Podnebne spremembe v daljni preteklosti

1. Astronomsko društvo Vega Podnebne spremembe v daljni preteklosti predstavitev za skupino Repatice in kometi Gregor Vertačnik Ljubljana, januar 2008

2. Kazalo • Vreme in podnebje • Dejavniki podnebja • Podnebna sprememba • Vzroki podnebnih sprememb • Podnebje zelo daleč nazaj… • Podnebje v obdobju neposrednih meritev • Snežna (plundrasta) kepa Zemlja • Paleocenski-eocenski temperaturni višek • Milankovičevi cikli • Ledene dobe • Mlajši Dryas • Holocenski podnebni optimum • Srednjeveško toplo obdobje • Mala ledena doba • Izbruh vulkanske razpoke Laki 1783/84

3. Vreme in podnebje • vreme predstavljajo vsi pojavi v ozračju, še posebej v troposferi (~ spodnjih 10 km) • podnebje je vremenska statistika – značilnosti vremena (povprečja, spremenljivost, ekstremi) v določenem kraju skozi dolgoletno obdobje (običajno 30 let) • razliko med pojmoma si lahko predstavljamo s hudomušno frazo: “Podnebje je tisto, kar pričakuješ in vreme tisto, kar dobiš.” Navpični presek skozi standardno ozračje. Vir: http://ceos.cnes.fr:8100/cdrom-00/ceos1/science/dg/dg3.htm

4. Dejavniki podnebja • na večji skali: • porazdelitev celin in oceanov • termohalina cirkulacija (npr. severnoatlantski tok) • vegetacija na širšem območju (Sahara, Amazonski pragozd) • koncenracija toplogrednih plinov • na lokalni skali: • geografska lega (geografska širina, nadmorska višina) • oddaljenost od morja ali večjega jezera • lega (hrib, dolina, prisoja, osoja)

5. Termohalina cirkulacija, glavni vir prenosa toplote od ekvatorja proti poloma. Vir: http://earthobservatory.nasa.gov/Study/Paleoclimatology_Evidence/paleoclimatology_evidence_2.html

6. Povprečna letna temperatura zraka 2 m nad tlemi v obdobju 1961-1990. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature

7. Podnebna sprememba • “Sprememba stanja podnebja, ki jo lahko ugotovimo s spremembo povprečij in/ali spremenljivosti njenih značilnosti, in ki traja daljše obdobje, tipično vsaj nekaj desetletij. Nanaša se na vsako spremembo podnebja v času, ne glede na to, ali je posledica naravne spremenljivosti ali človeške dejavnosti.” (IPCC AR4) • veda, ki se ukvarja s podnebjem v preteklosti, se imenuje paleoklimatologija • glavni dokazi za spremembe podnebja v preteklosti: • preoblikovano površje (ledeniške U-doline) • usedline na dnu jezer in morij • različni vzorci večnega ledu • spremenjeno rastlinstvo in živalstvo (korale, drevesne letnice) • neposredne meritve (po ~1700) • časovna umestitev dogodkov temelji na drevesnih letnicah, koralah, nekaterih usedlinah in ledenih vzorcih, na radiometrični analizi (ogljik, uran)… • meritve se preverjajo s podnebnimi modeli in obratno

8. Vzroki podnebnih sprememb • astronomski: • potovanje skozi različne predele Galaksije • sprememba Zemljine tirnice in nagiba Zemljine osi • sprememba Sončevega izseva, Sončeva dejavnost • padec vesoljskih teles (kometov, asteroidov) • naravni zemeljski • življenje na Zemlji • premikanje zemeljskih plošč (celin) • vulkanski izbruhi • človeški: • izpusti toplogrednih plinov (CO2, CH4, N2O) • izpusti aeorosolov • spremenjena raba tal

9. Podnebje zelo daleč nazaj… • nastanek Zemlje pred 4,5 milijarde let • sprva v ozračju do 80 % CO2 (podobno današnjemu Marsu in Veneri), postopen upad koncentracije • pred dvema milijardama let se je v ozračju prek fotosinteze pojavil prosti kisik, takrat je bilo le še 8 % CO2 • pred 600 milijoni let že manj kot 1 % CO2, 15 % kisika • ob koncu predkambrija hladno podnebje z obsežnimi poledenitvami • močna otoplitev v začetku kambrija, povprečna svetovna temperatura do okoli 8 °C nad sedanjo vrednostjo Geološka obdobja v Zemljini zgodovini. Vir: http://wikipedia.keny.org/sl/wiki/Perioda_(geologija).html

10. v zadnje pol milijarde let je povprečna svetovna temperatura nihala v razponu 10 °C (več na polih, manj v tropih) • pomemben vzrok za menjavanje hladnih in toplih obdobij je razporeditev celin • v kambriju pogosto topleje kot dandanes, večino časa veliko več CO2 v ozračju • zadnje bistveno toplejše obdobje (2-3 °C) od današnjega je bilo sredi pliocena, 3 milijone let nazaj • 2,5 milijona let nazaj – začetek hladnega obdobja, cikel ledenih/medledenih obdobij • konec zadnje ledene dobe 10.000 let nazaj Najmlajši eon zemeljske zgodovine. Vir: http://wikipedia.keny.org/sl/wiki/Perioda_(geologija).html

11. Kazalec podnebja v času fanerozoika. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Paleoclimatology

12. Snežna (plundrasta) kepa Zemlja • hipoteza, da je nekoč večkrat celotno ali večji del Zemlje prekrivala debela plast ledu • pojasni ledeniške sedimente v tropih iz obdobja kriogena (630-850 mio. let nazaj) • možen razvoj dogodkov: • kopno nakopičeno okoli ekvatorja • vremensko preperevanje silikatnih kamnin v tropih, absorbcija atmosferskega CO2 • zmanjšan učinek tople grede, večanje polarnih kap • ogromni polarni kapi zmanjšata količino absorbirane Sončeve svetlobe, Zemlja se še naprej hladi (povratna zanka) • ekvator se ohladi na temperaturo, ki je danes značilna za Antarktiko (v primeru popolne zaledenitve) • vulkani bruhajo toplogredne pline v ozračje, v več milijonih let se koncetracija teh močno poveča (na površju je premalo tekoče vode, ki bi jih absorbirala) • izjemno močan toplogredni učinek sproži hitro taljenje ledenega pokrova • masovno izumrtje v času ledenih dob, velik razcvet življenja po njihovih koncih • obstaja nekaj alternativnih teorij, ki razlagajo ledeniške sedimente ob ekvatorju

13. Paleocenski-eocenski temperaturni višek • konec paleocena (55 mio. let nazaj, terciar) je zaznamoval zelo velik podnebni skok • močno sta se spremenila atmosfersko in oceansko kroženje • povprečna temperatura morij je v nekaj tisočletjih narasla za 5-8 °C, visoko na severu in jugu se ogrelo za okoli 20 °C! • občutno se je spremenila tudi porazdelitev padavin • koncentracija CO2 precej višja kot dandanes • masovno izumrtje, pojavili so se predniki današnjih sesalcev • vzrok za temperaturni skok še ni jasen (uhajanje metana iz ledu v sedimentih, povečana ognjeniška dejavnost, oksidacija usedlin bogatih z organsko snovjo, padec kometa?) • velikostni red izpusta ogljika v ozračje je bil enak današnjemu • dogodek je trajal ~100.000 let

14. Milankovičevi cikli • skupni učinek orbitalnih dejavnikov na podnebje (ekscentričnost, nagib osi, precesija) • kombinacija različnih period: • ekscentričnost tirnice (~100.000 let) • precesija (26.000 let) • vrtenje tirnice (21.000 let) • spreminjanje nagiba osi (41.000 let) • Milankovičevi cikli pojasnijo večji del podnebnih sprememb na 100.000 letni časovni skali Milankovičevi cikli v zadnjem milijonu let. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Milankovitch_cycles

15. Ledene dobe • glaciološka definicija: obdobja s polarnim, kopenskim in ledeniškim ledom • v splošni rabi se izraz nanaša na povečan obseg stalnega ledu • v zgodovini Zemlje nekaj obdobij s stalnim ledom, sicer je bila Zemlja večinoma brez ledu: • 2,7-2,3 milijarde let nazaj (huronianska poledenitev) • 850-630 milijonov let nazaj (kriogenska poledenitev) • 460-430 milijonov let nazaj (andean-saharska poledenitev) • 350-260 milijonov let nazaj (poledenitev karoo) • 35-0 milijonov let nazaj (trenutno ledeno obdobje) • 35 milijonov let nazaj začetek poledenitve Antarktike, 3 milijone let nazaj tudi Arktike • v zadnjem času dva glavna cikla ledenih dob: 40.000 in 100.000 let; menjavanje ledenih in medledenih obdobij • konec zadnje ledene dobe 10.000 let nazaj, višek 21.000 let nazaj, ko je bilo v povprečju 4-7 °C hladneje kot danes (najmanj v tropskih oceanih, najbolj visoko na severu) • dokazi: • geološki (odrgnjene skale, ledeniške morene, ledeniške doline) • kemijski (spremenjena razmerja izotopov v sedimentih in večnem ledu) • paleontološki (spremenjena geografska lega fosilov)

16. značilnosti ledenih dob: • večinoma hladnejše in sušnejše podnebje, več aerosolov v zraku • dve veliki ledeni ploskvi segata od polov daleč proti ekvatorju • ledeniki segajo globoko v doline, nižja meja sneženja • upad gladine morja (120 m med zadnjo ledeno dobo), spremenjeno oceansko kroženje • hitri podnebni skoki med zadnjo ledeno dobo (Dansgaard-Oeschgerjevi in Heinrichovi dogodki) • značilnosti medledenih obdobij: • trenutno smo v enem od takšnih obdobij (holocen) • manjši obseg stalnega ledu • dvig kopnega, ki ga je pokrival debel led • naslednja ledena doba ne bo nastopila še vsaj 30.000 let • na ledene dobe močno vplivajo pozitivne (albedo) in negativne povratne zanke (snežne padavine) • zadnje ledene dobe so posledica: • Milankovičevih ciklov (povod) • znižanje koncentracije toplogrednih plinov (pozitivna povratna zanka) • ostali mogoči vzroki za ledene dobe: • spremenjen položaj Sonca v Rimski cesti • zmanjšan izsev Sonca • posebna porazdelitev celin • vpliv kroženja Lune okoli Zemlje • padci meteoritov, izjemno močni vulkanski izbruhi

17. Obseg stalnega ledu v času viška zadnje ledene dobe, 18.000 let nazaj. Vir: http://www.johnstonsarchive.net/spaceart/cylmaps.html

18. Spremembe v temperaturi in prostornini ledu v zadnjih 450.000 letih. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Ice_age Razmerje izotopov kisika v sedimentih zadnjih nekaj milijonov let. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Ice_age

19. Mlajši Dryas • zadnja katastrofalna sprememba podnebja v preteklosti • hladno obdobje pred 11.500 do 12.900 leti • silovit padec temperature na severni polobli (predvsem Grenlandiji in Evropi) v času desetletja • vrh Grenlandije ~15 °C hladnejši kot danes, Anglija za 5 °C • kot kaže ohladitev v Severni Ameriki ni povsem sovpadala z ohladitvijo v Evropi • gozd je v Skandinaviji zamenjala tundra, povečanje ledenikov in snežnih površin • več prahu v zraku, ki je prišel iz azijskih puščav • suša na Bližnjem vzhodu • prevladuje teorija, da je vzrok za ohladitev nenadna prekinitev severnoatlantskega termohalinega kroženja (krčenje ledenikov in vdor sladke vode iz jezer Agassiz in Ojibway v Atlantik), ne razloži pa predhodno ohladitev Južne Amerike; padec meteorita na Severno Ameriko • konec obdobja v nekaj letih ali desetletjih – otoplitev za 7 °C! Dryas octopetala (alpska velesa). Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Dryas_octopetala

20. Temperatura in količina snega v zadnjih 20.000 letih. Vir: http://www.ncdc.noaa.gov/ paleo/pubs/alley2000/alley2000.html Jezero Agassiz. Avtorske pravice: Image courtesy of the Minnesota River Basin Data Center.

21. Sprememba v površinski temperaturi (desno) in količini padavin (levo) v modelski simulaciji nenadnega dotoka svežega vode v Hudsonov zaliv 8200 let nazaj. Avtorske pravice: NASA GISS, vir: http://www.nasa.gov/vision/earth/lookingatearth/abrupt_change.html

22. Holocenski podnebni optimum • regionalno toplo obdobje približno 5.000-10.000 let nazaj, različni deli Zemlje so imeli različen temperaturni potek • posledica Milankovičevih ciklov; 9.000 let nazaj naklon Zemljine osi 24°, perihelij v času poletja na severu – 8 % večja gostota toka Sončevega sevanja kot danes • čas temperaturnega viška: • v JV Evropi 9.000-11.000 let nazaj • na Novi Zelandiji, južni Afriki in na Antarktiki že 8.500-11.000 let nazaj • povsem na severu Atlantika in v delu Arktike 8.000-10.000 let nazaj • v severni Evropi in na SV Severne Amerike 5.000-7.000 let nazaj • na vzhodu Kitajske 4.000-8.000 let nazaj • večina ledenikov se je močno zmanjšala, nekateri so izginili • Sredozemsko morje, tropski Atlantik, Tihi in Indijski ocean so se verjetno postopno ogreli od začetka holocena do danes • okrepitev monsunov v Indiji, severni Afriki, severni Avstraliji in na JZ ZDA

23. Rekonstrukcija povprečne svetovne temperature zraka pri tleh v holocenu. Vir: http://www.globalwarmingart.com

24. Srednjeveško toplo obdobje • običajno oznaka za toplo obdobje na območju severnega Atlantika v obdobju ~800-1300 n.š. • Vikingi naselijo Grenlandijo • gojenje vinske trte v Angliji • velike suše v Severni Ameriki • hladen Tihi ocean, podobno kot dandanes v času La Ninje • povprečna svetovna temperatura bistveno nižja kot v zadnjih 20 letih Rekonstrukcija povprečne svetovne temperature zraka pri tleh za zadnjih 2000 let. Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Medieval_Warm_Period

25. Mala ledena doba • hladno obdobje v Evropi in Severni Ameriki po toplem srednjeveškem, tja do sredine 19. stoletja • začetek težko določljiv: • povečanje ledenih gora v Atlantiku po letu 1250 • konec toplih poletij v severni Evropi okoli l. 1300 • obilno deževja in velika lakota 1315-1317 • okoli leta 1550 začetek svetovnega povečevanja ledenikov • okoli leta 1650 začetek prvega temperaturnega minimuma • najbolj prizadela območje severnega Atlantika • vzrok verjetno zmanjšana Sončeva dejavnost (Maunderjev minimum 1645-1715) in povečana ognjeniška dejavnost, morda pa tudi zmanjšanje prebivalstva po v Evropi in Aziji po črni kugi • večkrat je zamrznila Temza in nizozemske reke, zelo hude zime tudi pri nas

26. Izbruh ognjeniške razpoke Laki 1783/84 • eden največjih izbruhov v zadnjem tisočletju • začetek serije izbruhov 8. junija 1783, konec 7. februarja 1874 • sprostilo se je 15 km3 lave in ogromen oblak fluorja (8 mio. ton) in žveplovega dioksida (120 mio. ton) • oblak žveplovih aerosolov krivec za kratko, a občutno spremembo podnebja • zaradi nenavadne vremenske situacije (anticiklon nad Islandijo) se je oblak v obliki meglice sprva razširil nad zahodno in srednjo Evropo, kasneje pa širom sveta • številne ladje niso mogle pluti zaradi goste meglice, Sonce je bilo krvavo obarvano • vročemu poletju je sledila ostra zima 1783/84 v Evropi in Severni Ameriki • fluorov oblak je pomoril polovico živine na Islandiji, zaradi lakote je umrla petina prebivalsta • v Evropi zaradi strupenega oblaka več deset tisoč mrtvih • izbruh je prispeval k neobičajnemu vremenu v 80. letih 18. stoletja in začetku francoske revolucije l. 1789

27. Posledice izbruha vulkanske razpoke Laki leta 1783. Vir: http://www.economist.com/world/international/displaystory.cfm?story_id=10311405

28. Viri in literatura • http://en.wikipedia.org/wiki/Global_warming • http://en.wikipedia.org/wiki/Climate_change • http://en.wikipedia.org/wiki/Climate • http://en.wikipedia.org/wiki/Paleoclimatology • Jansen, E., J. Overpeck, K.R. Briffa, J.-C. Duplessy, F. Joos, V. Masson-Delmotte, D. Olago, B. Otto-Bliesner, W.R. Peltier, S. Rahmstorf, R. Ramesh, D. Raynaud, D. Rind, O. Solomina, R. Villalba and D. Zhang, 2007: Palaeoclimate. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. • http://en.wikipedia.org/wiki/Milankovitch_cycles • http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/paleo.html • http://en.wikipedia.org/wiki/Paleocene%E2%80%93Eocene_Thermal_Maximum • http://en.wikipedia.org/wiki/Snowball_Earth • http://en.wikipedia.org/wiki/Younger_Dryas • http://en.wikipedia.org/wiki/Ice_age • http://en.wikipedia.org/wiki/Holocene_climatic_optimum • http://en.wikipedia.org/wiki/Global_warming • http://www.ipcc.ch/ • http://www.realclimate.org/ • http://www.giss.nasa.gov/ • http://www.cru.uea.ac.uk/ • http://www.metoffice.gov.uk/research/hadleycentre/ • http://arctic.atmos.uiuc.edu/cryosphere/ • http://www.meteoschweiz.admin.ch/web/de/klima/klimaentwicklung.html • http://www.meteoschweiz.admin.ch/web/de/klima/klimaaenderung.html • http://edgcm.columbia.edu/ • http://www.osdpd.noaa.gov/PSB/EPS/SST/climo.html • http://en.wikipedia.org/wiki/Sea_level_rise • http://www.nasa.gov/vision/earth/lookingatearth/abrupt_change.html • http://en.wikipedia.org/wiki/Laki • http://www.economist.com/world/international/displaystory.cfm?story_id=10311405