18 Forskningsprogram om klima og klimaendringer http://program.forskningsradet.no/klimaprog/ Tar temperaturen på fortiden Ved å granske fossiler, isbreer, dryppsteiner og gamle gårdsdagbøker har forskere i prosjektet NORPAST kartlagt fortidens klima i Norge. Funnene viser brå klimaskifter mot slutten av siste istid, og mer stabilt klima i tiden etterpå. Framskritt i å tallfeste fortidens klima hjelper klimaforskerne med å beregne framtidens, forklarer NORPAST-forskerne i denne artikkelen. Nå vil de gå løs på en fortsatt uløst gåte: Var det varmere i Middelalderen enn i dag? Eiliv Larsen, Morten Hald og John Birks, NORPAST Klimaet endrer seg hele tiden på naturlig vis. Ved å studere fortidens klima (paleoklima), gjennom bruk av ulike geologiske og biologiske metoder og historiske kilder, får en kunnskap om klimavariasjoner som går lenger tilbake enn målingene med termometer og andre instrumenter i nyere tid. Det er fortsatt mange uløste spørsmål når det gjelder naturlig klima. For å møte disse ble det nasjonale forskningsprosjektet NORPAST startet i 1999, finansiert av Norges forskningsråd. Prosjektet samlet geologer, biologer og meteorologer, og tok mål av seg til å bygge broer mellom de ulike fag i en felles innsats for å øke kunnskapen om naturlige klimavariasjoner i Norge med tilhørende havområder. Målene vi satte oss var svært ambisiøse, ikke minst fordi paleoklimaforskningen i stor grad var kvalitativt orientert da vi startet prosjektet. Med kvalitativ mener vi beskrivelser av fortidens klima med termer som for eksempel relativt varmt eller relativt kjølig. En forutsetning for å bidra til en mer grunnleggende forståelse av naturlig klimavariabilitet var at vi tok i bruk, videreutviklet og nyutviklet metoder som kunne sette oss i stand til å kvantifisere fortidens klima å tallfeste for eksempel nedbørmengde og luft- eller havtemperaturer. Den tverrfaglige innsatsen har gitt resultater, som blant annet synes i mer enn 200 artikler i internasjonale vitenskapelige tidsskrifter. I denne artikkelen presenterer vi metodene som vi har utviklet og brukt til å tallfeste fortidens klima, og noen av prosjektets hovedfunn. Bedre verktøy For å tallfeste fortidens klima, bruker vi klimaindikatorer som blant annet fossiler av pollen (blomsterstøv) eller skall fra små dyr og planter (alger, insekter, foraminiferer etc.). Statistiske data om disse fossilene blir sammenliknet med det vi vet om levestedene til tilsvarende plante- og dyresamfunn i dag. Et viktig redskap for paleoklima-forskerne er KlimaProg-Forskningsprogram om klima og klimaendringer (2002-2011) dekker naturvitenskapelig forskning som sikter på å øke forståelsen av klimasystemet og klimaendringer. Programmet hører inn under Norges forskningsråd og finansierer blant annet de store, koordinerte forsknings prosjektene AerOzClim, NOClim, NORPAST og RegClim. KlimaProg har sin egen redaksjon for å informere om forskningen i samarbeid med CICERO Senter for klimaforskning, og har egne sider i hvert nummer av tidsskriftet Cicerone.
KlimaProg 19 Figur 1. Kvantitative rekonstruksjoner av temperaturer for Norge med havområder for (a) yngre dryas (12 700-11 500 år før nåtid) og (b) tidlig holosen (11 500-10 000 år før nåtid). peraturforskjellen mellom periodene er vist i (c). Etter Birks, H. i Birks, J. og Larsen, E. (2001). matematiske formler som viser sammenhengen mellom klima og utbredelsen av dagens plante- og dyresamfunn. Disse såkalte overføringsfunksjonene benyttes på de fossile dataene, og setter oss i stand til å tallfeste fortidens klima. Slik kan vi få kvantitative klimadata som for eksempel lufttemperatur i juli, gjennomsnittlig sommertemperatur i overflaten i havet, årlig nedbør og CO 2 -konsentrasjoner. I NORPAST-prosjektet er det nedlagt et stort arbeid i å forbedre overføringsfunksjonene basert på fossildata fra pollen, marine diatomeer (alger som lever i overflatevannmassene i havet), bunnlevende foraminiferer (små encellede dyr) og chironomider (insekt). Som det fremgår av tabellen kan julitemperaturen i Skandinavia rekonstrueres med ±1 O C nøyaktighet basert på pollenog chirinomide- overføringsfunksjoner. Fra norske havområder kan bunntemperatur og saltholdighet bestemmes med en nøyaktighet på henholdsvis ±1,05 O C og ±0,17 promille. Fra overføringsfunksjoner for diatoméer kan vi rekonstruere temperaturen ved havoverflaten for sommer og vinter med hhv. ±0,8 o C og ±1 o C nøyaktighet. I tillegg til overføringsfunksjoner har det også vært arbeidet med å beregne lufttemperatur basert på målinger av organisk innhold i sedimenter fra innsjøer og fra oksygenisotop-målinger på dryppstein i kalkgrotter, og havtemperaturer fra oksygenisotop-målinger målt på fossile kalkskall av foramini ferer. Sist, men ikke minst er det nedlagt et betydelig arbeid i å rekonstruere vinternedbør på grunnlag av brevariasjoner. Dette kan gjøres i områder der en kjenner sommertemperatur basert på overføringsfunksjoner av fossilt materiale. Fra istids- til mellomistidsklima Under siste istids høydepunkt, for mer enn 20 000 år siden, var hele Skandinavia dekket av innlandsis. I sør Figur 2. Sammenligning av rekonstruksjoner av gjennomsnittlig julitemperatur basert på forskjellige fossilgrupper for perioden sen-glasial til tidlig holosen på Kråkenes i Vest-Norge. Etter Birks og Ammann (2000). nådde breen til Nord-Tyskland, den gikk øst over inn i Øst-Europa, og Nordvest-Russland. Den skandinaviske innlandsisen fløt også sammen med innlandsis over Barentshavet i nord og Storbritannia i sørvest. En liten flik ytterst på Andøya i Nord-Norge var isfri under siste istids maksimum (Vorren m.fl., 1988). Om det også var fjelltopper som stakk opp av isdekket, såkalte nunataker, har lenge vært diskutert. Resultatene fra NORPAST er ikke entydige, men mye tyder på at det var nunataker, noe som støttes av resultater fra bremodellering
20 KlimaProg (Winguth m.fl., 2003). Samtidig som det var store isdekker over land og kontinetalsokkelen, var det isfritt hav om sommeren helt nord til Svalbard. Mot slutten av siste istid, for ca. 13 000 år siden, hadde iskanten i Vest- Norge og Nord-Norge nådd de indre fjordstrøk. På Østlandet lå den innerst i Oslofjorden. En kraftig klimaforverring, i den såkalte yngre dryas-perioden, førte til at breen enten rykket frem eller ble liggende omtrent i samme posisjon i flere hundre år. En ganske betydelig innsats er gjort innen NORPAST for å forstå klimavariasjonene i slutten av siste istid og overgangen til vår nåværende mellomistid, holosen. Det følgende gir noen resultater fra dette. I yngre dryas var både luft- og havtemperaturer betydelig lavere enn i dag. Gjennomsnittlig julitemperatur i Sør- Norge var 8-9ºC (Figur 1a). Noe lavere temperaturer (5-7ºC) på Kråkenes ytterst i Nordfjord var betinget av en lokal bre i området (Figur 3). Helt nord i Finnmark var tilsvarende temperatur omtrent 6ºC. Havtemperaturer utenfor kysten av Sør- Norge var 7-8ºC med et kraftig fall i temperaturen nord for Lofoten til <5ºC. Ved slutten av yngre dryas, ved overgangen inn til dagens mellomistid, skjedde det en rask oppvarming. Tidlig i holosen, var lufttemperaturen i juli ca. 13ºC helt sør i Norge (Figur 1b). På Kråkenes var den ca. 11ºC, og i Finnmark ca. 10ºC. Den siste er den samme som dagens temperatur, mens temperaturene i Sør-Norge var ca. 2ºC lavere enn i dag. Sammenlignbare havtemperaturer ble nådd i tidlig holosen i Norskehavet. Der er det en 2-3ºC temperaturgradient fra sør til nord, det vil si en mye mindre gradient enn i Yngre Dryas. Temperaturøkningen fra yngre dryas til tidlig holosen er overraskende lik i alle undersøkte områder både på land og i havet, omkring 4ºC (Figur 1c). Men hvor hurtig gikk egentlig forandringene som er beskrevet over? Svaret vil variere både regionalt og også avhenge av hvilken undersøkelsesmetode som er benyttet. Det siste går frem av eksempelet fra Kråkenes (Figur 2) hvor rekonstruerte julitemperaturer for perioden ca. 13 500-9200 år før nåtid er gjenskapt ved å benytte overføringsfunksjoner basert på forskjellige fossilgrupper (Birks og Ammann, 2000). Selv om disse forskjellene skaper en viss usikkerhet, kan en likevel si at avkjølingen ved innledningen av yngre dryas skjedde med en hastighet på ca. 0,7ºC pr. 25 år. Oppvarmingen ved slutten av yngre dryas, ca. 1000 år senere, hadde en hastighet på 0,2-0,3ºC pr. 25 år. På denne lokaliteten førte avkjølingen og øket oppsamling av snø om vintrene ved innledningen til yngre dryas til at det ble dannet en liten bre (Figur 3). Denne smeltet raskt bort ved slutten av yngre dryas da klimaet forbedret seg. Tilsvarende førte klimaforbedringen ved overgangen fra yngre dryas til holosen til at den store innlandsisen etter hvert mistet grepet om landet vårt. Etter istiden Etter at innlandisen forsvant fra Skandinavia for omkring 10 000 år siden, ble klimaet mer stabilt enn det var under avsmeltningsperioden. En årsak til dette Figur 3. Sammenheng mellom brevariasjoner og variasjoner i sommertemperatur og akkumulasjon av snø på en lokal bre på Kråkenes i Vest- Norge gjennom yngre dryas. Etter Larsen og Nesje (2002). er trolig at smeltevannstilførselen til havet avtok i betydelig grad, og dermed ble denne viktige faktoren for raske naturlige klimaendringer redusert. Men selv om vi kan beskrive klimaet de siste 10 000 år som forholdsvis stabilt, så har man observert endringer, både langsomme over mer enn 1000 år og mer kortvarige over noen hundre år eller mindre. I figur 4 har vi sammenliknet flere rekonstruerte temperaturkurver for de siste 12 000 år. Kurvene (Figur 4B, D og E) viser en gradvis nedkjøling i størrelsesorden 2-4 o C i løpet av de siste 8000 år. Dette gjelder overflate- og bunntemperaturer i havet (Vøringplatået utenfor midt Norge og Malangsfjorden i Troms) (Figur 4B og D) og juli-temperaturkurven fra Bjørnfjell i Nordland (Figur 4E). Flere har foreslått at denne langsomme nedkjølingen skyldtes redusert solinnstråling på den nordlige halvkule slik kurven i figur 4F viser. Alle slike kurver viser imidlertid ikke denne nedkjølingstrenden, den kan for eksempel ikke spores i temperaturer basert på isotopmålinger av dryppstein i kalkhuler (Figur 4C). Årsaken til dette er ikke forstått, men det illustrerer hvor viktig det er fortsatt å arbeide med å forbedre metodene som brukes til å rekonstruere fortidens klima. I tillegg til denne langsomme nedkjølingen, observeres mer kortvarige nedkjølinger og oppvarminger. Hva disse skyldes og nøyaktig når de inntraff, er spørsmål som ikke er løst. De raske endringene i den eldste del av kurvene, dvs. eldre enn 10 000 år, kan skyldes samspillet mellom varmt Atlanterhavsvann og kaldt smeltevann fra de siste restene av den store innlandsisen fra siste istid. Andre mulige årsaker til både disse og endringene senere kan være variasjoner i solaktivitet, vulkanutbrudd eller i Golfstrømmen (varmt Altanterhavsvann). Sistnevnte kan for eksempel forårsakes av variasjoner i de regelmessige klimasvingningene kjent som Den nordatlantiske oscillasjon (NAO, se Cicerone 3-2001 s.28). Som vist i figur 4A har også vinternedbøren variert svært mye etter siste istid, spesielt i den eldre delen av perioden. Disse variasjonene i temperatur og nedbør har gitt store variasjoner i breenes størrelse etter siste istid (Figur 5). Flere ganger har de vært helt borte, for så og dannes igjen og til tider har de hatt større utbredelse enn i dag. Gjennombrudd for siste 300 år Forskere i NORPAST har hatt et gjennombrudd når det gjelder å rekonstruere klima for de siste 200-300 år. Data fra
KlimaProg 21 Tabell 1. Oversikt over presisjon (± 1 standardavvik) i rekonstruksjon av klimaparametre gjennom bruk av overføringsfunksjoner for forskjellige klimaindikatorer (fossiler) (fra Birks, J. i Birks, J. og Larsen, E. 2001). Sommer Juli Vinter Årlig Juli Juli Havoverflate, T vann, T overflate, Ppmv Bunn- Hav- CO 2 Klimaindikator N nedbør Salinitet ºC (mm) (ºC) (ºC) ( ) T (ºC) Pollen 304 1,0 341 - - - - - Chironomider 157 1,0 - - - - - - Marine diatomeer 139 - - 0,8-1,0 - - Poretetthet 49 - - - - - 21,9 - Bentiske foraminiferer 260-1,05 - - 0,17 N = antall moderne prøver Databaser om fortidens klima NORPAST-prosjektet har gitt en stor mengde data om fortidens klima. For å ta vare på dataene og gjøre dem tilgjengelige for forskere har vi opprettet to databaser, en klimadatabase og en bredatabase. Mer informa sjon om databasene og tilgang til dem finnes på: http://www.cicero.uio.no/ cicerone/03/4/norpast.htm havbunnsedimenter, innsjøsedimenter, isbreer og dagbøker med innhøstingsdata fra gårder, alle med nær årlig tidsoppløsning, har blitt benyttet til å gjenskape temperatur, vind og fordeling av høytrykk og lavtrykk tilbake til 1700-tallet. I 1860-årene ble det i Norge etablert et landsomfattende nett av pålitelige, meteorologiske observasjoner, slik at de siste 140 år utgjør en perioden med både instrumentelle data og paleoklimarekonstruksjoner. For denne perioden kan man direkte sammenlikne for eks- empel rekonstruerte temperaturer eller nedbør med det som er observert instrumentelt. En slik sammenlikning er viktig for å teste hvor gode rekonstruksjonene av fortidens klima er. Havbunnsdataene (isotoper målt på bentiske foraminiferer fra Malangsfjorden) og gårdsdagbøker (Vestlandet, Trøndelag og sentrale Østlandet) har gitt paleo-temperaturkurver som viser en meget god overensstemmelse med instrumentelle temperaturserier. Klimaserien fra Malangen med sammen- likninger til instrumentelle klimaserier er gjengitt i figur 6. Videre viser disse studiene temperaturvariasjonene fra tiden da termometeret ennå var upålitelig, blant annet ved slutten av Den lille istid. Da var luft- og havtemperaturer generelt omkring 2 o C kaldere enn i dag. Et interessant trekk ved Den lille istid er at perioden med den største breveksten på Vestlandet ikke faller sammen med perioden med de laveste sommertemperaturene. I årene 1710 til 1735 rykket Nigardsbreen fram 2800 Figur 4. Eksempler på rekonstruksjoner av nedbør (A), temperatur (B-E) og solinnstråling (F) de siste 12,000 år. A: Nesje m.fl. (2001), B: Birks, J., Koç, N. (2002), C: Lauritzen, S.-E., Lundberg, J., (1999), D: Mikalsen G., Hald, M (upublisert), E: Birks, H.H., Birks, J. (2001) og F: Berger, A., Loutre, M.F. (1991).
22 KlimaProg meter, et gjennomsnitt på hele 112 meter i året. Dette ser ut til å være forårsaket av høy vinternedbør snarere enn lave sommertemperaturer (Nesje og Dahl, 2003). Modellering basert på instrumentelle trykkdata og rekonstruert sommertemperatur, viser at en tilsvarende sterk økning ikke har funnet sted innenfor modellperioden, 1780 2000. Massebalansen gjennom de siste 40 år for Ålfotbreen på Nordvestlandet viser en meget god korrelasjon med NAOindeksen, høy NAO korrelerer med høy vinterbalanse og positiv nettobalanse (Figur 7). Alle disse resultatene viser at paleoklima-metodikk er egnet for å studere vår nære fortid. Tidsoppløsningen i dataene gjør dem egnet for klimamodellering, der lengre tidsserier enn det vi får fra instrumentelle data er nødvendig. Veien videre Et nytt nasjonalt forskningsprosjekt, NORPAST-2, ble startet i 2003 og vil gå i fire år fremover. Prosjektet er en videreføring av NORPAST (1999-2002), og vi gjør en ytterligere fokusering av Figur 5. Variasjon til noen breer i Sør-Norge etter siste istid. Etter Nesje m.fl. (upublisert). Foto: NOAA forskningen omkring fortidens klimautvikling. I NORPAST-2 vil vi samle inn kvantitative data (temperatur, nedbør, saltholdighet i havet, sjøis etc.) fra siste istids avsmeltning og fra den varme isfrie perioden de siste 12 000 år. Vi vil særlig satse på å rekonstruere klimaet de siste 1000 år. Her er det enda mange uløste spørsmål som: Hva var årsaken til Den lille istid? Eller: Var det varmere i Middelalderen enn det er i dag? Er det mulig å skille mellom naturlige og menneskeskapte klimaendringer? I tilknytning til disse problemstillingene vil vi fortsette arbeidet med å forbedre metodene for å redusere usikkerhetene i rekonstruksjonene. Et av formålene med klimadataene som bli samlet inn i dette prosjektet er at de skal kunne benyttes for å modellere klimaet, særlig med tanke på fremtidens klima. Forskerne i NORPAST-2 skal ikke selv gjøre klimamodellering, men de data som produseres i prosjektet skal være anvendelige for klimamodellering. Noen vil spørre hva vitsen er med å kjenne til fortidens klima? Vårt svar er at vi må forstå fortiden for å kunne si noe om fremtidens klima. Instrumentelle målinger viser at vi har hatt en global oppvarming over de siste 100 år. Fremtidsmodellering av klimaet sier at denne oppvarmingen vil fortsette, men hvor stor oppvarmingen blir er usikkert og denne usikkerheten er størst når det gjelder de nordområdene, inkludert Norge og Arktis. Forskningen om fortidens klima gir nødvendig kunnskap om naturlige klimaendringer, om hvor fort endringer kan skje og om stabiliteten til klimaet. Med andre ord den gir oss en forståelse av klimasystemet som er helt nødvendig for å kunne forutse hva som vil skje med klimaet i fremtiden. Et aktuelt spørsmål er om fremtidig oppvarming vil foregå gradvis eller om vi har noen klimaoverraskelser i vente. Uansett svaret, så er forskningsbaserte, sikre prognoser om fremtidens klima avhengig av kunnskap om fortidens naturlige klimaendringer. Referanser Berger, A., Loutre, M.F., 1991. Insolation values for the climate of the last 10 million years. Quaternary Sciences Reviews 10, 297-317. Birks, H.H. 2001. Synthesis of the lateglacial time slice: 14,000-11,500 cal. yr. BP. I Birks, J., Larsen, E. (Red.). Third Report NORPAST - Past Climates of the Norwegian Region. Norges forskningsråd. Birks, H.H., Ammann, B. 2000. Two
KlimaProg 23 terrestrial records of rapid climatic change during the glacial - Holocene transition (14,000-9,000 calendar years B.P.) from Europe. Proceedings of the National Academy of Sciences 97, 1390-1394. Birks, H.H., Birks, J. 2001. Synthesis of the Holocene time slice: 0-11,500 cal. yr. BP. I Birks, J., Larsen, E. (Red.). Third Report NORPAST - Past Climates of the Norwegian Region. Norges forskningsråd Birks, J. 2001. Transfer functions. I Birks, J., Larsen, E. (Red.). Third Report NORPAST - Past Climates of the Norwegian Region. Norges forskningsråd. Birks, J., Koç, N., 2002. A highresolution diatom record of late- Quaternary sea-surface temperatures and oceanographic conditions from the eastern Norwegian Sea. Boreas 31, 323-344. Hald, M., m.fl. 2001. Fjordavsetninger som klimaarkiv. Cicerone 5, 19-22. Larsen, E., Nesje A. 2002. Isbreene gir ulik klimainformasjon. Cicerone 11/6, 30-32. Figur 6. Sammenligning mellom lufttemperatur over Tromsø, havtemperaturer i vestlige Barentshavet, Den nord atlantisk oscillasjonsindeks (NAO) og temperaturer ved bunnen av Malangsfjorden gjenskapt på basis av oksygenisotopmålinger (δ 18 O) hos bentiske foraminiferer. Etter Hald m.fl. (2001). Lauritzen, S.-E., Lundberg, J., 1999. Calibration of the speleothem delta function: an absolute temperature record for the Holocene in northern Norway. The Holocene, 9, 659-669. Nesje, A., Dahl, S.O. 2003. The Little Ice Age - only temperature? The Holocene 13, 139-145. Nesje, A., m.fl. 2000. Is the North Atlantic Oscillation reflected in Scandinavian glacier mass balance records? Journal of Quaternary Science 15, 587-601. Nesje, A., m.fl. 2001. Holocene glacier fluctuation of Flatebreen and winter-precipitation changes in the Jostedalsbreen region, western Norway, based on glaciolacustrine sediment records. The Holocene 11, 267-280. Vorren, T., m.fl. 1988. The last deglaciation (20,000 to 10,000 B.P.) on Andøya, northern Norway. Boreas 17, 41-77. Winguth, C., m.fl. 2003: Thickness Evolution of the Scandinavian Ice Sheet in Western Norway From the Last Glacial Maximum to the Lateglacial: A Model Study. Abstract. American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting, in press. Figur 7. Massebalansen om vinteren på Ålfotbreen sammenliknet med netto massebalanse for hele året og NAO-indeksen. Fra Nesje m.fl. (2000). Eiliv Larsen er kvartærgeolog. Han er seniorforsker ved Norges geologiske undersøkelse og professor II ved Geologisk institutt, Universitetet i Bergen. Eiliv Larsen ledet fase 1 av paleoklimaprosjektet NORPAST (1999-2002). Morten Hald er maringeolog. Han er professor ved Institutt for geologi, Universitetet i Tromsø. Morten Hald leder fase 2 av NORPAST (2003-2006). John Birks er kvantitativ paleoøkolog. Han er professor ved Botanisk institutt, Universitetet i Bergen, professor II ved Environmental Change Research Centre, University College London og knyttet til Bjerknessenteret for klimaforskning i Bergen.