Klimatförändringar i ett långt tidsperspektiv

Kontinentalförskjutningar

Jorden kan uppfattas som ett hårt klot. Det är emellertid så att endast ett mycket tunt skal är stelt och att klotets inre är flytande och varmt. Kontinenterna flyter alltså ovanpå ett glödande inre.

Uppvällande rörelser i den flytande magman skapar nya oceanbottnar utmed långsträckta sprickor. Detta får kontinenterna att röra på sig. När oceanbottnarna växer måste detta kompenseras med en minskning någon annanstans. Det sker genom att oceanbottnarna pressas ner under kontinenterna.

Förflyttningarna av kontinenterna går inte snabbt, endast med någon eller några centimeter per år. Över tillräckligt lång tid ackumuleras detta emellertid till stora sträckor. Atlanten växer utmed en sprickzon kallad den mittatlantiska ryggen.

Om man ser till Atlantens nuvarande bredd och ansätter en medelhastighet av 2 cm per år så ser man att för 200 miljoner år sedan var dagens Afrika, Europa, Nord- och Sydamerika samlade i en superkontinent. Den kallas Pangea eller Pangaea (allt land).

Kontinentalförskjutningen eller mer korrekt plattektoniken flyttar inte bara på kontinenterna så att de inbördes lägena förändras. Även latituden förändras vilket påverkar solstrålningen och därmed det lokala klimatet. Nya hav uppstår och gamla försvinner. Nya bergskedjor skjuter i höjden medan gamla nöts ner av erosion. För cirka 350 miljoner år sedan passerade vår del av världen ekvatorn på sin färd norrut.

Klimatet påverkas av fördelningen av land och hav och deras inbördes lägen. Man kan därför vara säker på att klimatet för miljontals år sedan var annorlunda än idag. Hur snabbt kontinentalförskjutningen ger ett genomslag i klimatet kan man fundera på. Sker det gradvis eller finns det ett läge där klimatet slår om från ett läge till ett annat? I vilket fall som helst rör vi oss här med tidsskalor över 10-100 miljoner år.

Erosion och vegetation

Sett över geologiska tidsåldrar förändrar inte bara plattektoniken jordytan. Vind, strömmande vatten och biogeokemiska processer medför också förändringar. Gamla bergskedjor nöts ner. Vatten för med sig slam som avlagras på sjö och havsbottnar. Generationer av döda växter och djur ansamlas och bildar lager efter lager.

Solens inverkan

Solens energi är den grundläggande drivkraften till klimatet. Även om solen vore stabil i sin utstrålning så kan dess fördelning över året och över jorden variera.

Detta togs upp av den serbiske matematikern Milankovitch som föreslog att variationer i precessionen av jordaxeln och i dess lutning samt förändringar i jordbanans excentricitet är faktorer som kan orsaka istider. Cykliska variationer, med perioder på 23 000, 41 000 och 100 000 år i dessa faktorer ger nämligen upphov till variationer i solstrålningens fördelning på jordytan.

Hur stabil är solens utstrålning? Modeller av stjärnor som solen visar att sedan solsystemet uppstod för 4.5 miljarder år sedan har solen ökat sin utstrålning från kanske 1000 Wm-2 till dagens 1 366 Wm-2 på jordens avstånd från solen.

Varierande aktivitet

Solens aktivitet varierar alltså. Den mest kända variationen är solfläckscykeln som är ungefär 11 år. Den yttrar sig i form av relativt sett mörka fläckar eller grupper av fläckar vars antal varierar. De noterades redan av Galilei i början av 1600-talet men det finns även äldre kinesiska nedteckningar av stora fläckar.

Allteftersom tekniken har utvecklats har vi kunnat observera fler egenskaper hos solen. Sedan 1947 mäts radiostrålningen vid 2800 MHz (10.7 cm). Satellitbaserade instrument har medfört att observationer av strålning som inte når jordytan kan utföras. När man studerade den magnetiska aktiviteten kring solfläckarna upptäckte man att de bytte polaritet i varannan cykel. Därför borde man egentligen tala om en 22-årig periodlängd.

I samband med de mörka solfläckarna uppträder även så kallade flares. Det är ljusa aktiva områden som sänder ut kraftig strålning. Kombinationen av solfläckar och flares medför att den totala strålningen från solen är högre vid solfläcksmaximum än vid minimum.

Vad vet vi om tidigare solaktivitet? Solen har ett magnetfält. Det är betydligt kraftigare än jordens och sträcker sig långt ut i rymden. Magnetfält påverkar hur laddade partiklar rör sig. Kosmisk strålning är laddade partiklar som rör sig med stora hastigheter och härrör från källor utanför solsystemet.

Baserat på antagandet om en konstant kosmisk strålning och att solaktiviteten modulerar denna ger analyser av kol-14 och Be-10 en uppskattning av solaktiviteten många tusen år tillbaka i tiden. Osäkerheter finns men de data man erhåller visar att solen sannolikt har variationer på längre tidsskalor än den väldokumenterade 11-årscykeln.

Olika hypoteser

Människan har observerat fläckar på solen under många hundra år. Många studier har gjorts där man försökt att koppla väder och klimat till variationerna av solfläckar. Att den övre jordatmosfären (>10 km) påverkas av solaktiviteten är helt klart. Samband mellan ozonskiktstjocklek och höjden till exempelvis tryckytan 30 hPa (ca 22km) och solfläckscykeln finns belagda.

Hur är det då för den lägre atmosfären? Under 10 km finns ca 80% av massan av jordens atmosfär. Det är här huvudparten av vädret äger rum. För den lägre atmosfären blir sambanden med solfläckscykeln svagare.

En mycket debatterad hypotes om hur klimatet skulle kunna vara kopplat till solaktiviteten framkastades av ett par danska forskare. Här följer en förenklad tankekedja. Den kosmiska strålningen skapar mängder av joner i atmosfären. De danska forskarna tänker sig att dessa joner bildar begynnelsen för kondensationskärnor, som är mycket små partiklar vilka utgör utgångspunkter till molndroppar.

Kärnan i hypotesen är att den kosmiska strålningen påverkar molnbildningen och att molnen påverkar klimatet är en självklarhet. Om nu solaktiviteten påverkar den kosmiska strålningen så är ju kopplingen mellan solen och klimatet klar. Det kan låta enkelt och logiskt men som alltid finns det länkar i kedjan som ännu inte har bekräftats eller vederlagts.

Molnen skulle kunna påverkas både till mängd och till kvalitet. Man tänker sig att många kondensationskärnor ger ökad molnmängd, men man kan även tänka sig att antalet molndroppar blir fler på bekostnad av storleken av molndropparna. Det senare ger vitare moln och båda effekterna ger ett ökat albedo hos jorden.

Ett ökat albedo reflekterar inkommande solenergi och vi kan förvänta oss lägre temperaturer. Men om solaktiviteten är hög minskar den kosmiska strålningen, färre molndroppar bildas, albedot minskar och temperaturen stiger.

En faktor att räkna med

Solaktiviteten är en faktor som påverkar klimatet. Om man inkluderar solstrålningen som en faktor i de globala klimatmodellerna bidrar den till att förbättra överensstämmelsen mellan beräknade och uppmätta data under de senaste 150 åren. De senaste decennierna har emellertid den globala uppvärmningen gått betydligt snabbare än vad solstrålningen räcker till att förklara.

Vår kännedom av omfattningen av solens variabilitet bygger framförallt på de senaste 25 årens data från satellit. Detta är naturligtvis en alldeles för kort period för att tillfullo förstå solens inverkan på klimatet och hur stora variationerna kan vara. Genom studier av andra solliknande stjärnor har astronomer funnit indikationer på att variabiliteten skulle kunna vara större.

Utan tvivel kommer vår kunskap om solens betydelse för klimatet att öka allteftersom nya data tillkommer och när förståelsen av de fysikaliska processerna som kopplar solens aktivitet till jordens atmosfär och hav förbättras.

Plötsliga händelser

Här finns några faktorer listade som på mindre än ett par dygn kan förändra klimatet. Vulkaner har haft och har en inverkan på klimatet. Större nedslag av kometer och meteor har påverkat klimatet på den geologiska tidsskalan. Diskussionen om vad ett globalt kärnvapenkrig kan innebära för klimatet bygger på fysikaliskt korrekta slutsatser.

Stora explosiva eruptioner

Vulkanutbrott inträffar varje år. Flertalet röner liten uppmärksamhet på grund av sin ringa inverkan på jorden som helhet. Ibland inträffar emellertid kraftiga explosiva utbrott som inte bara påverkar sin omedelbara omgivning utan som får återverkningar på hela jorden.

I juni 1991 fick den filippinska vulkanen Pinatubo ett kraftigt utbrott. Stora mängder vulkaniskt stoft, kanske 30 000 000 ton, hamnade i stratosfären. Vindarna spred stoftet runt jorden. I augusti blev det märkbart i Sverige.

Under sin tid i atmosfären förändrar stoftet (aerosolerna) strålningsbalansen. Under åren efter stora vulkanutbrott kan man se små temperaturminskningar i den globala medeltemperaturen. Lokalt kan andra effekter ge ökningar.

Aerosolerna faller tillbaks till jorden med tiden. Av det vulkaniska stoft som hamnat i stratosfären brukar det mesta ha fallit ut efter ett par år. Effekten på klimatet av vulkanutbrott är därför begränsade i tiden. Det krävs upprepade stora utbrott för att få bestående effekter.

Nedslag av kometer och meteorer

Jorden bombarderas hela tiden med småsten från rymden. Då och då sker det större nedfall. Vid ett tillräckligt stort nedfall kan man tänka sig att det skulle kunna ske en kraftig påverkan på atmosfären. I jordens barndom var detta en del av processen som ledde till bildningen av jorden, haven och atmosfären.

Nukleär vinter

Under 1980-talet uppmärksammades effekterna som ett globalt kärnvapenkrig skulle få på klimatet. En kärnvapenexplosion nära marken ger upphov till en enorm värmeutveckling och ett karakteristiskt svampmoln.

Det finns en likhet med ett kraftigt och explosivt vulkanutbrott. Båda dessa kan föra upp stoft i stratosfären. Detta stoft absorberar och sprider solstrålningen. Om det otänkbara händer att ett mycket stort antal kärnvapen användes skulle stoftmängden i stratosfären bli så stor att endast en ringa del av solstrålningen tränger ner till ytan. Temperaturerna skulle falla och fotosyntesen avta beroende av mörkret. Vi skulle få en nukleär vinter.

Beräkningar har visat att effekten består under några år. Även de som inte direkt drabbas av bomberna och det radioaktiva nerfallet skulle drabbas av uteblivna skördar och därmed svält.

Plötsliga händelser i ett långt tidsperspektiv

Nedan beskrivs kortfattat tre mekanismer för plötsliga klimatförändringar i ett långt tidsperspektiv. Dessa mekanismer pågår under flera decennier. De är tänkbara även framöver inte minst eftersom de lär ha skett tidigare under jordens klimathistoria.

Hur troliga de är i ljuset av den globala uppvärmningen är okänt. Hittills gjorda studier kan inte ge oss fullgoda svar på det. De tyder dock på att riskerna för dessa plötsliga förändringar är små vid en liten och möjligen upp till en måttlig fortsatt global uppvärmning.

Golfströmmen

Golfströmmen är en del av världshavets så kallade termohalina cirkulation som till viss del drivs av densitetsskillnader mellan vattenmassorna som uppstår på grund av skillnader i temperaturen och salthalten. Den ström som nära ytan går norrut i Atlanten är det som kallas Golfströmmen. Vinden har också stor betydelse för Golfströmmen som transporterar stora mängder värme till Nordatlanten.

Ökad nederbörd och smältvatten från tinande isar skulle kunna minska salthalten i norr, bromsa cirkulationen och minska dess transport av värme med följder för klimatet speciellt runt Nordatlanten. Att detta har hänt förr diskuteras ofta i termer av en händelse för ca 11500 år sedan – så kallade Yngre Dryas.

Det som kanske hände var att stora mängder smältvatten hade dämts i Nordamerika. När detta sötvatten sedan strömmade ut i Nordatlanten blev effekten så pass stor att Golfströmmen påverkades och klimatet blev i alla fall regionalt flera grader kallare under uppemot 1000 år. Golfströmmen återhämtade sig dock efter en tid.

Metanhydrater

Stora mängder metan finns i havsbottnar och en del även i permafrost i form av metangas inkapslad i is. Uppskattningsvis finns det mer kol i dessa metanhydrater än i de kända reserverna av kol, olja och naturgas sammanlagt.

Metanhydrater är värmekänsliga och en uppvärmning som når ner till havsbottnarna har spekulerats kunna leda till en frigörelse av stora mängder metan till atmosfären. Eftersom metan är en effektiv växthusgas skulle detta kunna öka den globala uppvärmningen mycket kraftigt jämfört med påverkan av utsläpp.

En destabilisering av metanhydrater i havet skedde kanske för ca 55 miljoner år sedan med en plötslig uppvärmning som följd. Det skulle också möjligen kunna vara en förklaring till vissa andra katastrofala perioder i jordens tidigare klimathistoria.

De stora isarna

Jämfört med i världens olika bergstrakter finns det mycket mer vatten i ismassorna på Grönland och Antarktis. Om dessa tinades upp skulle världshavet stiga med ca 7 respektive knappt 60 meter. Tillskott av dessa vattenmassor överstiger alltså vida det som smältningen av mindre glaciärer och havsvattnets termiska expansion kan åstadkomma.

Den sammanlagda höjningen av havsytenivån beräknas till 18-59 cm under 2000-talet och upp till 1-4 meter på betydligt längre sikt. [Med termisk expansion menas att vatten utvidgas då det blir varmare och för havets del innebär det att nivån stiger.] Eftersom ismassorna tillväxer och avsmälter beroende på nederbörd och temperatur är det rimligt att anta att de påverkas av klimatförändringen. De är dock tröga system och reagerar långsamt.

Grönland anses kunna börja smälta redan vid en lokal uppvärmning på 2-3 grader. Även om det skulle ta över 1000 år innan hela ismassan försvinner, skulle avsmältningen knappast gå att stoppa när den väl kommer igång.

För Antarktis landis beräknas en större uppvärmning krävas för att initiera avsmältningen. Delar av landisen kan dock ligga närmare farozonen, speciellt den så kallade West Antarctic Ice Sheet (WAIS). WAIS innehåller ca 5 m vatten i termer av världshavets vattenstånd. Den lär ha kollapsat under tidigare varma perioder (interglacialer) som kan jämföras med vår egen tid.

Med kollaps menas i sammanhanget en gradvis avsmältning i loppet av några århundraden. Detta skulle kunna innebära en ytterligare havsnivåhöjning på 1-2 meter per århundrade utöver effekten av smältningen av mindre glaciärer och havsvattnets termiska expansion.

Det är osäkert hur de stora isarna utvecklar sig vid global uppvärmning. Ismassorna i Antarktis kan faktiskt komma att öka, till en början, vid en fortsatt klimatförändring. Det beror på att nederbörden förväntas öka och att det fortfarande är tillräckligt kallt för isbildning. Samtidigt bör Antarktis kanter bli mer naggade av tilltagande värme.

Kunskaper om plötsliga händelser i framtiden

Dagens klimatscenarier omfattar inte bidrag från metanhydrater. Kontinentalisarna modelleras oftast för sig medan Golfströmmen finns med i globala klimatmodeller.

Beräkningarna som utgår från tänkbara utsläppsscenarier tyder på en viss avmattning av Golfströmmen, men den upphör inte eller ändrar riktning under 2000-talet. I känslighetsstudier har man kunnat åstadkomma dessa effekter, vilket visar att de är möjliga vid en tillräckligt stor eller långvarig klimatförändring.

Vari trösklarna till dessa plötsliga klimatförändringar ligger kan idag inte uppskattas med någon stor precision bortsett från att de förefaller möjliga. Kunskapen baseras inte minst på det vi känner till om händelser långt tidigare i jordens klimathistoria.

Det är inte säkert hur jämförbara dåtida förutsättningar är med vår egen tid. Klimatmodeller kan inte heller ge oss uttömmande svar på frågan om de plötsliga klimatförändringarna.