Klimats ir sarežģīta sistēma, un principiāli galvenais veidojošais faktors ir enerģijas plūsmas, kuras Zeme saņem no Saules. Klimats veidojas, Saules enerģijai izkliedējoties un mijiedarbojoties ar Zemi, līdz ar to klimata sistēma sastāv no atmosfēras, hidrosfēras, kriosfēras (Zemes ledāju un sniega segas un mūžīgā sasaluma), litosfēras un biosfēras. Bet kas tad īsti ir tas, kas klimata sistēmā ir svarīgākais ietekmējošais faktors – lai rastu atbildi uz šo jautājumu, ir jānoskaidro, kas veido klimatu!
Atmosfēra… nestabilākā un straujāk mainīgā sadaļa, kuru veido gāzes, ūdens tvaiki, kā arī putekļi un aerosoli.
Hidrosfēra… sauszemes un pazemes ūdeņi, jūru un okeānu ūdeņi, kuri klāj ≈ 70 % Zemes virsmas. Ūdeņi uzglabā, un to straumju kustība pārnes milzīgus enerģijas un izšķīdušās ogļskābās un citu gāzu daudzumus. Plūsmu termiskā inerce (lēni uzkrāj, bet arī lēni atbrīvo enerģiju) regulē Zemes klimatu un ir viens no galvenajiem klimata mainības cēloņiem.
Kriosfēra… Arktikas, Antarktīdas un Grenlandes ledāji, kontinentu ledāji, jūras ledus un grunts mūžīgais sasalums (pazemes apledojumu). Kriosfēru raksturo tas, ka ledāja virsma spēj atstarot krītošo Saules starojumu. Tai ir liela nozīme hidrosfērā noritošajos procesos. Ledāju segā ir uzkrājies liels daudzums ūdens, un tiek uzskatīts, ka, tiem izkūstot, jūru un okeānu līmenis varētu pacelties pat par 70 m.
Biosfēra… saistot ogļskābo gāzi un atbrīvojot skābekli un ūdens tvaikus, ietekmē atmosfēras sastāvu. Biosfērai ir centrālā vieta oglekļa aprites ciklā.
Minētie aplūkotie klimata sistēmas elementi mijiedarbojas, pie kam, Zemes klimatu ļoti būtiski var ietekmēt arī ģeoloģiskas katastrofas (lieli vulkānu izvirdumi, kontinentu pārvietošanās), kosmiskas katastrofas (piemēram, meteorītu triecieni) vai arī cilvēka darbība (jaudīgu atomieroču izmantošana, upju noteces kontinentāla mēroga pārdale).
Jebkuras izmaiņas klimata sistēmā neatkarīgi no tā, vai tās nosaka procesi, kas norit dabiski, vai arī cilvēka iedarbība, var ietekmēt citus sistēmas elementus un radīt klimata izmaiņas.
Atmosfēras procesus būtiski ietekmē elektromagnētiskā starojuma mijiedarbība ar atmosfēru veidojošām gāzēm. Atmosfēru pamatā veido slāpeklis (78 %) un skābeklis (21 %), bet arī ūdens tvaikiem un ogļskābajai gāzei ir būtiska nozīme klimata veidošanā.
Saules un Zemes starojuma intensitāte un spektrs (UV – spektra ultravioletā daļa; IR – infrasarkanais starojums; pēc Jacobson, 2002)
Ievērojama daļa Saules starojuma (γ stari, rentgenstari un ultravioletais starojums ar īsu viļņu garumu) Zemes virsmu nesasniedz, bet tiek saistīta atmosfēras augšējos slāņos vai arī atstarota kosmiskajā telpā. Zemes attāluma no Saules dažādos gadalaikos kontrasti Saules radiācijas sadalījumā, kā arī sezonālās starojuma izmaiņas spēj ietekmēt globālo klimatu. Saules starojuma enerģija ir gandrīz līdzsvarā ar Zemes virsmas atstarotās enerģijas daudzumu un enerģijas plūsma, kas sasniedz Zemes atmosfēras augšējos slāņus, pamatā tiek atstarota kosmiskajā telpā vai arī tiek absorbēta, mijiedarbojoties ar Zemes atmosfēru veidojošām gāzēm. Enerģijas plūsma, kas sasniedz troposfēru, ir vairs tikai neliela daļa.
Zemes enerģijas bilance („Climate Change 2007: The Physical Science Basis”, IPCC)
Aptuveni 30 % Saules starojuma tiek atstarots Visumā, turklāt daļu šīs enerģijas atstaro mākoņu sega un smalkās daļiņas, kas atrodas atmosfērā, proti, aerosoli. Gaišākie Zemes virsmas apgabali – sniegs, ledus un tuksneši – atstaro 1/3 Saules starojuma. Zemes virsma absorbē 51 % Saules starojuma, un šī enerģija tiek izlietota iztvaikošanas procesos (23 %), konvekcijas un advekcijas procesos (7 %) un Zemes virsmas infrasarkanā starojuma veidā (≈ 21 %). Lielas izmaiņas klimata sistēmā var izraisīt vulkānu izmestais materiāls – aerosoli, kas paceļas lielā augstumā. Katastrofiski vulkānu izvirdumi var pazemināt globālo virsmas temperatūru uz vairākiem mēnešiem vai pat gadiem. Arī cilvēka veidotie aerosoli var ietekmēt Saules gaismas atstarošanu. Koncepcijai, ka Zemes atmosfēras sastāvs var ietekmēt Zemes klimatu un no Saules saņemto enerģijas daudzumu, ir vairāk nekā 100 gadu. Pirmie atmosfēras gāzu sastāva ietekmi uz Zemes klimatu pētīja angļu fiziķis Džons Tindals un zviedru ķīmiķis Svante Areniuss. Zemes virsma galvenokārt izstaro infrasarkano jeb siltuma starojumu. Arī no Zemes virsmas atstarotais infrasarkanais starojums spēj mijiedarboties ar atmosfēru veidojošām gāzēm.
No Zemes virsmas izstarotā starojuma spektrs un mijiedarbība ar atmosfēru veidojošām gāzēm (pēc Jacobson, 2002)
Vairākas atmosfēru veidojošas gāzes spēj intensīvi absorbēt infrasarkano starojumu. Šādas gāzes ir ogļskābā gāze (CO2), metāns (CH4), ozons (O3) un ūdens tvaiki, kā arī slāpekļa oksīds (N2O) un cilvēka darbības rezultātā atmosfērā nokļuvušās gāzes – hlorfluorogļūdeņraži (freoni) un sēra heksafluorīds (SF6). Ņemot vērā iedarbības efektu, šīs gāzes sauc par siltumnīcefekta gāzēm. Jo augstāka ir siltumnīcefekta gāzu koncentrācija atmosfērā, jo vairāk infrasarkanā starojuma (siltuma) tiek aizturēts Zemes atmosfērā, un līdz ar to pieaug Zemes virsmas temperatūra. Ja Zemes atmosfēru veidotu tikai slāpeklis un skābeklis – gāzes, kas neietekmē Zemes starojumu, – Zemes vidējā temperatūra būtu tikai 6 ºC (faktiski tā ir aptuveni +15 ºC). Dabīgā siltumnīcefekta pastāvēšana nodrošina to, ka mūsdienās temperatūra uz Zemes atbilst dzīvības pastāvēšanas priekšnoteikumiem. Siltumnīcefekts pastāv ne tikai uz Zemes. Tiek uzskatīts, ka tas nosaka klimatu arī uz Venēras, un siltumnīcefekta dēļ temperatūra uz šīs planētas sasniedz pat 450 ºC.
Dažādās siltumnīcefektu veidojošās gāzes var atšķirīgi ietekmēt Zemes klimatu gan ņemot vērā to spēju atstarot atpakaļ infrasarkano starojumu, gan arī to koncentrāciju atmosfērā. Ja CO2 potenciālo ietekmi uz Zemes klimatu pieņem par 1, tad citu siltumnīcefektu izraisošo vielu relatīvais potenciāls ietekmēt Zemes siltuma bilanci var būt ievērojami lielāks: metānam tas ir 28, N2O – 265, bet freonam CF3Cl – 3400. Zinot siltumnīcefektu gāzu radiācijas daudzumu, var novērtēt, kādas izmaiņas radīs to koncentrācijas pieaugums atmosfērā un kāda būs šī pieauguma ietekme.
Pēdējo 10 000 gadu laikā, bet it īpaši pēdējā gadsimta laikā, trīs nozīmīgāko siltumnīcefekta gāzu (CO2, CH4, N2O) koncentrācija Zemes atmosfērā ir ievērojami pieaugusi, un līdz ar to palielinājies Saules starojuma daudzums, kas tiek atgriezts atpakaļ uz Zemes virsmas. No tā sekojoši neapstrīdams ir fakts, ka siltumnīcefekta gāzu emisijas rada tiešu ietekmi uz klimata pārmaiņām. Neatkarīgi no tā, vai cilvēka ietekme ir liela vai maza saistībā ar siltumnīcefekta gāzu efektiem klimata pārmaiņu kontekstā, šie jautājumi ir būtiski planetārā mērogā un to risināšana atkarīga ne tikai no attīstīto valstu iespējām un gribas, bet arī no ikkatras valsts, reģiona un pat indivīda rīcības tagad un turpmāk.
Literatūra
- Basic information on climate change http://www.cruuea.ac.uk/cru/info
- Greenhouse gases and climate change http://www.ieagreen.org.uk
- Composition and structure of the atmosphere: http://www.met-office.gov.uk/education/training/atmospghere.html
- Sunspots and climate: http://earthobservatory.nasa.gov/Library/SORCE/
- Ocean currents and climate change: http://pik-potsdam.de/~stefan/Lectures/ocean_currents.html
- Climate of the Earth: http://www.windows2universe.org/earth/climate/cli_define.html
- Climate: https://www.climate.gov/
- World climate: http://www.climate-charts.com/index.html
PS Šis raksts tapis ar projekta “Klimata izglītība visiem” atbalstu, ko finansē Eiropas Ekonomiskās zonas finanšu instruments.