Klimatförändringar i ett långt tidsperspektiv

I ett geologiskt perspektiv har klimatet på jorden varierat dramatiskt och i jämförelse har variationerna efter den senaste istiden varit små. Vissa händelser har i historien plötsligt förändrat klimatet. Vissa, till exempel vulkanutbrott, sker på bara ett par dygn medan andra, som förändringar av Golfströmmen, pågår under flera decennier.

Mycket talar för att klimatet nu förändras snabbt och att den förändringen kan bli betydande. Människans aktiviteter är i detta fall den primära drivkraften. Klimatet påverkas också av andra inre och yttre faktorer på kort och på lång sikt.

Med kort avses här förändringar över tiotals till hundratals år. Det är tidsperioder som vi människor direkt kan påverka och som vi borde kunna hantera. I ett kort tidsperspektiv påverkas klimatet av till exempel ökade utsläpp av växthusgaser och partiklar. Läs mer om plötsliga klimatförändringar.

Detta betyder att medan trenden mot en allt varmare planet är tydlig, kan den naturliga variabiliteten både förstärka och motverka den mänskliga klimatpåverkan under kortare perioder.

Det längre tidsperspektivet gäller företeelser som verkar över hundratals, tusentals eller miljontals år.

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.