Klimaet, er den gennemsnitlige tilstand for en atmosfære, herunder temperatur, fugtighed, vind og så videre. Klimaet beskriver hele planeten. Dette er en vigtig skelnen fra vejret, hvilket er tilstanden af en atmosfære på et givent tidspunkt og sted. Undersøgelse af klimaændringer på Jorden og på Mars, er ikke ny for et 21. århundrede. Forskere fra det 19. århundrede, fandt beviser for tidligere istider og vidste, at Jordens klima var meget forskelligt fra i dag, på tidligere tidspunkter i dens historie. De spekulerede på, og Mars også havde istider i dens historie.
Forskere forstår stadig ikke alle de astronomiske, geologiske, og på Jorden, biologiske mekanismer, der styrer klimaændrende temperatursvingninger på planeterne. Astronomiske mekanismer kan omfatte ændringer i Solens energiproduktion, der er steget med dens alder, eller ændringer i det galaktiske miljø, under Solens rejse i sit kredsløb omkring centrum af Mælkevejen. Forskere har antydet, at sporadiske udbrud af gammastråler, eller kosmiske stråler (hurtige protoner) fra fjerne eksploderende stjerner, kunne interagere med planetariske atmosfærer. Disse mekanismer, vil på samme tid påvirke alle planeterne i Solsystemet. Andre astronomiske mekanismer, der er mere specifikke for hver enkelt planet, omfatter Milankovitch-cyklusserne, der er opkaldt efter geofysikeren Milutin Milanković (1879-1958). Disse omfatter små cykliske ændringer af excentricitet, præcession eller hældning af en planets kredsløb, eller af hældningen på dens rotationsakse.
Hvis du husker fra afsnit 2.3, varierer hældningen (skævheden) af Jordens akse lid, fra 22,1º til 24,5º, og at Jordens relativt store Måne, forhindrer hældningen i af ændre sig mere end dette. I modsætning hertil er Mars’ måner små, og forstyrrelser fra Jupiters tyngdeindflydelse, er en større faktor på Mars. Hældningen af Mars’ akse, antages at variere fra 13º til 40º, eller muligvis mere. I betragtning af Mars’ præcession og dens mere excentriske kredsløb, der skaber forskelle i årstidslængden mellem sin nordlige og sydlige halvkugle, har Mars muligvis haft meget store svingninger i sit klima gennem hele sin historie, som hældningen ændrede sig (se figur 8.20).
En planets geologiske mekanismer, kan også påvirke klimaet. Tænk på vulkanudbrud, der kan producere støv, aerosolpartikler, skyer eller tåge, som globalt blokerer sollys og sænker temperaturen. Nedslag fra store objekter, kan opsende store mængder sollysblokerende partikler. Tektonisk aktivitet kan også påvirke klimaet. For eksempel på Jorden, hvor skiftet af pladerne, har ført til forskellige geometrier af oceanerne og kontinenterne, som påvirker de globale atmosfæriske og oceanariske kredsløb. Albedo for en planet kan stige, hvis der er flere skyer og mere is. Ændringer kan også opstå, som følge af variationer i kulstofcyklusserne. På Jorden, kan langsigtede interaktioner mellem oceanerne, landmasserne og atmosfæren, påvirke niveauerne af drivhusgasser som kuldioxid og vanddamp.
Et tredje sæt mekanismer, der udløser klimaændringer, er biologiske. Husk tilbage på afsnit 8.3, at for over en milliard år siden på Jorden, fjernede fotosyntese hos bakterier og senere planter, kuldioxid fra atmosfæren og erstattede det med oxygen. Biologisk (og geologisk) aktivitet på Jorden, kan danne metan, en stærk drivhusgas. Visse mikroorganismer producerer metan, som et metabolisk biprodukt. For eksempel består de bobler du ser stige til overfladen på en stillestående dam – såkaldt sumpgas – af biologisk produceret metan. Metan, produceres også i tarmene på græsædende pattedyr som husdyr (og tidligere fra nogle af de store dinosaurer). En anden biologisk effekt på klimaet kunne komme fra fytoplankton. Hvis oceanerne får mere solenergi og opvarmes af en af de astronomiske mekanismer, vokser fytoplanktonet i oceanerne hurtigere, hvilket fører til mere aerosolfrigivelse og mere skydannelse, hvilket øger Jordens albedo. Endelig kan menneskelig aktivitet udløse nogle større ændringer, som beskrevet i næste afsnit.
Kort sagt, kan mange faktorer påvirke temperaturen på en planet. Jordens klima, er det mest komplicerede af de indre planeters, fordi Jorden er den mest geologisk og biologisk aktive. Hvordan sorterer forskerne i alle disse faktorer? De bruger den videnskabelige metode. Forskerne skaber matematiske modeller, for at simulere den generelle cirkulation og energibalance på en planet, en model som omfatter alle de relevante faktorer. Målet er at skabe en global klimamodel, der gengiver de empiriske data for observationerne af en planet. Når modellen korrekt forudsiger tidligere og nuværende klima, så kan den bruges til at forudsige det fremtidige klima. De første enkle klimamodeller for Jorden, blev kørt på de tidligste computere i 1950’erne og 1960’erne. Et sæt modeller udviklet på NASAs Goddard Institute for Space Studies i 1970’erne, var et spinoff af et program, der oprindeligt var designet til undersøgelse af Venus. Indsigten fra komparativ planetologi er meget vigtig, for at kunne fremstille bedre modeller, som vil hjælpe videnskaben med forudsigelser af klimaforandringer på Jorden.
Klimaændringer på Jorden
Paleoklimatologi, er undersøgelsen af ændringer i Jordens klima, gennem hele dens historie. Forskere bruger beviser fra geologi og palæontologi, så som sedimenter, is-kerner, klipper, træringe, koraller, skaller og fossiler, for at få informationer om Jordens tidligere klima. De har konstateret, at Jordens klima har lange temperaturcyklusser, nogle varende hundredtusinder af år og nogle titusinder perioder, der giver kortere kolde perioder, kaldet istider (se figur 8.21). Disse svingninger i den gennemsnitlige globale temperatur, er langt mindre end typiske geografiske eller årstidsmæssige temperaturvariationer. Men Jordens atmosfære er så følsom over for selv små temperaturændringer, at det kun kræver et fald på kun et par grader i den gennemsnitlige temperatur, for at nedsænke hele planetens klima i en istid.
Forskere mener, at periodiske Milankovitch-cyklusændringer i Jordens kredsløb, svarer til nogle temperaturcyklusser. Jordens hældning varierer i cyklusser på 41.000 år. Jordens kredsløbsexcentricitet varierer i cyklusser på cirka 100.000 år og 400.000 år, og årstiden hvor Jorden er tættest Solen, varierer i cyklusser på omkring 21.000 år (se figur 8.22). Temperaturændringer, der ikke er periodiske, kan være udløst internt af vulkanudbrud, eller langsigtede interaktioner mellem Jordens oceaner og dens atmosfære, eller andre faktorer der allerede er nævnt. Globale klimamodeller, som bruger disse cyklusser, har succesfuldt gentaget mange af de observerede palæontologiske data.
Hvis Jordens klima har ændret sig naturligt, i det meste af dens historie, hvorfor så bekymre sig om global opvarmning nu? Figur 8.21 viser kuldioxidniveauerne, metanniveauerne og temperaturen i Jordens atmosfære, igennem de sidste 800.000 år. Bemærk, at disse tre faktorer er korrelerede. Når niveauet på den ene stiger, stiger de øvrige også. Disse data, viser de naturligt forekommende niveauer, før de første mennesker. Temperaturforskellen mellem istid og mellemistidsperioderne er kun 10-15 ºC.
For nylig, er der sket to vigtige ændringer på Jorden i løbet af de seneste 150 år. For det første, førte den industrielle revolution til en stigning i produktionen af drivhusgasser, især fra afbrænding af fossile brændstoffer, der frigiver kuldioxid til atmosfæren. Svante Arrhenius (1859-1927), en nobelprisvindende kemiker, opstillede allerede i 1896 beregninger, der viste at CO2 frigjort fra afbrænding af fossile brændstoffer, kunne øge drivhuseffekten og dermed øge Jordens overfladetemperatur. Den anden ændring, har været den hurtige vækst i den menneskelige befolkning. En større befolkning, resulterer i mere afbrænding af skove for at rydde jord til landbrug, hvorved de fotosyntetiserende planter fjernes, og CO2 udslippet øges. En større befolkning, betyder mere landbrugsjord, der frigiver nitrogenoxid, flere husdyr som frigiver metan, og flere mennesker der frigiver mere CO2 ved forbrænding af fossile brændstoffer. Dataene viser, at atmosfærens indhold af disse tre drivhusgasser er steget, siden den industrielle revolution (se figur 8.23). CO2 niveauet er steget, og er højere end nogen af niveauerne i figur 8.21. Figur 8.24 viser også, at der samtidig har været en stabil stigning i den gennemsnitlige globale temperarur.
Det store flertal af klimatologer accepterer computermodellerne, der tyder på, at denne tendens repræsenterer starten på en langsigtet temperaturændring, som følge af opbygningen af menneskeskabte drivhusgasser. Selv en gennemsnitlig stigning på nogle få grader kan i høj grad påvirke Jorden, og nogle effekter er allerede blevet observeret. Jordens atmosfære er en delikat afbalanceret mekanisme. Jordens klima er et komplekst og kaotisk system, hvor små ændringer kan give enorme og ofte uventede resultater. For at tilføje yderligere til kompleksiteten, er Jordens klima tæt forbundet med havtemperaturen og havstrømmene. Havstrømmene er afgørende for transport af energi fra en del af Jorden til en anden, og det er usikkert, hvordan øgede temperaturer kan påvirke disse systemer. Varmere oceaner fordamper hurtigere, hvilket fører til varmere luft, hvilket kan betyde mere intense sommer- og vinteruvejr (herunder mere sne). Vi ser eksempler på denne forbindelse i de periodiske El Niño og La Niña forhold, hvor små skift i havtemperaturen, forårsager meget store ændringer i lufttemperatur og nedbørsmængder. Nylige undersøgelser tyder på, at ændringerne i strømningen af Golfstrømmen i Nordatlanten, har meget store indvirkninger på klimaet i Nordamerika og Nordeuropa – og at disse ændringer måske ikke sker over århundreder, men inden for blot et par årtier.
Klimaændringer påvirker, hvor planter og dyr kan leve, og dermed datoer og steder for forplantning, dvaletilstand også videre. Landbrugsårstider og bestøvning påvirkes også, ligesom tilgængeligheden af ferskvand. Afsmeltning af bjerggletschere og polar havis på grund af temperaturforøgelse, er allerede observeret. Smeltet is fra Grønland og Antarktis vi øge havniveauet – et alvorligt problem for det store antal mennesker der bor i kystområder eller i lavtliggende områder. En varmere Arktis, kan føre til en større frigivelse af metal fra permafrosten. Mindre is og sne, kan reducere Jordens albedo, hvilket gør det muligt for mere sollys af nå overfladen (selvom albedo kan øges ved en stigning i skydækket, forårsaget af mere vand i atmosfæren).
Processerne er så komplekse, at det stadig ikke er muligt nejagtigt af forudsige det langsigtede resultat af de små ændringer, som mennesket nu laver i sammensætningen af Jordens atmosfære. I en reel forstand, eksperimenterer vi med atmosfæren på Jorden. Vi stiller spørgsmålet: ”Hvad sker der med Jordens klima, hvis vi støt øger antallet af drivhusgasmolekyler i atmosfæren?”. Vi kender endnu ikke det fulde svar, men vi ser allerede nu, nogle af konsekvenserne.