1002/grl.50517
  5. Stephen R. Hudson.2011. Estimating the global radiative impact of the sea ice–albedo feedback in the Arctic.Journal of Geophysical Research: Atmospheres (116) D16, 27. DOI:10.1029/2011JD015804
  6. James Screen & Ian Simmons 2010. The central role of diminishing sea ice in recent Arctic temperature amplification. Nature 464, 1334–1337. DOI:10.1038/nature09051
  7. Julienne C. Stroeve et al. 2012. Trends in Arctic sea ice extent from CMIP5, CMIP3 and observations. Geophysical Research Letters. (39) 16 : 6983–6992. DOI:10.1029/2012GL052676
  8. Arun Kumar et al. 2010. Contribution of sea ice loss to Arctic amplification. Geophysical Research Letters (Volume 37, Issue 21). DOI:10.1029/2010GL045022
  9. James E. Overland et al. 2011. Warm Arctic—cold continents: climate impacts of the newly open Arctic Sea. Polar Research (30): 15787. DOI:10.3402/polar.v30i0.15787
  10. Michael A. Alexander et al. 2010. The Atmospheric Response to Projected Terrestrial Snow Changes in the Late Twenty-First Century. J. Climate, 23, 6430–6437.. DOI:10.1175/2010JCLI3899.1
  11. Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), 2012. Arctic Climate Issues 2011: Changes in Arctic Snow, Water, Ice and Permafrost. Snow, Water, Ice and Permafrost in the Arctic (SWIPA) 2011 Overview Report.