 Klimasystemet
Klimasystemet består av
de fysiske delene av jordkloden som bestemmer jordoverflatens klima.
Disse er atmosfæren, havet, biosfæren og landjorda. Klimaet varierer
naturlig uten forandringer i ytre betingelser. Slike fluktuasjoner er
uforutsigbare, men variasjoner kan også skapes ved endringer i ytre
betingelser. Disse endringene kan være naturlige eller menneskeskapte.
Å skille indre fluktuasjoner fra variasjoner som skyldes endringer i
ytre betingelser, er en av de store utfordringer i klimaforskningen.
Jordas atmosfære er et "hav " av luft som omhyller kloden.
Omkring 80%av lufta fins i de nederste 12~15 km av atmosfæren, der
nesten all utvikling av vær foregår. Nesten all resterende luft finnes
i stratosfæren opp til ca.50 km. Atmosfæren inneholder like mye masse
som et 10 meter dypt vannlag, og varmekapasiteten til verdenshavene er
svært mye større enn atmosfærens. Havet er derfor en vesentlig
tregere del av klimasystemet enn atmosfæren. Utbredelsen av havis og snø
er meget viktig for jordoverflatens evne til å reflektere sollys (albedo).
Saltholdig havvann som fryser kan gi opphav til kalde og saltholdige
vannmasser som kan synke raskt til bunns, og derved påvirke havstrømmene
og igjen klimaet. Jordas biologi, geologi og kjemi er ved sin påvirkning
av atmosfærens og havets sammensetning samt landjordas beskaffenhet,
viktige deler av klimasystemet. For tidsutviklinger over tusen år og
lengre, og spesielt for istider,er landjordas isbreer av stor betydning.
Klimaforskere tar alle disse forholdene i
betraktning når mulighetene for menneskelig påvirkning av jordas klima
studeres.
Jordas varmebudsjett
Jorda mottar varme fra
solas utstråling. I gjennomsnitt kommer 342 W/m2 inn til ytterkanten av
jordas atmosfære dersom strålingsvarmen fordeles jevnt over
jordkloden. Av denne solstrålingen reflekteres ca. 31% tilbake til
verdensrommet. Dette tallet kalles den globale albedo. Resten – ca.
235 W/m 2 – absorberes i klimasystemet.
Skjematisk framstilling av
varmebalansen.(ref. IPCC 1995)
Illustrasjon: Hanne Stenbro |
Siden temperaturen i
klimasystemet ikke øker systematisk, stråler jorda ut igjen like mye
varme som den mottar fra sola. Det skjer ved varmestråling, og utstrålingen
svarer til at jorda har en strålingstemperatur på -18 °C. Imidlertid
er gjennomsnittstemperaturen på jordoverflaten ca.15°C; altså 33
grader høyere. Denne forskjellen skyldes atmosfærens naturlige
drivhuseffekt. Den er en følge av at atmosfæren absorberer solstråling
mindre effektivt enn den absorberer varmestråling fra jordoverflaten.
Bare ca. 29% av den delen av solstrålingen som absorberes i
klimasystemet kommer atmosfæren til del, mens hele 90% av varmestrålingen
fra jordoverflaten absorberes der. Atmosfæren mottar 519 W/m 2 ved
absorpsjon av varmestråling fra jordoverflaten og solstråling, og ved
varmeledning og fordampning fra bakken. Til gjengjeld bidrar den med
varmestråling tilbake mot bakken (324 W/m 2 ) og ut til verdensrommet
(195 W/m 2 ).
Altså mottar jordoverflaten betydelig mer
strålingsvarme enn klimasystemet totalt. Tilsammen mottar
jordoverflaten 492 W/m 2, som er over det dobbelte av hva klimasystemet
totalt mottar (235 W/m 2). Varmestråling fra atmosfæren er det største
bidraget (ca.66%), mens resten er direkte solstråling. Atmosfærens
varmestråling skyldes skyer og klimagasser (vanndamp,CO2,
metan,lystgass, ozon som de viktigste). Jordoverflaten holdes i
varmebalanse hovedsakelig ved å avgi varmestråling (ca.79%), men også
ved varmeledning og fordampning til atmosfæren.
Vær,vind og havstrømmer
Utbredelse av havis på
nordlige halvkule 26. mars 2000. Blå farge angir fast is, mens
grå angir åpen drivis. |
Den viktigste grunnen
til alle bevegelsene i atmosfæren og havet er at varmebudsjettet ikke
er i likevekt overalt. Solinnstrålingen er større enn varmetapet ut
mot verdensrommet i et belte mellom 35 °S og 35 °N. Utenfor denne
sonen mister jorda mer varme ved utstråling enn den mottar fra sola.
Forskjellen mellom ekvator og polene i netto innstråling er ca. 150 W/m
2. Denne manglende strålingsbalansen kompenseres ved at luft- og havstrømmer
frakter varme fra lave til høye breddegrader. Uten en slik bevegelse
ville temperaturforskjellen mellom tropene og polene vært mye større.
Varmetransporten mot polene i atmosfæren skjer i høy grad via lavtrykk
og høytrykk utenfor tropene.
Vindene i atmosfæren lager havbølger og
driver strømmer i havets øverste 100~1000m. På grunn av havenes
begrensning og form presses vinddrevne strømmer ofte direkte fra lave
til høye breddegrader, f.eks."Golfstrøm "-systemet i
Nord-Atlanteren som transporterer varme langt inn i Arktis. Grovt sagt
transporteres 40% av varmen i havet og resten i atmosfæren. Siden
havene bare kan frakte varme i visse sektorer, varierer varmetransporten
i havet mye mer regionalt.
En del av strømsystemene i havet drives
av tetthetsforskjeller og ikke av vinden. Slike strømmer kalles
termohaline og involverer vannmasser helt ned til de store havdyp. Dyp-
og bunnvannsdannelse skyldes overflatevann som synker ned mot bunnen.
Dette kan skje langsomt når vannet i overflaten avgir sin varme til
atmosfæren, og mer dramatisk, men mindre, regelmessig, når saltholdig
havvann fryser. Bunnvannsdannelse skjer ofte i Weddelhavet i Antarktis,
men forekommer mer eller mindre regelmessig om vinteren i Labradorhavet,
i Grønlandshavet, Barentshavet og i Polhavet.
Vår viten om de grunnleggende årsaker
til de spesielle is- og strømforholdene i våre nære havområder er
mangelfull sammenliknet med hva vi vet om mange atmosfæriske forhold.
Hav og havis er derfor dårlig kjente faktorer i vår forståelse av
klimasystemet.
Er klimaet hos oss spesielt?
Høy NAO-indeks: Lavtrykk i
nordlig bane inn i Norskehavet med milde fuktige luftstrømmer
innover Nord-Europa. |
Lav NAO-indeks: Lavtrykk i sørlig
bane med arktiske luft-strømmer over Nord-Europa.
|
Vår region er i en særstilling.
De varme havstrømmene i Nord-Atlanteren, med forlengeser inn i De
nordiske hav og Barentshavet, henger sammen med at grensen for havisens
utbredelse går usedvanlig langt nord. Den egentlige årsaken til vårt
milde klima er et kontroversielt spørsmål. Noen hevder at de varme
havstrømmene er den egentlige årsaken, mens andre mener at atmosfæren
og havet virker sammen. Nyere forskning tyder på at luftstrømmene i våre
områder også styres av forhold langt vekk, f.eks.i tropene. Slike
fjernvirkninger er kjent siden Jack Bjerknes beskrev dem i 1968, men
systematiske studier av hva som bestemmer slike regionale strømningssystemer,
har bare såvidt startet.
Systematisk varierende atmosfæriske
luftstrømmer, som er av stor betydning for vår region, kan
klassifiseres vha. NAO-indeksen -et kortnavn for Den nord-atlantiske
oscillasjon. Denne er karakterisert ved at luftstrømmene på midlere
breddegrader ser ut til å veksle over tidsrom på tiår. NAO-indeksen
er forskjellen i bakketrykk målt på Azorene og på Island. Når denne
forskjellen er mindre enn normalt (lav NAO-indeks), går lavtrykkene
ofte i en sørlig bane om vinteren, og arktisk luft strømmer sørover.
Slik var forholdene mange vintre i 1960-årene. Når NAO-indeksen er høy
går mange lavtrykk inn i Norskehavet, og disse fører med seg mild og
fuktig luft. Vi får milde, men stormfulle vintre i Norge, slik som i
1990-årene. Det har altså vært en økning av NAO-indeksen siden 1960-årene.
I den senere tid er det blitt vanlig å
betrakte Den nord-atlantiske oscillasjon som en del av et enda større
luftstrømsystem under navnet Den arktiske oscillasjon (AO) som også
har forbindelse med luftstrømmene i stratosfæren.
NAO-indeksens variasjon i
vintersesongene fra 1865-1998. Blått viser år med lav
NAO-indeks, rødt angir høy indeks.
NOAA
Office of Global Programs/Lamont-Doherty Earth Observatory of
Columbia University). |
Menneskeskapte endringer
Mennesker kan påvirke
klimasystemet effektivt ved å forrykke strålingsbudsjettene globalt og
regionalt. Dette kan skje ved å endre atmosfærens innhold av
drivhusgasser og partikler. Partiklene påvirker refleksjon og
absorbsjon av solstråling direkte, og indirekte ved at de endrer
skyenes egenskaper.
Når drivhuseffekten øker og temperaturen
begynner å stige i atmosfæren og havet, vil luftas innhold av vanndamp
også kunne øke. Vanndamp er den mest effektive drivhusgass som finnes
naturlig, og en menneskeskapt økning av drivhusgasser får dermed en
sterk ekstravirkning. Vann, is og vanndamp har imidlertid et kretsløp i
atmosfæren, og vanndampens drivhuseffekt avhenger sterkt av om den
finnes i høyere luftlag eller ved bakken. Mulige endringer i
skyforholdene øker usikkerheten om vanndampens ekstravirkning
ytterligere, og det er umulig å resonnere seg fram til effektene av
endret innhold av drivhusgasser og partikler i atmosfæren. Det må gjøres
beregninger ved hjelp av avanserte klima-modeller for å kunne vurdere
mulige klimaendringer.
Klimamodeller -globale scenarier
Klimamodeller er svært
omfattende datamaskinprogrammer som bygger på fysiske lover for atmosfære,
hav, jordoverflate og havis. Modellene er globale og beregner tilstanden
i luft og hav time for time, dag for dag og år for år fra en gitt
utgangstilstand og mange år fram i tid. Klimaet i modellene forandres
ved at strålingsforholdene endres (gjerne kalt et strålingspådriv målt
i W/m2 ).
Når det gjelder beregningen av menneskeskapte
klimaendringer, er de viktigste pådrivene gitt ved endring av
klimagasser og partikler (aerosoler) i lufta. Modellene kan på ingen måte
varsle været for bestemte dager flere år og framover, men dette er
ikke til hinder for at den statistiske fordelingen av ulike værtyper,
altså klimaet, kan beregnes ved ulike scenarier for endringer i atmosfærens
innhold av klimagasser og aerosoler. Å vurdere hvor gode slike
scenarier for klimautviklingen blir er også en del av klimaforskningen,
men de kan aldri bli så gode at det ikke er rom for tvil om deres
riktighet. Det finnes to store klimasentra i Europa som anvender slike
globale klimamodeller som kopler atmosfære, hav og havis:
Hadleysenteret (HC) i England og Max Planck-instituttet MPI) i Tyskland.
Tilsvarende sentra finnes også i USA. Begge sentrene starter sine
simuleringer fra det man vet om atmosfærens innhold av klimagasser i
1860, og beregningene bruker scenarier for klimagasser og partikler i
atmosfæren, gjerne fram til år 2050 eller 2100. Scenariene for endring
i klimagasser og partikler utarbeides av eksperter i forståelse med
IPCC -FNs klimapanel.
Økningen i gassene gir et strålingspådriv
som i dag er beregnet til ca 2.3 W/m2 i middel over jordkloden i forhold
til førindustriell tid. Utviklingen videre framover for de neste 50 og
100 år er blant annet beregnet ved MPI og HC for ulike scenarier av
klimagasser og partikler. Resultatene viser en global oppvarming, ca tre
grader over hundre år i HC-modellen og ca to grader i MPI-modellen.
Slike globale scenarier danner utgangspunktet for å beregne mulige
klimaendringer i utvalgte regioner, som er en viktig oppgave for RegClim.
Denne kurven viser det beste
anslag av hvordan den 50-årsmidlede temperaturen på nordlige
halvkule har utviklet seg gjennom millenniet 1000-2000.
Temperaturkurven er gitt som avvik fra gjennomsnittstemperatur
for perioden 1961-1990 (C). Kurven er en rekonstruksjon av
instrumentdata fra det siste århundret satt sammen med
indirekte data treringer osv.) for de foregående 900 år.
Tallenes usikkerhet øker betydelig bakover i tiden, men
usikkerhetsanslag viser at den høye temperaturen mot slutten av
det 20. århundret er godt utenfor usikkerhetsområdet for
kurven gjennom hele millenniet. 1998 var overveiende sannsynlig
millenniets varmeste år. Annual from Mann et al. (1999) Geophys.
Res Lett 26, 759. |
Observert og beregnet
endring i global middel-temperatur nær jordoverflaten med
forskjellige scenarier av strålingspådriv; bare
drivhusgasser (GHG), med drivhusgasser justert med den direkte
effekten av aerosoler (GSD) og drivhusgasser justert med både
den direkte og indirekte effekten av aerosoler (GSDIO).
Endringene er i forhold til observert middeltemperatur for
perioden 1860 til 1900 og en kontrollberegning som ikke har
variasjon i strålingspådrivene.
|
|