44.5 Loftslag og áhrif hnattrænna loftslagsbreytinga

Öll lífbelti verða fyrir áhrifum af hnattrænum aðstæðum, til dæmis loftslagi, sem móta að lokum umhverfi hvers lífbeltis. Vísindamenn sem rannsaka loftslag hafa greint röð skýrra breytinga sem hafa orðið sífellt augljósari á síðustu sextíu árum. Hnattrænar loftslagsbreytingar er hugtakið sem notað er um breytt hnattrænt veðurmynstur, einkum hækkun hitastigs um allan heim og loftslagsbreytingar sem af henni leiða, að miklu leyti vegna hækkandi magns koltvíoxíðs í andrúmsloftinu.

Loftslag og veður

Algengur misskilningur um hnattrænar loftslagsbreytingar er að tiltekinn veðuratburður á ákveðnu svæði, til dæmis mjög köld vika í júní í miðhluta Indiana, sé sönnun fyrir hnattrænum loftslagsbreytingum. Köld vika í júní er hins vegar veðurtengdur atburður en ekki loftslagstengdur. Þessi misskilningur stafar oft af ruglingi á hugtökunum loftslag og veður.

Loftslag vísar til langtíma, fyrirsjáanlegra aðstæðna í lofthjúpnum á tilteknu svæði. Loftslag lífbeltis einkennist af nokkuð stöðugu hitastigi og úrkomubili eftir árstíðum. Loftslag fjallar ekki um það regnmagn sem féll á einum tilteknum degi í lífbelti eða hitastig undir meðallagi sem mældist á einum degi. Veður vísar hins vegar til ástands lofthjúpsins á stuttu tímabili. Veðurspár eru venjulega gerðar fyrir 48 klukkustunda lotur. Langtímaveðurspár eru til, en þær geta verið óáreiðanlegar.

Til að skilja betur muninn á loftslagi og veðri skaltu ímynda þér að þú sért að skipuleggja útiviðburð í norðurhluta Wisconsin. Þú myndir hugsa um loftslag þegar þú skipuleggur viðburðinn að sumri frekar en vetri, því langtímareynsla segir þér að laugardagur frá maí til ágúst væri betri kostur fyrir útiviðburð í Wisconsin en laugardagur í janúar. Þú getur hins vegar ekki ákveðið nákvæmlega hvaða dag viðburðurinn ætti að fara fram, því erfitt er að spá nákvæmlega fyrir um veður á tilteknum degi. Líta má á loftslag sem meðalveður yfir mörg ár.

Hnattrænar loftslagsbreytingar

Hægt er að skilja loftslagsbreytingar með því að skoða þrjú rannsóknarsvið:

• vísbendingar um núverandi og fyrri hnattrænar loftslagsbreytingar
• drifkraftar hnattrænna loftslagsbreytinga
• skráðar afleiðingar loftslagsbreytinga

Gagnlegt er að halda þessum þremur þáttum loftslagsbreytinga skýrt aðskildum þegar fjölmiðlaumfjöllun um hnattrænar loftslagsbreytingar er skoðuð. Algengt er að í skýrslum og umræðum um hnattrænar loftslagsbreytingar sé ruglað saman gögnum sem sýna að loftslag jarðar sé að breytast og þeim þáttum sem knýja þessar loftslagsbreytingar áfram.

Vísbendingar um hnattrænar loftslagsbreytingar

Þar sem vísindamenn geta ekki farið aftur í tímann til að mæla loftslagsbreytur beint, til dæmis meðalhitastig og úrkomu, verða þeir í staðinn að meta hitastig með óbeinum hætti. Til þess styðjast þeir við sögulegar vísbendingar um loftslag jarðar í fortíðinni.

Ískjarnar frá Suðurskautslandinu eru lykildæmi um slíkar vísbendingar um loftslagsbreytingar. Þessir ískjarnar eru sýni úr heimskautaís sem tekin eru með borum sem ná þúsundir metra niður í ísbreiður eða háfjallajökla. Að skoða ískjarna er eins og að ferðast aftur í tímann; því dýpra sem sýnið er, því eldra er tímabilið. Í ísnum eru innilokaðar loftbólur og aðrar líffræðilegar vísbendingar sem geta gefið upplýsingar um hitastig og koltvíoxíð. Ískjörnum frá Suðurskautslandinu hefur verið safnað og þeir greindir til að áætla óbeint hitastig jarðar síðustu 400.000 árin (mynd 44.26a). Gögnin á mynd 44.27 eru dæmi um slíkar greiningar. 0 °C á línuritinu vísar til langtímameðaltals. Hitastig yfir 0 °C er hærra en langtímameðalhitastig jarðar. Hitastig undir 0 °C er aftur á móti lægra en meðalhitastig jarðar. Myndin sýnir reglubundnar sveiflur í hækkun og lækkun hitastigs.

Fyrir lok 19. aldar hefur jörðin verið allt að 9 °C kaldari og um 3 °C hlýrri. Taktu eftir að línuritið á mynd 44.27b sýnir að styrkur koltvíoxíðs í andrúmslofti hefur einnig hækkað og lækkað í reglubundnum sveiflum. Taktu einnig eftir sambandinu milli styrks koltvíoxíðs og hitastigs. Mynd 44.27b sýnir að magn koltvíoxíðs í andrúmsloftinu hefur sögulega sveiflast á milli 180 og 300 milljónarhluta (ppm) miðað við rúmmál.

Mynd 44.27a sýnir síðustu 2.000 árin ekki nógu nákvæmlega til að bera saman breytingar á hitastigi jarðar síðustu 400.000 árin við hitabreytingar í nýlegri fortíð. Tvö markverð hitafrávik hafa átt sér stað á síðustu 2.000 árum: miðaldahlýskeiðið og litla ísöldin. Þriðja hitafrávikið fellur saman við iðnaðaröldina. Miðaldahlýskeiðið átti sér stað milli 900 og 1300 e.Kr. Á þessu tímabili telja margir loftslagsfræðingar að örlítið hlýrra veðurfar hafi ríkt víða um heim; hitastig var víða 0,10 °C til 0,20 °C yfir viðmiði. Þótt 0,10 °C virðist ekki nægja til að valda merkjanlegum breytingum losaði það hafsvæði undan ís. Vegna þessarar hlýnunar gátu víkingar numið land á Grænlandi.

Litla ísöldin var kuldaskeið sem átti sér stað milli 1550 og 1850 e.Kr. Á þessum tíma mældist lítilsháttar kólnun, tæplega 1 °C, í Norður-Ameríku, Evrópu og hugsanlega öðrum svæðum jarðar. Þessi 1 °C breyting á hnattrænu hitastigi virðist lítið hitafrávik, líkt og sást á miðaldahlýskeiðinu, en leiddi samt til merkjanlegra loftslagsbreytinga. Sögulegar heimildir lýsa tímabili með óvenju hörðum vetrum, miklum snjó og frosti.

Iðnbyltingin, sem hófst um 1750, einkenndist af breytingum í stórum hluta mannlegs samfélags. Framfarir í landbúnaði juku matvælaframboð og bættu lífskjör fólks í Evrópu og Bandaríkjunum. Ný tækni var fundin upp sem skapaði störf og ódýrari vörur. Þessi nýja tækni var knúin jarðefnaeldsneyti, einkum kolum. Iðnbyltingin snemma á 19. öld markaði upphaf iðnaðaraldarinnar. Þegar jarðefnaeldsneyti brennur losnar koltvíoxíð. Með upphafi iðnaðaraldarinnar tók magn koltvíoxíðs í andrúmsloftinu að aukast (mynd 44.28).

Núverandi og fyrri drifkraftar hnattrænna loftslagsbreytinga

Þar sem ekki er hægt að fara aftur í tímann til að fylgjast beint með loftslagi og mæla það verða vísindamenn að nota óbeinar vísbendingar til að ákvarða drifkrafta, eða þætti, sem kunna að bera ábyrgð á loftslagsbreytingum. Óbeinu vísbendingarnar eru meðal annars gögn úr ískjörnum, borholum, trjáhringjum, lengd jökla, frjókornaleifum og sjávarseti. Gögnin sýna fylgni milli tímasetningar hitabreytinga og drifkrafta loftslagsbreytinga. Fyrir iðnaðaröld, fyrir 1780, voru þrír drifkraftar loftslagsbreytinga sem tengdust hvorki mannlegum athöfnum né lofttegundum í andrúmslofti. Fyrsti þeirra eru Milankovitch-sveiflur. Milankovitch-sveiflur lýsa áhrifum smávægilegra breytinga á braut jarðar á loftslag jarðar. Lengd Milankovitch-sveiflna er 19.000 til 100.000 ár. Með öðrum orðum mætti búast við fyrirsjáanlegum breytingum á loftslagi jarðar sem tengjast breytingum á braut jarðar að minnsta kosti á 19.000 ára fresti.

Breytileiki í styrk sólar er annar náttúrulegi þátturinn sem ber ábyrgð á loftslagsbreytingum. Sólstyrkur er magn sólarafls eða orku sem sólin gefur frá sér á tilteknum tíma. Beint samband er á milli sólstyrks og hitastigs. Þegar sólstyrkur eykst, eða minnkar, hækkar eða lækkar hitastig jarðar samsvarandi. Breytingar á sólstyrk hafa verið lagðar til sem ein af nokkrum mögulegum skýringum á litlu ísöldinni.

Að lokum eru eldgos þriðji náttúrulegi drifkraftur loftslagsbreytinga. Eldgos geta staðið í nokkra daga, en föst efni og lofttegundir sem losna í gosi geta haft áhrif á loftslag í nokkur ár og valdið skammtímabreytingum á loftslagi. Meðal lofttegunda og fastra efna sem losna í eldgosum eru koltvíoxíð, vatnsgufa, brennisteinsdíoxíð, brennisteinsvetni, vetni og kolmónoxíð. Almennt kæla eldgos loftslagið. Þetta gerðist árið 1783 þegar eldgos á Íslandi losuðu mikið magn brennisteinsoxíða. Það leiddi til móðukólnunar, hnattræns fyrirbæris þar sem ryk, aska eða aðrar svifagnir byrgja sólarljós og lækka hitastig jarðar; móðukólnun varir yfirleitt í eitt eða fleiri ár áður en hún dvínar. Í Evrópu og Norður-Ameríku olli móðukólnunin einhverjum lægsta meðalvetrarhita sem mælst hefur árin 1783 og 1784.

Gróðurhúsalofttegundir eru líklega mikilvægustu drifkraftar loftslagsins. Þegar varmaorka frá sólinni skellur á jörðinni halda lofttegundir sem kallast gróðurhúsalofttegundir varma í lofthjúpnum, líkt og glerrúður gróðurhúss hindra að varmi sleppi út. Meðal gróðurhúsalofttegunda sem hafa áhrif á jörðina eru koltvíoxíð, metan, vatnsgufa, dínituroxíð og óson. Um það bil helmingur geislunar frá sólinni fer í gegnum þessar lofttegundir í lofthjúpnum og nær til jarðar. Geislunin breytist í varmageislun, eða innrauða geislun, á yfirborði jarðar og síðan geislar hluti orkunnar aftur út í lofthjúpinn. Gróðurhúsalofttegundir gleypa hins vegar mikið af varmaorkunni og senda hana aftur til yfirborðs jarðar. Eftir því sem meira er af gróðurhúsalofttegundum í lofthjúpnum, þeim mun meiri varmaorka berst aftur til yfirborðs jarðar og hitar það og neðsta hluta lofthjúpsins. Gróðurhúsalofttegundir gleypa og senda frá sér geislun og eru mikilvægur þáttur í gróðurhúsaáhrifum: hlýnun jarðar vegna koltvíoxíðs og annarra gróðurhúsalofttegunda í lofthjúpnum.

Beinar sannanir styðja sambandið milli styrks koltvíoxíðs í andrúmsloftinu og hitastigs: þegar koltvíoxíð eykst hækkar hitastig jarðar. Frá 1950 hefur styrkur koltvíoxíðs í andrúmsloftinu aukist úr um 280 ppm í 382 ppm árið 2006. Árið 2011 var styrkur koltvíoxíðs í andrúmsloftinu 392 ppm. Plánetan væri hins vegar ekki byggileg núverandi lífsformum ef vatnsgufa ylli ekki öflugum gróðurhúsaáhrifum.

Vísindamenn skoða mynstur í gögnum og reyna að útskýra mismun eða frávik frá þeim. Gögn um koltvíoxíð í andrúmsloftinu sýna sögulegt mynstur þar sem koltvíoxíð eykst og minnkar og sveiflast á milli lágmarks um 180 ppm og hámarks um 300 ppm. Vísindamenn hafa komist að þeirri niðurstöðu að það hafi tekið um 50.000 ár fyrir magn koltvíoxíðs í andrúmsloftinu að aukast frá lægsta styrk upp í hærri hámarksstyrk. Fyrir aðeins nokkrum öldum tók styrkur koltvíoxíðs í andrúmsloftinu hins vegar að fara yfir sögulegt hámark, 300 ppm. Núverandi aukning koltvíoxíðs í andrúmsloftinu hefur orðið mjög hratt, á hundruðum ára frekar en þúsundum ára. Hver er ástæðan fyrir þessum mun á hraða breytinganna og magni aukningar koltvíoxíðs? Lykilþáttur þegar söguleg og núverandi gögn eru borin saman er tilvist og iðnaðarstarfsemi nútíma mannfélags; enginn annar drifkraftur loftslagsbreytinga hefur valdið breytingum á magni koltvíoxíðs í andrúmsloftinu með þessum hraða eða af þessari stærðargráðu.

Mannlegar athafnir losa koltvíoxíð og metan, tvær af mikilvægustu gróðurhúsalofttegundunum, út í andrúmsloftið á ýmsa vegu. Meginferlið sem losar koltvíoxíð er brennsla jarðefnaeldsneytis, svo sem bensíns, kola og jarðgass (mynd 44.29). Eyðing skóga, sementsframleiðsla, kvikfjárrækt, rjóðurmyndun og skógarbruni eru aðrar mannlegar athafnir sem losa koltvíoxíð. Metan (CH₄) myndast þegar bakteríur brjóta niður lífræn efni við loftfirrtar aðstæður. Loftfirrtar aðstæður geta skapast þegar lífræn efni lokast neðansjávar, til dæmis í hrísgrjónaökrum, eða í þörmum grasbíta. Metan getur einnig losnað frá jarðgassvæðum og við niðurbrot dýra- og plöntuleifa á urðunarstöðum. Önnur uppspretta metans er bráðnun klatrata. Klatröt eru frosnir klumpar af ís og metani á botni sjávar. Þegar vatn hlýnar bráðna þessir ísklumpar og metan losnar. Eftir því sem hitastig sjávar hækkar eykst bráðnunarhraði klatrata og enn meira metan losnar. Þetta eykur magn metans í andrúmsloftinu og hraðar enn frekar hlýnun jarðar. Þetta er dæmi um jákvæða afturverkun sem veldur hraðri hækkun hitastigs jarðar.

Skráðar afleiðingar loftslagsbreytinga: fortíð og nútíð

Vísindamenn hafa jarðfræðilegar vísbendingar um afleiðingar loftslagsbreytinga í fjarlægri fortíð. Nútímafyrirbæri, svo sem hopun jökla og bráðnun heimskautaíss, valda stöðugri hækkun sjávarborðs. Á sama tíma geta loftslagsbreytingar haft neikvæð áhrif á lífverur.

Jarðsögulegar loftslagsbreytingar

Hlýnun jarðar hefur tengst að minnsta kosti einum hnattrænum útdauðaatburði í jarðsögunni. Perm-útdauðinn varð fyrir um 251 milljón árum, undir lok um það bil 50 milljón ára jarðsögutímabils sem kallast permtímabilið. Þetta jarðsögutímabil var eitt af þremur hlýjustu tímabilum í jarðsögu jarðar. Vísindamenn áætla að um 70 prósent plöntu- og dýrategunda á landi og 84 prósent sjávartegunda hafi dáið út og horfið að eilífu undir lok permtímabilsins.

Lífverur sem höfðu aðlagast röku og hlýju loftslagi, til dæmis ársúrkomu upp á 300-400 cm (118-157 tommur) og 20 °C til 30 °C (68 °F til 86 °F) í hitabeltisregnskógum, gátu hugsanlega ekki lifað loftslagsbreytingarnar á perm af.

Núverandi loftslagsbreytingar

Fjöldi hnattrænna atburða hefur átt sér stað á okkar líftíma sem má rekja til loftslagsbreytinga. Í Glacier-þjóðgarðinum í Montana er mikil hopun jökla í gangi, fyrirbæri sem kallast jökulhop. Árið 1850 voru um 150 jöklar á svæðinu. Árið 2010 voru hins vegar aðeins um 24 jöklar stærri en 25 ekrur eftir í garðinum. Einn þeirra er Grinnell-jökull (mynd 44.30) við Mount Gould. Milli 1966 og 2005 minnkaði Grinnell-jökull um 40 prósent. Sömuleiðis fer massi ísbreiðanna á Grænlandi og Suðurskautslandinu minnkandi: Grænland tapaði 150-250 km³ af ís á ári milli 2002 og 2006. Auk þess minnka stærð og þykkt hafíss á norðurslóðum.

Þetta ístap leiðir til hækkunar á sjávarborði jarðar. Að meðaltali hækkar sjávarborð um 1,8 mm á ári. Milli 1993 og 2010 var hraði sjávarborðshækkunar hins vegar 2,9 til 3,4 mm á ári. Ýmsir þættir hafa áhrif á rúmmál vatns í hafinu, einkum hitastig vatnsins, því eðlismassi vatns tengist hitastigi þess: rúmmál vatns eykst þegar það hlýnar og hækkar þannig sjávarborð. Einnig skiptir máli hversu mikið vatn er í ám, stöðuvötnum, jöklum, íshettum og hafís. Þegar jöklar og íshettur bráðna bætist við verulegt magn fljótandi vatns sem áður var frosið.

Auk þess sem sum ólífræn skilyrði breytast vegna loftslagsbreytinga verða margar lífverur einnig fyrir áhrifum af hitabreytingum. Hitastig og úrkoma skipta lykilmáli fyrir landfræðilega útbreiðslu og fenólógíu plantna og dýra. Fenólógía er rannsókn á áhrifum loftslagsskilyrða á tímasetningu reglubundinna atburða í lífsferli, svo sem blómgun plantna eða far fugla. Rannsakendur hafa sýnt fram á að 385 plöntutegundir í Bretlandi blómstra 4,5 dögum fyrr en skráð var áður á síðustu 40 árum. Auk þess voru tegundir sem skordýr fræva líklegri til að blómstra fyrr en vindfrævaðar tegundir. Áhrif breytinga á blómgunartíma myndu minnka ef skordýrafrævararnir kæmu fyrr fram. Þessi ósamstillta tímasetning plantna og frævara gæti haft skaðleg áhrif á vistkerfi, því til að lifa af verða skordýrafrævaðar plöntur að blómstra þegar frævarar þeirra eru til staðar.