NATURLIGE KLIMAVAruAS]ONER (II)

Transkript

1 NATUREN NR NATURLGE KLMAVAruAS]ONER () Arsakene til istider og mellomistider TAN MANCERUD Arsakene til de sa&re klimauekslingene mellom istider og mellomistider hnr uert et brennende sporsmdl helt fra teorien om istidene ble lansert for ouer 150 dr siden, og hypotesene har uart mange. Fsrst de siste ti-dr har det skiedd et gjennombrudd i forskningen, slik at drsnkene nd kan sies d a&re kient. De ytre driakreftener oaerraskende smd, men indre t'orsterkningsmekanismer i klimnsystemet forstlrrer de sntd signaler til suxre klimnforandringer. Figur 1. lordens bane aarierer mellom d aare nesten en str' kel og en mer flatklemt ellipse. Flatklemmingen er her sterkt oaerdreuet, egentlig er aaaiket fra en sirkel suert lite. Klimavariasjonene som gir istider og mellomistider skyldes tre kvasiperiodiske variasjoner i jordas bane og akse, som vi her skal beskrive. Disse variasjonene skyldes igjen virkningen av tyngdekraften mellom de forskjellige planeter og miner i solsystemet. Teorien om at disse variasjonene forarsaker periodiske istider oppkalles ofte etter Millan Mangerud er feidt i 1937 og er professor i kvartergeologi ved Universitetet i Bergen. Han har vert gjesteforsker ved universitetene i Stockholm, Minnesota og Colorado, og er innvalgt som medlem i Det europeiske vitenskapsakademi. Hans viktigste forskningsfelt er forlopet av istidene i Norge, Svalbard og; Cronland. l _ 115

2 AN MANCERUD utin Milankovitch, en jugoslavisk astronom som beregnet disse variasjonene i Arene 7910_40, og hevdet at de var Arsaken til istidene. Deler av teorien er imidlertid mye eldre enn Milankovitch selv, og den omtales like ofte som den astronomiske teori for klimaendringer. Allerede midt i forrige drhundre ble dette foreslatt som Arsak til istidene. Mer presise beregninger av iordbane variasjonene er de senere Ar utfort pa store datamaskiner, og de tall og kurver som refereres her er beregnet av den belgiske forsker Andr6 Berger. JORDBANENS FORM Som kjent er jordbanen en ellipse, men denne formen varierer over tid fra nesten sirkel til en noe mer flatklemt ellipse, se figur 1. Variasjone r falger sykler pa Ar og ir, se figur 5. Dette gir en forskjell i soiinnstrilingen til jorda pa mindre enn 0,1 Vo, noe som narmest er neglisjerbart' Det er verdt A merke seg at dette er den eneste forskjell i totalinnstraiingen til atmosferen. Den virkelige drivkraften til istider/mellomistider er derfor bare en omfordeling av innstrilingen mellom Arstider og mellom breddegrader, som omtales under. De dramatiske klimaendringer mellom istider og mellomistider skjer altsa pa tross av at den Arlige varmeinnstrilingen til jordas atmosfere er ner konstant. Mellomistidene, som var egen tid, falger denne rs rytmen (Se figur 2 tfarste del), men det er fremdeles et mysterium hvorfor, da denne syklus gir meget sma variasjoner i innstraling. ]ORDAKSENS HELNNC Jordas akse star pa skra i forhold til jordbanen, se figur 2. Dette er velkjent for oss nordmenn: Ved vintersolhverv (21. desember) peker nordpolen mest bort fra sola og vi far morke og korte dager. Den lave solinnstralingen gir oss ogsa kalde vintre' Vi ser fram til iuni, da nordpolen peker mot Figttr 2. En skisse au jordbanen som aiser betydningen ao at aksen stdr pd skrd (23,5"): Nordpolen peker bort t'ra solen mellom histjeunclogn 23. september og udrjeandogn 21. mars, noe som t'orer til ainter pd den nordlige halukule. Fra 21' mars til 23' september peker nordpolen -it sole, og dagene pd den nordlige halukul er lengre enn nettene, engst er de tted sommersolhuera 27. juni, og dette gir os sommer. Med en oertikal iordakse uille drstidene forsainne. Sommersolhverv 21. juni Vfrrjevndogn 21. mars l'.ct< \ El \-// )"4< i \: 1 l l > 1 \ l l 7rY^'r Vintersolhverv 2 1. desember Hostjevndogn 23. september 116

3 NATURLCE KLMAVARASTONER km ( - (:i i^._! \ lpters,f5g omo i Rana! Figur 3. Et kart som ztiser lrcordan polarsirkelen ztil t'orflytte seg nted jordaksenskrdning. Ndr aksen stdr mest rett ligger Ttolarsirkelen ited den stiplete lin je ued Moskenesoy (67,9"N), ued maksintalskrdning ligge rlen oed Bronnaysund (65,5"N). steinalderen, t'or dr siden d polarsirkelen ued 66", ued Kristi t'odsel aar den t'remdeles sor t'or Mo i Rana. mens tien nd igger ouer Saltt'jellet og beaeger seg nordoaer med en hastighet pd 14,4 m i dret. Polarsirkelstatta pd Sattt'jellet burde stri pd skinner og skyttesakte nordouet'! Om dr md en nord t'or Boda for d se midnattsola. Etter Mangerud (1g89). sola og gir oss sommervarme og lyse netter Hvis jordaksen hadde stdtt rett, ville det ikke vert Arstider, og det ville vert kaldt dret rundt pahaye breddegrader. Skrdningen pd aksen er imidlertid ikke konstant, den forandrer seg med en periodisitet pd Ar (figur 5). dag er den 23,5", og gir derved en sydgrense for midnattssol, 777

4 TAN MANGERUD polarsirkelen, pa 66,5"N' Vinkelen varlerer mellom 22,1 og24,5". Hva dette betyr for polarsirkelen i Nordland er forklart pa figur a Rent kvaiitativt er det lett i forsti betyclningen for klimaet nar jordaksen forandrer skriningsvinkel: Stsrre skraning pa aksen gjar atsola pa vdre breddegrader star enda hoyere pa himmelen om sommeren/ og sommeren blir varmere. Samtidig blir vinte- Figur 4. Figur c aiser hoordan drsticlene aandrerttnclt iordbanen. ldag er ui nermest sola 3' iantnr, altsd like etter uintersol' haertt 21. desember, mens ai har ainter pd den nordlige'\ sommer pd clen sydlige halakule ' Den nederste jordbanen i figttr c uiser at jorcln for dr siden ttar nermest sola i jtmi, noe som 8a uarme somre pd den nordlige hnlakule' Arsakene til at drstidene forflytter seg rtmdt iordbanen er uist i fgurene a 08 b' Figttr a uiser at iordaksen i tillegg til d rotere rtrndt seg serr, ogsd suingerundt i store sirkler, slik at t'orlengelsen a's aksen i lapet au dr beskriuer en t'ull sirkel i himmelrommet. Det fremgdr imicllertid ao lrgur c at drsticlen'e gdr helt rundt jorclbanen pd bare ca' dr' Dette skyldes at hele jordbane-ellipsen clleiertmdt (t'rgur b) i motsatt retning au aksens saingning' og komtner " jorda i mste" ' Dented befuaz,er ikke dtsticlene,i gd 360" t'or d uere tilbake i snmme punkt i jordbanen' Basert pd mbrie og mbrie 0979)' a) Presesjon, eller svingning av aksen Jordens akse ---Ekliptikken 20. mars 21. des. idag 22. sept. 21. des. b) Presesjon av ellipsen 21. juni 22. sept Ar siden. Posision for jorda 21. desember o Sola. l \-A-/ Sola.( )'> /:a_,ra \ \ l 118

5 NATURLGE KLMAVARASONER Eksentrisitet.o Jordaksens skraning 23" 220 SePt. Perihelion (jorda narmest sola) Juni Mars Des. nnstraling i juli, SePt watt pr.m2 s5o 60-70o N 5oo Ar tar 200, natid Figur 5. Diagramnter som uiser haordan de omtalte faktorer har oariert bakouer i tid. Ouersatt t'ra Cottey fi984). Horisontalskalaen har adr tid til hoyre og gdr dr bakouer i tid. Det suerste diagrammet uiser jordbanens t'orm: Eksentrisitet =0 er en sirkel, og aed ske nde aerdi blir det en mer flatklemt ellipse. Vi ser at det er en topp for haert dr. Siste drs syklus seesom en lnng bolge. lordaksensskrdningergittsomuinkelenmellomaksenogenuertikallinje.vi seratuinkelenidager23,5",ogatdenfor tiden aatar: lorden er i t'erd med d "rette seg opp>. Det er dr mellom ner topp- Perihelion er betegnelsen pd det punkt pd jordbanen som er narmest sola. dag er perihelion 3. januar, og t'alger ai kuruen bakoaer i ticl ser ai at perihelion har t'orflyttet seg bakooer gjennom dret, slik at den har t'alt i desember, nouember, oktober, osu Sammenlign med figur 4. Den nederste kuruen aiser huordan solinnstrdlingen i juli har uariert pd udre breddegrader som en t'olge aa alle t'aktorene. Vi ser at maksintalutslagene er cn. 100 watt pr. m2, eller ca 20 %. 779

6 ian MANGERUD ren morkere og kaldere. Det blir altsd stsrre forskjell mellom Arstidene, serlig pa hoye breddegrader. Utslaget er likt pi nordlige og sydlige halvkule: Storre skrining gir,rur*u somre og kaide vintre pd begge halvkuler. En stsrre skrining pa aksen oker ogsa den totale innstriling pa hoye i forhold til lave breddegrader. Dette er enkelt A se hvis en teoretisk tenker seg en vertikal akse: Da ville sola ailtid sta rett over ekvator/ og polene ikke fa noe innstriling' PRESESJON Den tredie og siste variable kalles presesjon' og er vanskeligst i se for seg geometrisk' Hvis en fir god fart pa en snurrebass ser en at aksen star ganske stille og peker pa et ounkt i taket. Etter hvert som farten avtar, t"gyr,.t"t imidlertid aksen A svinge i store sirkler, og peker mot forskjellige steder i taket, fsr snurrebassen til slutt faller' jorda er som en snurrebass som roterer om sin egen akse i lopet av et dogn' Samtidig svinger aksen sakte rundt pa samme mate som omtalt for snurrebassen' Aksen vil derfor ikke alltid peke mot Polstiernen i,,himmeltaket", slik den gjor idag' Dette fsrer til at vintersolhverv (21' desember) vil forflytte seg rundt jordbanen' Tilsvarende gjelder selvfolgelig ogsa for sommersolil,rurv og var- og hostievndogn' Kort sagt vil Arstidene forflyite seg sakte rundt jordbanen. Figur 4 viser at jorda idag er nar sola ved vintersolhverv; aller nermest er vi 3' januar. Dette gir oss forholdsvis milde vintre og kjolige somre. PA den sydlige halvkule er det motsat de har sommer i januar nar jorda er n rmest sola. Som omtalt over er det skraningen pa aksen som gir Arstider' Virkningen av Presesjonen kan beskrives som en modifisering av Arstidene: dag forsterkes Arstidene pa den sydlige halvkule, fordi jorda er narmest sola under deres sommer, og lengst unna under deres vinter. PA den nordlige halvkule svekkes Arstidene idag, fordi vi er n rmest sola om vinteren. For Ar siden var det motsatt (figur 4c), da kom vintersolhverv (21. desember) mens jorda var lengst unna sola, vi fikk kalde vintre og varme somre pa vir halvkule. Presesjonen varierer med frekvenser Pa og ir, og vi har allerede sett at virkningen er motsatt pa de to halvkuler' Denne faktor har storst direkte betydning pa lavere breddegrader. Det er ogsa lett a innse at dens klimatiske betydning avhenger av den fsrste faktor som ble beskrevet: NAr jordbanen nesten er en sirkel har jorda omtrent samme avstand til sola hele Aret, og clet spiller ingen rolle hvor pa jordbanen vinter og sommer faller. ]o mer elliptisk banen er, jo mer betyr Presesjonen' ARGUMENTER FOR DEN ASTRO- NOMSKE (MLANKOVTCH) TEOREN Den astronomiske teorien ble forkastet eller ignorert av det store flertall av forskere i flere tiar etter at den ble forbedret av Milankovitch. Meteorologer og teoretikere hevdet at drivkraften var altfor liten i forhold til utsiagene, - dette er faktisk enda deivis ulost. Geologer fant ikke sa mange istider som teorien forutsa. Hovedproblemet var likevel at en ikke hadde noe verktoy til A teste teorien med geologiske observasjoner' Dette skyldes bade at avsetningene pa kontinentene er sa fragmentariske at det var vanskelig A utlede tidsserier, og at en manglet metoder til i datere avsetninger i det relevante tidsintervall. Flere, til dels uavhengige, forskningsresultater la grunnlaget for et gjennombrudd for testingen av Milankovitch teorien fra midten av 1970-hrene. Det viktigste er teknikker for i ta lange borkjerner gjennom avsetningene pa bunnen av dyphavene, 720

7 NATURLGE KLMAVARASJONER hvor det avsettes partikler meget sakte og med ner konstant hastighet. Disse borkjernene gir derfor mulighet til A beskrive klimaparametre i lange kontinuerlige tidsserier. kjernen kan en datere serskilte niv6er og derved etablere en absolutt tidsskala' Den viktigste klimaparameteren for Milankovitch teorien er sammensetningen av oksygen isotoper i kalkskallene pi mikroskopiske dyr (foraminiferer), fordi isotopsammensetningen tilnarmet simuierer volumet av bre-is pa jorda (figur 6 og7)'yi skal derfor kort omtale denne Prosessen' Vann bestar som kjent av grunnstoffene hydrogen og oksygen' Alle oksygenatomene er imidlertid ikke helt like, de har litt forskjellig masse i kjernene og kalles da isotoper. Den vanligste isotopen er O-16 (riktig Figttr 7. Variasioner i oksygenisotoper i haaet de siste dr. Dette er giennomsnittszterdier t'or t'em borkierner fra forskjellige steder i oerdenslnaene' Skalaen er i standard auuik fra middel. Pd skalaert under er det uist omtrent haa uariasjonene tilsuarer i haaniod, og deraed is pd konti' nentene. En mer detaljert kurae t'or den yrlgste del er aist pd figur 2 i farste artikkel. Den siste toppen med lite is er udr egen tid, mens siste istids maksimum er representert ued den siste smale toppen med mye is. Etter mbrie med flere 0984). Figur 6. Aaerste t'igur itiser t'orenklet dagens hydrologiske kretslop. Vann sont fordamper ft'a hauet anrikes pd 0-16 og driuer som skyer innooer korttinentene,haor regnet faller ned. Dette lettisotop ttnnnet renner tilbake nted ehtene' og iiotop-satnntensetningen i lmuet blir deraed konstant Nerlerste t'igur aiser at kretslopet brytes under oppby7- ging au isdekker, ued at alt oannet da ikke rewter tilbake til lnaet. Llnder siste istid uar 120 m au hauet "ast opp pd land,. Nedbsren ouer breener antiket pd 0-L6, og det gien' -oerende hauuann blir tilsuarende anriket pd den tunge tsotopen ()-L8 under istidene ttt l ttl anriket 16O.): -100m 0 Tilsvarende havniva 727

8 JAN MANCERUD A 16 o f = E (o (6 E Y B0 BO 4Q 20 Lengde pa periode angitt i tusen Ar F igur 8. En spektralkurue som er t'remkommet aed nnalyse nu kttraen i fgttr T.Toppene uiser perioder som t'innes r kuruen pd t'igur 7, og lengden pd periodener angitt i tusen dr for haer topp. Hoyden pd haer topp nngir haor mye au amplitudene som tttgjores aa den gitte periode. Kuruen ttiser sdledes at de storste klimautslagene har en periodisitet pd dr, og at det er store saingninger med perioder pd og dr og noe mindre pd dr. Etter lmbrie (7985). skrivemate er 160) og den utgjor 99,8 Vo av alt oksygen. Likevel kan vi utnytte forholdet mellom denne og den tyngre isotopen O-18. NAr vann fordamper sa fordamper det mer 0-16 enn O-18, og den lette isotopen anrikes derfor i skyer (figur 6). NAr det begynner A regne fra skyen, er det fsrste regnet anriket pa O-18, og derved sker konsentrasjonen av O-16 i skyen ytterligere. Nedbor som faller langt inne pi kontinentene, eller hoyt oppe pi isbreene, har derfor betydlig mer O-16 i forhold til O-18 enn havvannet. Sd lenge det er et sluttet kretslop, slik som r dag, renner vannet tilbake med elvene, og det blir en likevekt hvor havvannet far et konstant forhold mellom oksygenisotopene (figt;.r 6, sverst). Under istidene ble imidlertid mye av vannet bundet i store breer pi land. Under siste istid ble sa mye is liggende pa land at havet sank m. Det viktige i denne sammenheng er at det vannet som ble liggende pa land var anriket av 0-16, og derved ble det gjenverende havvannet anriket pa O-18. Foraminiferer som lever i havet tar oksygen til sine skall fra vannet, og skallene registrerer derved isotopsammensetningen i havet. NAr dyrene dzr, synker skallene til bunns og blir en del av sedimentene. Dette fsrer tll at vi kan studere sammensetningen av oksygenisotoper nedover i borkjerner fra dyphavet, og fra dette utlede hvor mye is det la pa kontinentene til ulike tider (figur 7)! NAr en ser kurver som figur 7 er det ikke lett A se noe msnster. Ved hjelp av en matematisk metode som kalles Fourier analyse, kan imidlertid slike kompliserte kurver loses opp i flere enkle svingende kurver (sinuskurver) med forskjellig lengde pd periodene. Slik analyse er gjort med kurven i figur 7 og resultatet er vist pa figur 8 som en spektralkurve. Denne viser at isotopkurven i figur 7 kan loses opp i flere kurver, hvorav en nedperiodisitet pa dr for- Arsaker de storste utslag i isvolum. Andre topper er forarsaket av kurver med perioder pa 41000,23000 og ir. Ved A sammenligne disse periodisitetene for svingning i volum av jordas breer med periodisitetene for variasjonene i jordbanen (figur 5), finner en at disse er identiske. Dette ansees som det viktigste,,bevis, for at klimasvingningene som gir istider/mellomistider i hovedsak drives av endringene i jordbanen, og altse at den astronomiske teori for klimaendringer er riktig. Det finnes flere, til dels enda mer rigorose tester som 122

9 NATURLGE KLMAVARASJONER viser den beskrevne samvariasjon' og det er idag knapt noen forsker som ikke aksepterer d"r,"ustro.omiske teori' Vi vil imidlertid fremheve at det bare er demonstrert at antatt Arsak og virkning varierer med de samme frekvenser' Det ligger i dette ingen forstielse av de Prosesser som gior at Arsak leder tii virkning' Tvert imot er dette til dels ulost, men mer om det i neste artikkel' HVORF'OR KKE ALLTD STDER / MELLOMSTDER? Astronomisk teori viser at de beskrevne,rariasloner i iordbanen har foregatt "uendelig, langt bakover i tid, men de har ikke alltii gitt iekslinger mellom istider og mellomistider' Geologiske observasioner i lag fra den meget varme kritt-tiden for vel 100 miilioner Ai siden, som vi kort omtalte \ far-,," a.i, viser vekslinger i "Milankovitch-ryt- 'merr, men da var det veksling mellom troftrt" og subtropiske kiimatyper' og ikke istider. Det er tre forutsetninger for de hyppige vekslinger mellom istider og mellomistider,om rkj"", under dagens forhold' For det forste mi det generelle "klima-nivaet" pa iorda vere kaldt nok til at breer dannes under de kaldeste utslag' For det annet ma det vere ii"ff pa mildeie breddegrader' For det tredje mi hele klimasystemet' slik som havstrsmmer, vindsystemer, CO2-kretsl ap' snoforhold, osv., v re sensitivt for ytre pavirk- ;;;;t, og det ma finnes forsterkningsmeka-,,isiler som utloses ved disse pivirkninger' et,ri idag har et sa folsomt kiimasystem bor vere et virsko om ikke A pivirke det for mye. 123