NATURLIGE KLIMAVARIASIONER (III)

Transkript

1 NATUREN NR NATURLGE KLMAVARASONER () Dynamisk frstaelse av klimaendringene ]AN MANGERUD Frrige artikkel mtalte smd frandringer i jrdas bane g stilling sm gir en mfr deling aa slinnstrfringen mellm drstider g mellm breddeyader. Dette gir stre reginale anriasjner aer tid, f.eks. aarierer smmer-innstrfringen pd adre breddegrader med pp til Z0 %. Likeael er den frrlige middelinnstrfrling til hele jrda nesten knstant, den aarierer med mindr enn 0,L %. En skulle derfr fraente at drsmiddeltemperaturen fr hele jrda gsfr aar knstant. Sik er det imidlertid ikke, Fr siste istids msksirnum aiser de nyeste beregninger at den glbale drsmiddeltemperatur aar 3,5 til 5"C knlderenn idag. Dette betyr at det t'innes interne t'rsterkningsmekanismer i klimasystemet sm utlases aa frrstidsaariasjner (ftgur 1.). En knn gjerne si at liten tue aelter et strt lass. lan Mangerud er fsdt i7937 g er prfessr i kvartargelgi ved Universitetet i Bergen. Han har vert gjestefrsker ved universitetene i Stckhlm, Minnesta g Clrad, g er innvalgt sm medlem i Det eurpeiske vitenskapsakademi. Hans viktigste frskningsfelt er frlpet av istidene i Nrge, Svalbard g Grnland. Vi kjenner idag Arsaken til de stre klimaendringene, g vi kjenner virkningen pa jrda, m enn ufullstendig. Dette gir en helt unik mulighet til A identifisere g kvantifisere de prsesser sm virker ved langsiktige klimaendringer. Dette er vi imidlertid ikke i stand til A gjre tilfredsstillende idag, frst g fremst frdi vi ikke kan beskrive utviklingen pa jrda presist nk. praksis er det den siste interglasiale/glasiale syklus (de siste Ar) sm gir best mulighet fr A lsse prblemene, ganske enkelt frdi denne kan underskes i strst detalj. Mye frskning knsentreres gsa na fr A beskrive denne syklus ver hele jrda, men det er langt fuam. Dette er tidkrevende frskning, g vi mangler til dels dateringsmetder fr sedimenter i mange avsetningsmiljer. Vi skal i det flgende gi nen eksempler pa invlverte prsesser g tidsserier av parametre sm kan si ne m hvrdan klimasystemet reagerer. DRVHUSGASSENE C]ENNOM SSTE STD Sn akkumuleres hvert Ar pa de zvre deler av breene. NAr snsen blir tykk nk, mdannes den til is. Ved bunnen av snlaget skjer det altsi en kntinuerlig mdannelse av sn til is. snen kan luft sirkulere i prene mellm snkrnene, mens isen er helt luft-tett. Ved mdannelse av sn til is fanges derfr r57

2 TAN MANGER.D :x, -t,\rs- Klimasystem / // \\xs]' - VRKNNG Atmsl re '/yi,'yiif Ytre drivkrefter _ - ^^t^.-at:^^ JUrJ U dilr lg nre respns i systemet Klimavariaslner ver tid, pa vare breddegrader Figur 1. En illustrasjn aa haa sm skjer ued klimaendringer p.g.a. frandringer i innstrfrling. Vi kan betrakte klimasystemet sm en kmplisert maskin. Kraften sm driaer maskinen er slstrfrlingen, g pd haer breddegrad aarierer denne ne zser tid; dette er her antydet med de smd kuraer til uenstre. Prduktet sm kmmer ut aa maskinen er klimauariasjner aer tid. Maskinen - den indre respns i klimasystemet - har t'rsterket ariasjnene til saere amplituder pd udre breddegrader. luft i sma blerer i isen. Dette blir derved en naturlig prvetaking g ppbevaring av luft fra atmsf ren. Ved Vstk-stasjnen i Antarktis har svjetiske frskere bret gjennm mer enn 2000 m is, g derved fatt en prveserie av is g luftblerer sm representerer de siste ca figur 2 er variasjnene i COz i atmsferen vist i verste kurve. Vi ser at i siste mellmistid g i etteristiden er verdiene ppe i 280 ppm, altsa vanlige preindustrielle verdier, mens det i siste istid var mye lavere CO2 innhld i atmsferen, helt nede i 180 ppm. Nedre kurve pa figur 2 viser en temperaturkurve fr Vstkstasjnen, beregnet fra hydrgen-istpen deuterium. Alderen pa den eldste isen er darlig kjent frdi isen ikke kan dateres g alderen er derfr beregnet fra mdeller av akkumulasjn g isbevegelse. De fleste frskere mener at estimatene gir litt fr hye aldre. Kurven viser at CO2 svinger synkrnt med temperaturen: Nir det er varmt er det mye CO2, nar det er kaldt er det lite, g svingningene er i hvedsak parallelle med variasjnene av is pa jrda. Det meste av CO2-fluktuasjnene skyldes irlig prsesser i havet, eller utvekslingen av CO2 mellm atmsferen g havet. Ne av variasjnene skyldes at det var mye mindre skg under istiden. Det viktige punktet i fsrste mgang er at det ma finnes prsesser pa jrda sm reagerer pa irstidsvariasjnene ("Milankvitch") g endrer CO2-kretslpet ph en siik mate at CO2 blir en frsterknings-mekanisme fr klimaendringene. Ved bruk av generelle sirkulasjnsmdeller fr atmsferen (GCM) er det beregnet at frskjellen i CO2 kan frklare 1,2'C av amplituden mellm istid g mellmistid. Hvis de samme prsesser virker ved en fremtidig temperatur-stigning pa grunn av vflre utslipp av drivhusgasser, kan vi frvente at drivshuseffekten gsa blir en selvfrsterkende effekt. frhld til pre- 158

3 NATURLGE KLMAVARASJONER E 0 c _.J. E ) 6 E 't Q r 420 s -440 <D E -460 ': 5,qs cz - Tem Alder i ar-tusen Figur 2. Nen resultater t'ra bringene gjennm isen pfr Vstk stasjn i Antarktis. Pfr hrisntalsknlaen er nfrtiden til uenstre, g siste uarme mellmistid plttet mkring til frr. Aerste kurae uiser uariasjnene i CO2, med skala gitt pfr hyre side. Fr nederste kurue gjelder sknlaene pfi uenstre side. Denne aiser egentlig innhldet aa deuterium, men dette gjenspeiler lut't-temperaturen pfr stedet, g aiser at det pfr det kaldeste under siste istid aar L0'C knldere enn idag. Etter Barnla med flere (1987). industrielle frhld, vil mer CO2 avgis fra havet til atmsferen, g derved vedlikehlde et hyere niva i atmsferen. En annen klimagass sm er pavist i luftblerene fra Vstk er metan. Den varierer parallelt med CO2, gutgar derved en annen frsterkningsmekanisme fr klimaendringer. Arsaken til svingningene i metan ligger imidlertid pa kntinentene, serlig i myrer g permafrstmrader. amplituden mellm istid g mellmistidutgsr metan antagelig mindre enn en grad. 200 BREVARASJONER sbreene reagerer primert pa klimavariasjner. Breene er j i seg selv et resultat av kaldt klima, nemlig at det snr mer m vinteren enn det smelter m smmeren. Brevariasjnene virker imidlertid tilbake pa kli maet, sa mellm breer g atmsfaren er det fl ere vekselvirkninger. Hvite flater reflekterer mer varmestriler - enn mrke flater; de har hayere albed' Ar med kalde sfire (eller med mye sn m vinteren) vil snsen ligge lenger enn i et varmt Ar. Derved ker albeden; mer varmestraler reflekteres til verdensrmmet/ g smmeren blir enda kaldere. Dette er en viktig frsterkningsmekanisme, g Milankvitch antk at det var denne sm frarsaket de stre amplituder i istidene. SA enkelt er det Apenbart ikke, men effekten er hkevel meget viktig. De stre sn- g isdekte flatene reflekterte mye av innstralingen p& hye breddegrader pa den nrdlige halvkule under siste istids maksimum (se figur 3 i fsrste artikkel). Dette bidr til senkningen av den glbale Arsmiddel-temperatur. Beregninger med generelle sirkulasjnsmdeller har imidlertid vist at dette vil influere lite pa den sydlige halvkule. Hvis kning av albed var eneste mekanisme, skulle derfr den sydlige halvkule ikke vert sarlig nedkjlt, frdi isarealet ikke akte tilsvarende der- Klimavariasjnene var imidlertid verraskende parallele pfl begge halvkuler' nnlandsiser, sm pa Grnland idag, pavirker de stre sirkulasjnsmsnstre i atmsferen ved at det dannes nesten Permanente hytrykk ver breen. Ved sin stre hyde gsr de gsa at det meste av nedbarenkmmer sm sn. Mdellberegninger viser at hvis innlandsisen pa Grnland fsrst smeltet brt, sa ville den ikke dannes igjen i det klimaet vi har idag. Dens eksistens skyldes altsa at den pivirker klimaet til frdel fr seg selv. Stre breer er gsa tpgrafiske barrierer hvr vind Presses ver eller rundt, pa samme mate sm ved fjell. Brevariasjner ma kartlegges i tid g rm hvis en i framtiden skal mdellere klimautviklingen gjennm siste istid pa en tilfredsstillende mate. Et kardinalprblem fr gelgene er at breene under siste istids maksimum, fr ca Ar siden, erderte (fjernet) det meste av eldre avsetninger' Fr 159

4 ]AN MANCERLD strstedelen av siste istid, nemlig de Ar sm ligger far det siste is-maksimum, ma en altsa iete med lys g lykte fr A finne avsetninger sm verlevde ersjnen, g sm derved kan gi infrmasjn m utviklingen fr siste ismaksimum. Vi skal her mtale Skandinavia sm eksempel, delvis frdi dette er en naturlig arbeidsmark fr nrske frskere. Figur 3 gir en kurve sm viser status av v&r kunnskap. En rekke av de bservasjner sm kurven bygger pi lar seg imidlertid ikke datere idag. De gitte aldre er derfr til dels utledet fra usikre krrelasjner med dyphavet, eiler Sentral-Eurpa. Kurven viser derfr en frelpigsyntese, g nye dateringer vil kunne endre tlkningene. Nye bservasjner vil helt sikkert gi et langt mer nyansert bilde av.g ;.c. Vest Lang- fjellene ntinental-,. KYslen skkel Yngre Dryas \... :::. l.,' :. c ' > ): 6 6 -l i : :.:..=. r " -. :. J c... ^ c., : Tilbakdtrekking-::=-':,!_,.,.. :...:...::. : \-.,.<- Framrykking C.E j - E c rn -'t 0) ).; 3 c.g a = 4 ; 5a 5b -)< F Ost Syd >_ } Fiellene 'il.ni;;;" i -. Finland " ^^^l. :l Danmark _ r,,,91r9!rr-,n ' 1,.,,f,...,.,.,,,,',,,...,..,,.. :..,.t...-.'...'...lll...:..,",',',':',',,,,',,,:.,,,,:',,, i l,.,,::,,,:':,i,,:::,:,:,i,,i:i,.,:,,,,,,,.,,,,,,,,,,,,,,,,,-,,,,,i* t l,,.,,,''.,.,.,..,. '.,,,.,.1.. :: ;. ;,:.:; ;.,. :: :::..::.:::.: :i 40 cl :.: ::,:' ::.::.;.:l,.,'.,,:::: :.: : ','..:::::l,,..,,::.,'.,.,..1 : : : : l 60l:.,,.,...,.., ---l, : :: ::::l ',1 70 l Framrykking ;t,f f ::--:-r \ 90 0l. l. : ) 3 F ; 5d 00 00l tff,-::---.- ',,0 [t: t.,i',.. i..,,,,,..,. ] i Siste mellm-istid E t! 5e Varmere enn i dag Figur 3. Et diagram smaiser hrdan t'rnten aa innlandsisen uer Skandinaaiafluktuerte under siste istid. Vertikalskalaen er en tidsskala med frr nederst. Det er pfr denne skalnen gsfr gitt naun pfi nen gelgiske perider: Eem er siste mellmistid, Weichsel er siste istid g Hlcen er etteristiden' Hrisntalskalaen er aastand t'ra fjellkjeden mt aest til enstre side aa diagrammet, g mt sst pfi hyre del Kuren til uenstre uiser hrdan bret'rnten rykket.fram g tilbake mellm Langt'jellene g kysten. Det skrauerte uiser altsfr perider da mrfidet uar dekket aa is. Tilsuarende uiser kuraen til hyre hurdan breen akste ut fra t'jellene g dekket Suerige g Finland, g fr ca frr siden nfrdde helt ned til Danmark. Frenklet etter Mangerud (1990). 160

5 NATURLGE KLMAVARASONER glasiasjnsfrlpet enn den enkle reknstruksjn vi kan $are tdag. Figur 3 viser at det var en rekke stre breframstst gjennm siste istid. Lkaliteter i Gudbrandsdalen g N-Sverige viser at sentrale deler av Skandinavia var nesten helt isfrie mellm de frste breframsttene, men klimaet var likevel kjligere enn idag. Vestlandskysten var gsa isfri flere ganger senere, men vi vet ikke hvr langt inn i landet brefrnten trakk seg, eller hvr langt utenfr kysten de enkelte breframstst rakk' HAVET Havet utgsar et av de viktigste elementer i klimasystemet, g skal vi frst& klimaendringer ma vi frsta samspillet mellm atmsferen g havet. brkjerner fra havbunnen kan en ppn5 lengre kntinuerlige tidsserier av paleklimatiske data enn fra de fleste miljer pa land. Tidspplsningen er imidlertid darligere frdi avsetningen er langsm, g gravende dyr blander lag av frskjellig alder. Sammensetningen av levende planktn avhenger av verflatevannets temperatur g salthldighet, g denne krrelasjn er matematisk beskrevet. Sammensetningen av fssile planktn nedver i brkjernene kan derved.,versettes> til temperaturer g salthldighet ved hjelp av de nevnte frmler. Vi har i fsrste artikkel (figu.5) vist et temperaturkart fr Atlanteren under siste istids maksimum knstruert ved slike teknikker. Her skal vi gi et eksempel pa tidsserier. P& figur 4 er det sverst et kart sm viser lkaliseringen av en del kjerner fra Nrd- Atlanteren. PA nedre del av figuren er kjernene plassert etter hverandre fra nrd til syd. Kurvene viser hvrdan hawannets verflate-temperatur m vinteren har variert gjennm de siste Ar. Vi ser at i den nrdligste kjernen (VZ3-42) er temperaturen idagt-8"c. PA dette stedet var det mtrent samme temperatur i siste mellmistid fr ca Ar siden, men her var dette en krt varm peride. det meste av den mellmliggende tiden (altsa siste istid) var temperaturen bare '1.-2'C. GAr vi sydver til kjerne K708-7 hldt vannet seg varmt lenge etter mellmistiden, g avkjlingen skjedde langsmmere. Hvis vi ser enda lenger syd, til kjerne K708-1, sa var det nesten "mellmistids-temperaturer> helt til fr Ar siden. Dette viser at klimaendringer ikke skjer sm en enkel temperaturendring i havet. Hele sirkulasjnsmnsteret, bade verflatestrmmer g dypvannsdannelsen endres, g derved hele varmemsetningen, bikjemiske prsesser, sv. SK]ER DET TRNNVS REORGANSERNG AV KLMASYSTEMET? Flere klimaendringer har skjedd sa raskt at de ma skyldes at nar visse terskelverdier passeres, sa "hpper klimaet> fra et niva til et annet. Her skal vi krt mtale slutten av siste istid, g diskutere irsaken, helt vesentlig etter de amerikanske frskerne Brecker g Dentn (1989,1.990). Vi skal frst fremheve 4 viktige bservasjner. 1. Klimaendringen skjer meget raskt, nermest sm et sprang, pa trss av at innstrfllingen endrer seg jevnt. Smmerinnstr5- lingen pa den NJige halvkule kte jevnt fra Ar til Ar fsr natid (figur 5, til hyre). De mindre breene i Alaska g Pa Vestkysten av USA (figut 5, til venstre) reagerte imidiertid ikke fr fr Ar siden, da de plutselig smeltet raskt tilbake. Tilsvarende ser vi at innlandsisen i N-Amerika behldt sin maksimale strrelse i periden fra til &r siden. Denne trakk seg langsmmere tilbake, men dette skyldes det sv re isvlumet sm matte smelte. Nyaktig det samme skjedde i N-Eurpa (figur 3). 2. Klimaendringen skjer tilsynelatende samtidig pi begge halvkuler. Midterste figur 5 viser at smi breer p& den sydlige halvkule 761

6 JAN MANGERUD Vintertemperatur i verflatevannet'c Nrd SYd v23-42 v27-20 K708-7 V K708-1 V V >{q--< t= t - : c 3 r.( >;- * f e E trn 150 a L i'j Figttr 4. Aaerst et knrt sm aiser lkaliseringen aa en del brkjerner t'ra Atlanteren. nedre t'igur er resultater t'ra de frskjel lige brkjernene uist mt en tidsakse. Det sm er t'remstilt er temperaturen ("C) i erflateaannet m ainteren, slik denne er beregnet t'ra sammensetningen au planktn. Kuruene uiser altsd hardan temperaturen har uariert de siste dr. Etter Ruddiman ,62

7 NATURLGE KLMAVARASTONER 300 km N - lige halvkule Skala lr Alaska 150 Brevariasjner S - lige halvkule Skala fr New Zealand 40 km SlinnstrAlig m smmeren *"*.gffi -.::... l0 > W..:?r',"""""' Tilbaketrekking / Framrykking 0 l ^l Skala fr vestkysten km Skala fr Chile 25 Kalrier pr. cmz pr. dag 1,000 Figur 5. Figuren til hyre iser at pfr den N-lige halakule kte innstrfrlingen 0m smmeren i periden t'ra dr til frr fr nfrtid, mens smmer-innstrfrlingen pfr den S-ige halakule minket. diagrammene i midten g til uenstrer det kuraer sm aiser hrdan brejrnten rykket'ramaer ndr breene kste, g trakk seg tilbake nfrr breene aatk. Diagrammetil aenstre aiser at breene pfi den N-ige halakule startet tilbaketrekkingen t'rsinket i frhld til krtingen i innstrfrling. Diagrammet i midten uiser at breene pfr den S-lige halakule reagerte i t'ase med de pfr den N)ige, g altsfr mtsatt aa innstrdlingen pfr den SJige halkule. Pfr begge hnlakuler skjedde tilbaketrekkingen, altsfr den glbale klimaendring, nesten sm et sprang like etter Denne alderen er aist aed en dbbeltlinje gjennm alle diagrammer. Etter Brecker g Dentn (1989 s 1990). gsa trakk seg raskt tilbake like etter Fr, pa trss av at smmerinnstralingen pa den S-lige halvkule avtk i dette tidsrmmet (figr 5, trlhyre) (p.s.a presesjnen sm er beskrevet i artikkel 2).Det er altsa ikke bare den direkte innstr&lingen sm pavirker smeltingen av breene. Det ma v re en mekanisme sm gjr at ppvarmingen blir glbal, g sm pi den S-lige halvkule,,verdsver,, den avtagende smmer-innstraling. 3. Det skjer dramatiske endringer i mange miljer samtidig. Figur 2 viser at b&de CO2- innhldet i atmsferen g luft-temperaturen i Antarktis gjr "et hpp" fr mkring i4 000 Ar siden, g figur 4 viser lignende endringer fr verflatetemperaturen i N- Atlanteren. Dette er sammenfattet i figur Amplituden i dette <hppet> er fr strt i frhld til den ytre drivkraften (figur 1). Brecker har argumentert fr en mekanisme sm kpler atmsfere g hav, g sm kan frklare i alle fall deler av de gitte bservasjner. Det skjer idag en nett transprt av vanndamp gjennm atmsferen fra Atlanterhavet til Stillehavet, delvis ver Mellm-Amerika, g delvis ver Eurasia. Det betyr at salt "legges igjen" i Atlanterhavet. Siden Atlanteren ikke er vesentlig saltere enn Stillehavet, ma denne ubalanse kmpenseres ved havstrsmmer. N-Atlanteren dannes det tungt havvann ved nevnte frdampning g i tillegg nedkjling. Sm en flge av disse prsesser avgir havet en varmemengde sm tilsvarer 30 % av ttal innstr&ling til N-Atlanteren. Det meste av denne varmen transprteres gstver med vind, g dette frklarer de milde vintrene hs ss g i resten av V-Eurpa idag. Det tunge, salte vannet synker ned g danner en dyp havstrm fra Atlanteren til Stillehavet g Det indiske hav (figur 7). Denne strsmmen fungerer sm et <transprtband" fr salt. Overflatestrsmmen sm returnerer til Atlanteren er mindre salt, g 763

8 JAN MANCERUD - l+ >l s l _cl l >l -l > l (l -l l + l : l -l Y Prduksjn av dyp-vann 10 Ar - tusen CO2 i atmsferen Figur 6. Et idemessig diagram sm aiser uariasjn aa endel egenskaper uer tid. Legg merke til at nen egenskaper reagerer spntant g med t'ull amplitude aed 14000, mens det fr andre tar ne tid d t'ullfre endringen, sela m de starter samtidig. Etter Brecker g Dentn (1990). derved kmpenseres den ubalansen i salt sm blir mtait ver. Undersskelser av kjerner fra dyphavet viser at dette transprtbandet var mye sva- kere under istiden, kanskje var det helt slitt av under glasiasjnsmaksimum fr Ar siden. Denne mekanismen blir derved en ikke-lineer kpling mellm atmsfere g hav: Det blir sm A skru av g pa en sver maskin med en liten bryter. Brecker g Dentn frklarer den plutselige klimafrbedringen fr Ar siden ved at transprtbandet ble skrudd pa igjen. Havsirkulasjnen er meget viktig fr jrdas varmebudsjett, sm vist ved eksemplet m N-Atlanteren. Havsirkulasjnen er gsfl viktig fr CO2-innhldet i atmsfaren. Den mtalte mekanisme kan derfr frklare mye av de beskrevne endringer i kiimasystemet, men ikke alle. Det er heller ikke klart hva sm utlser mleggingen, altsa hva sm er "bryteren til maskinen". Brecker stiller sprsmalet m en fremtidig jevn kning i CO2 i atmsferen vil utlase et nytt sprang i denne kplingen, til en stabil situasjn sm ikke kan frutsies. FigurT. Kart sm aiser dyphaastrm ("transprtbdnd") au saltaann, g de mindre salte returstrmmene i uerflaten. Etter Brecker g Dentn (1989). Varmetransprt lra hav til luft ;--:a t 764