Ingen enkel forklaring
Klimaet er i konstant endring, på korte skalaer og lange skalaer, og det er ingen enkel forklaring på hvorfor det opp gjennom den geologiske historien har blitt kaldere og varmere, om og om igjen. I den første av seks artikler om hvorfor klimaet er i kontinuerlig endring, ser vi på hva som skjer på lange tidsskalaer (milliarder til hundrevis av millioner år, første ordens klimaregulerende faktorer[1]). I de påfølgende artiklene ser vi på kortere tidsskalaer (millioner til hundretusener, tusener og ned til tiår/enkeltår). Alle artiklene i denne serien finner du her.
I tidligere artikler har vi sett at Jordas klima ikke er statisk. Det er i høyeste grad dynamisk. Ikke bare i vår tid. Gjennom flere milliarder år har det vært slik. Helt siden Jorda ble dannet for 4567 millioner år siden.
Årsaken til dagens klimaendringer er de aller fleste klar over. De er forårsaket av menneskenes økte utslipp av drivhusgasser. Det er det i all hovedsak vitenskapelig enighet om, og den bakenforliggende teorien er forstått[2].
Ser vi bakover i tid, i et geologisk tidsperperspektiv, er bildet betydelig mer komplisert.
For å forstå endringene over tid må vi ta inn over oss at Jorda er en dynamisk planet. Den er ingen enkel, kjedelig «steinkule» som sveiver rundt sola og sammen med denne og de andre planetene suser gjennom verdensrommet. Den er i stedet en komplisert «organisme» som lever sitt eget liv styrt av landmassenes stadig omskiftende posisjoner (kontinentaldrift).
Vi må derfor se på drivkreftene bak – og årsakene til – klimaendringene gjennom geologisk tid som et resultat av prosesser i litosfæren, hydrosfæren, biosfæren og atmosfæren[3]. Kontinentaldrift er her – ikke bare essensielt – men fundamentalt viktig.
Så må vi selvsagt ikke glemme sola. Den er selve forutsetningen for at vi i det hele tatt er her.
Grunnleggende kunnskap
Ifølge teorien om kontinentaldrift beveger kontinentene på Jorda seg i forhold til hverandre. Tektoniske plater – litosfæreplater – består av både kontinenter og havområder, og det er egentlig disse som beveger seg i forhold til hverandre. Kontinentene og havene følger bare passivt med. Vi snakker derfor nå om platetektonikk (gresk tektonikos som betyr å bygge) heller enn om kontinentaldrift. Kilde: snl.no.
Paleotemperatur
Å måle temperaturen med et termometer (gresk thermo som betyr varme og meter som betyr å måle) har kun vært mulig i noen få hundre år. Men gjennom å studere biologiske signaturer fra pollen og trekjerner, samt kjemiske og strukturelle signaturer fra stein, mineraler, fossiler, dyphavssedimenter, fossiliserte korallrev og iskjerner, såkalte proxies (fra engelsk proxy som betyr stedfortreder), har geologene klart å rekonstruere hvordan klimaet har variert opp gjennom hundreder, tusener, millioner og milliarder av år (paleoklima).
Premisset
At Jorda har en atmosfære (luft), er helt avgjørende for at det i det hele tatt finnes værsystemer.
Uten en isolerende atmosfære som blokkerer sollys om dagen og holder varme tilbake om natten, ville temperaturen variert like mye som på månen: Iskaldt om natten (-183 °C), kokvarmt om dagen (106 °C).
De innerste planetene i solsystemet, Merkur og Venus, illustrerer også dette poenget godt. På Merkur, som ikke har atmosfære, er gjennomsnittstemperaturen på overflaten 167 °C, mens den på Venus, som har atmosfære, er 464 °C, og det til tross for at Venus går i bane lenger bort fra sola enn Merkur gjør.
Atmosfæren er det svært tynne luftlaget – omtrent 100 km – som omgir Jorda. Jordas radius er til sammenligning 6378 km (ved ekvator). Stratosfæren, der aerosoler (som reduserer innstrålingen til Jordas overflate) dannes og akkumuleres etter store, eksplosive vulkanutbrudd, ligger 10-50 km over jordoverflaten. Skyene (bildet) ligger kun i troposfæren (0-10 km over jordoverflaten). Foto: NASA
Drivhusgassene er helt nødvendige
Atmosfæren inneholder vanndamp, metan, nitrogenoksid og ørsmå mengder karbondioksid (CO2). Samlet kaller vi disse drivhusgasser, og de betyr alt for at den globale middeltemperaturen i dag er 15 °C. Uten drivhusgassene ville gjennomsnittstemperaturen på Jorda vært -18 °C[4].
De fysiske lovene har ikke endret seg med tiden.
En rekke varmeperioder gjennom Jordas historie blir derfor forklart med forhøyet innhold av drivhusgasser. Likeledes blir en rekke nedkjølinger forklart med redusert innhold av drivhusgasser.
I sen kritt tid (Cretaceous Thermal Maximum) var det for eksempel åtte til ti grader varmere enn i vår tid, og de høye temperaturene faller sammen med et CO2-nivå i atmosfæren på mer enn 1000 ppm, mot 420 ppm i dag, og 280 ppm før den industrielle revolusjon.
I siste del av karbon tid var det derimot mye kaldere enn i vår tid (Den senpaleozoiske istid; «Seks unntak – minst»), og CO2-nivået var langt under dagens nivå, ned mot 100 ppm.
- Vanndamp – H2O
- Karbondioksid – CO2
- Metan – CH4
- Nitrogenoksider
- Klorfluorkarboner (KFK)
Den relative betydningen av disse for atmosfærens oppvarming måles gjerne i CO2-ekvivalenter, der CO2 utgjør 80 prosent, mens CH4 utgjør 10 prosent. Vanndamp er den mest voluminøse, men menneskenes utslipp antas å ha minimal betydning.
Solinnstråling og drivhusgasser
Det aller viktigste for overflatetemperaturen på Jorda er den energien vi får fra sola, og denne henger igjen sammen med solas intensitet og Jordas avstand fra sola.
Mens avstanden mellom Jorda og sola ikke har endret seg nevneverdig siden Jorda ble dannet, har solas intensitet derimot økt med 25-30 prosent.
Solinnstrålingens intensitet har økt jevnt gjennom hele Jordas historie. Til tross for dette har det ikke blitt jevnt varmere. I stedet har temperaturen vært i kontinuerlig endring. Global oppvarming og global nedkjøling er det normale (geo365.no: «Klimaets gåtefulle variasjoner»). Vertikal akse: fraksjon av 1 (1=dagens solinnstråling). Horisontal akse: milliarder år før vår tid. f = fanerozoikum. Data etter https://nap.nationalacademies.org/read/11798/chapter/7
Da er det nærliggende å tro at Jorda skulle vært dekket av is (eller i mangel av vann, vært svært kald) da den var ung. Men funn av fossiler (encellete organismer) viser at det var liv allerede for 3,7 milliarder år siden. Forekomsten av sedimentære bergarter som er 3,8 milliarder år gamle er også sterke bevis for at det var flytende vann (hav) den gang.
Det er altså mye som tyder på at temperaturene på Jorda ikke var veldig forskjellige noen hundre millioner år etter at den ble dannet fra hva de er i dag.
Like etter dannelsen bestod overflaten av en smelte, og det var ingen atmosfære. Da planeten ble avkjølt, oppstod en atmosfære som kom fra gasser spydd ut av vulkaner: hydrogensulfid (H2S), metan og karbondioksid.
Forskerne forklarer de høye temperaturene tidlig i Jordas historie med at atmosfæren hadde et svært høyt innhold av drivhusgassene karbondioksid, metan og vanndamp. Innholdet av karbondioksid kan ha vært så mye som hundre ganger dagens nivå, eller mer, altså minst 40 000 ppm, eller fire prosent, mens bakterielignende organismer konverterte CO2 og hydrogen til CH4 (metan) for i alle fall 3,8 milliarder år siden[5].
Det blir også påstått at det kan ha vært mer enn nok metan i den tidlige atmosfæren til å varme opp Jorda uten hjelp av karbondioksid.
Vulkanene spydde også ut svoveldioksid (SO2) som genererte aerosoler i stratosfæren og ga en avkjølende effekt (aerosoler og betydningen av dem er forklart i denne artikkelen «Askesky truet menneskenes eksistens».
Drivhusgassene kompenserte altså for lav solenergi.
Jordas indre
Varmen fra Jordas indre bidrar bare med en minimal brøkdel (0,05 watt/m2) til oppvarmingen av atmosfæren i forhold til solas bidrag (342 watt/m2). En helt annen sak er at varmen fra Jordas indre (restvarme fra Jordas dannelse og varme fra nedbrytning av radioaktive grunnstoffer) driver prosesser i geosfæren (platetektonikk).
Solstrålenes intensitet (energi) i kombinasjon med drivhusgasser er bestemmende for Jordas klima på en tidsskala som strekker seg over milliarder av år. Foto: Petra fra Pixabay
Mer oksygen kan ha gitt avkjøling
For 3 milliarder år siden var atmosfæren nærmest oksygenfri.
600 millioner år senere, for 2,4 milliarder år siden, stod anaerobe cyanobakterier (tidligere kjent som blågrønnalger) bak en plutselig økning i atmosfærens oksygeninnhold («Great Oxidation Event»). Gjennom fotosyntesen frigjorde havene oksygen som for de anaerobe bakteriene var giftig, og 90 prosent av dem ble utslettet.
Til å begynne med reagerte oksygenet med oppløst jern som det var mer enn nok av i verdenshavene den gangen. På havbunnen ble det dermed avsatt ikke-oppløselig jern. Bevisene ser vi i store jernmalmforekomster («banded iron formations») som produserer mesteparten av det verden trenger av dette metallet. Bjørnevatnforekomsten utenfor Kirkenes er en slik avsetning (geo365.no: «Seks unntak – minst»).
Etter at havene var tømt for jern, gikk oksygenet (O2) opp i atmosfæren.
Oksygenet reagerte der med metan og produserte CO2. Men fordi metan er en mer potent drivhusgass enn karbondioksid (28 ganger sterkere), kan drivhuseffekten paradoksalt nok ha avtatt og forårsaket nedising. Dette er foreslått som mekanismen bak huronistiden for 2 400-2 100 millioner år siden (geo365.no: «Seks unntak – minst»).
Mindre oksygen gir høyere temperatur
For 2 milliarder år siden hadde oksygennivået i atmosfæren nådd 1 prosent, og for 800 millioner år siden var det kommet opp i 21 prosent (tilsvarer dagens nivå). Det betød at komplekse organismer kunne puste (geo365.no: «Livets utvikling er fortsatt en gåte»).
Gjennom fanerozoikum (de siste 539 millioner årene) har oksygeninnholdet i atmosfæren variert mellom 10 og 35 prosent.
Mens det lenge har vært antatt at mengden oksygen ikke har hatt noen effekt på klimaet (oksygen er ikke en drivhusgass), foreslår ny forskning at redusert oksygennivå kan gi økt temperatur, mens økt oksygennivå kan gi lavere temperatur. Forklaringen er en såkalt tilbakekoplingsmekanisme. Mindre oksygen gir tynnere atmosfære og sterkere innstråling, hvorpå atmosfæren blir fuktigere. Fordi vanndamp er en drivhusgass, blir varme «fanget» nær overflaten, og atmosfærens temperatur øker. Følgelig stiger temperaturen. Økt oksygennivå har motsatt effekt.
Det ovenstående viser at det ikke er noen enkel relasjon mellom oksygen, drivhusgassene og Jordas overflatetemperatur. Forskerne synes likevel å være enige om at drivhusgassene spiller en vesentlig rolle i å holde Jorda varm på korte som vel som lange tidsskalaer.
Samlet kan vi kalle energien fra solinnstråling i kombinasjon med vekslende innhold av drivhusgasser – som opererer over en tidsskala på milliarder av år – første ordens klimaregulerende faktor.
Neste artikkel
Den platetektoniske syklusen, der kontinentene flytter rundt mens havene endrer form og strømningsmønstre, er bestemmende for klimaet over en tidsskala på titalls til hundrevis av millioner år. Dette er tema for neste artikkel.
Kommentarer er velkomne: halfdan@geo365.no
[1] L. C. Gerhard, W. E. Harrison og B.M. Harrison. Global Perspectives of Global Climate Change. 2001.
[2] Lawrence Krauss. The physics of climate change. 2021
[3] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780081029084001077
[4] Den franske matematikeren Josehp Fourier (1768-1830) var den første som forstod at atmosfæren holder på varme. Teorien om at drivhusgasser varmer opp Jorda er altså mer enn 200 år gammel.
[5] Øyvind Hammer. Livets historie gjennom fire milliarder år». GEO 08/2008.