For å forstå klimaet gjennom Jordas historie kommer vi ikke utenom kontinentaldriften med de konsekvensene den har hatt for en rekke klimaregulerende faktorer.
Himalaya – årsak til kaldere og våtere klima: Fjellkjeden Himalaya har styrt – og styrer fortsatt – klimaet på minst to forskjellige vis. Det ene bunner i kjemisk forvitring som trekker atmosfærens CO2-innhold ned og gjør kloden kaldere. Det andre har sammenheng med at monsunen slipper nedbør over store deler av Asia i forkant av de høye fjellene.
Foto: Simon fra Pixabay
I den andre av seks artikler om hvorfor klimaet stadig er i endring, ser vi på hva som skjer på tidsskalaer som strekker seg over titalls til hundretalls av millioner år. I de to påfølgende artiklene ser vi på hvorfor klimaet endrer seg på kortere tidsskalaer (hundretusener, tusener og ned til tiår/enkeltår). Alle artiklene i denne serien finner du her.
Da Panamastredet lukket seg for 3,5 millioner år siden, endret dette havstrømmene på begge sider av det amerikanske kontinentet. Den ekvatoriale strømmen mellom Atlanterhavet og Stillehavet endret retning og fortsatte som Golfstrømmen. Et nytt klimasystem med fuktig havvann strømmet nordover og la grunnlaget for Istiden.
Her har vi et eksempel på at langsomme bevegelser i jordskorpen la grunnlaget for en ny istid.
Platebevegelser endrer havstrømmene Da den åpne passasjen mellom Nord-Amerika og Sør-Amerika (Panamastredet) ble lukket, oppstod Golfstrømmen. Flere forskere betrakter hendelsen som den viktigste årsaken bak istidene i kvartær. (Her er platekonfigurasjonen rundt Panama.) Illustrasjon: NASA
Da det sent i urtiden var blitt så kaldt at is la seg over det meste av kloden (geo365.no: «Seks unntak – minst»), var kontinentene samlet i et superkontinent. Grunnen til nedkjølingen kan være at kontinentkollisjonene i forkant av at kontinentene samlet seg, bygget fjellkjeder som forvitret, hvorpå CO2 ble trukket ut av atmosfæren og reduserte drivhuseffekten (se faktaboks lenger ned). Da kontinentene var samlet, var også vulkanismen på et lavmål, og bare små mengder drivhusgass ble tilført atmosfæren.
Her har vi et eksempel på at langsomme bevegelser i jordskorpen legger grunnlaget for globale istider.
Platebevegelser endrer klimaet Under huronistiden for 2400-2100 millioner år siden var kontinentene samlet i et superkontinent (Kenorland). Illustrasjon: Oleg Kuznetsov /Wikimedia Commons
Den grunnleggende årsaken bak disse tre eksemplene på klimaendringer er at jordplatene flytter seg i forhold til hverandre. I det følgende skal vi se hvordan den platetektoniske syklusen har hatt betydning for både globalt og regionalt klima.
Platetektonikken legger grunnlaget
Ifølge teorien om platetektonikk – der kontinentene flytter på seg og kontinuerlig lager nye konstellasjoner av kontinenter, hav, havstrømmer og vinder – er Jordas ytterste skall delt opp i 6–8 større og flere mindre plater (til sammen minst 14). Platetektonikken er også grunnlaget for å forstå klimaendringer over lange tidsskalaer (millioner av år).
I et fugleperspektiv kan platene minne om et puslespill. Forskjellen er at Jordas brikker er i bevegelse. De flytter på seg med en hastighet på noen få centimeter i året. Puslespillbitenes posisjoner endrer seg altså med tiden. Puslespillet er dynamisk, og nettopp dette legger grunnlaget for endringer i klimasystemene opp gjennom geologisk tid.[1]
Da teorien om platetektonikk ble lansert på 1960-tallet, revolusjonerte den geologenes tankesett fullstendig (geo365.no: «Et paradigmeskifte som forandret geovitenskapene»). Den er i dag selve er grunnlaget for god geologiske forståelse, og for hvordan vi ser på Jordas utvikling.
Den platetektoniske syklusen uttrykker at kontinentene (alle verdens landområder), med noen hundre millioner års mellomrom, samles i superkontinenter, før de etter en tid igjen deler seg i mindre kontinenter.
Det er flere grunner til at den platetektoniske syklusen – innbefattet spredningsrygger (med vulkanisme), kontinentkollisjoner (med fjellkjedebygging) og subduksjon (med vulkanisme) – påvirker klimaet i det lange løp. Her tar vi for oss de antatt viktigste. Men først noen ord om kontinentaldrift og paleogeografi.
Kontinentenes og havenes posisjoner De tektoniske platenes bevegelser bestemmer kontinentenes og havenes posisjoner på Jorda til enhver tid. Det tidligere Panamastredet, der vannet fløt fritt mellom to verdenshav nesten helt fram til for tre til fire millioner år siden, er markert med blå strek. Lukkingen av stredet betyr at havstrømmene er blokkert fra å bevege seg parallelt med ekvator, og opphør av ekvatoriale strømmer har blitt forklart som årsak til nedkjølingen i kvartær tid[1]. Foto: Wikimedia Commons [1] L.C Gerhart, W.E. Harrison og B.M. Hanson: Geological Perspectives of Global Climate Change, AAPG Studies in Geology #47, 2001.Paleogeografi[2] – et skiftende bilde
Da ideen om kontinentaldrift ble foreslått for mer enn hundre år siden (første gang i et foredrag i 1912), var den intet mindre enn banebrytende. Derfor ble den heller ikke godtatt av datidens (konservative) forskere (geo365: «Allviteren som forsvant i kulden»).
Den østerrikske vitenskapsmannen Alfred Wegener (1880-1930), med bakgrunn i fysikk, meteorologi og astronomi, postulerte i sin bok Die Entstehung der Kontinente und Ozeane (1915) at alle verdens landområder en gang hadde vært samlet i ett stort superkontinent, Pangea (fra gresk pan «hele» og Gaia/Gaea fra «Jorda»).
I dag er kontinentaldrift akseptert kunnskap som inngår i teorien om platetektonikk.
Det er gjennom studier av de platetektoniske bevegelsene at vi kan forstå at Jordas paleogeografi – fordelingen av land og hav på ulike lengde- og breddegrader – har endret seg kontinuerlig gjennom flere milliarder år.
Hele verden samlet For 300 til 180 millioner år siden var det meste av Jordas landmasser samlet i ett kontinent (Pangea). Norge ligger midt i den røde sirkelen. Også for 200 millioner (tidsbildet på figuren) lå landet vårt på nordlige breddegrader, men det var på vei fra den sørlige til den nordlige halvkulen. Nordkysten av Finnmark hadde imidlertid ikke drevet lenger nord enn der Oslo ligger i dag (60 oN). Det som preger Pangeas paleogeografi på den tiden er at landmassene strekker seg i et sammenhengende belte fra Sydpolen til Nordpolen, og at dette hindret ekvatoriale havstrømmer. Havet rundt har fått navnet Pantalassa (fra gresk pan «hele» og lassa fra «hav»). Illustrasjon: Wikimedia Commons
Fra karbondioksid til kalkstein
Karbondioksid (CO2) spys ut i atmosfæren fra vulkanutbrudd. Utslippene fra hvert enkelt utbrudd er ikke store. Det er (i et menneskelig tidsperspektiv) sjelden snakk om store omveltinger. Det voldsomme utbruddet fra Pinatubo på Filippinene i 1991, da temperaturen på Jorda falt med nærmere én grad på ett år, viste for eksempel at selv uvanlige, kraftige hendelser ikke gir langvarige globale konsekvenser.
Over geologisk tid – millioner og milliarder av år – blir det likevel stadig voksende volumer fra et uendelig antall utbrudd («mange bekker små gjør en stor å»). Jorda trenger derfor en mekanisme som fjerner CO2. Ellers vil konsentrasjonen av drivhusgassen i atmosfæren stige kontinuerlig. Akkurat det ville ha gjort planeten vår fullstendig ubeboelig.
Mekanismen som fjerner CO2 fra atmosfæren kalles kjemisk forvitring. Når CO2 kommer ut i atmosfæren som gass, får den kontakt med vann i gassform (H2O). De to gassene reagerer kjemisk og danner karbonsyre, eller kullsyre (CO2 + H2O ⇌ H2CO3.). All nedbør er derfor en svak syre[3].
CO2–nivået i atmosfæren blir ifølge denne reaksjonen redusert.
Når karbonsyre faller ned på bakken i form av nedbør, reagerer den med mineralene i bergartene, hvorpå mineralene løses opp. Fra feltspat, som er det aller vanligste mineralet i jordskorpen, dannes både kalsiumioner (Ca+) og karbonationer (HCO3-), i tillegg til ørsmå partikler (for eksempel leire).
Basalt, som flyter ut på jordoverflaten under vulkanutbrudd, inneholder hovedsakelig kalsiumrik feltspat. Forvitringen starter når det faller sur nedbør som siver gjennom sprekker og hulrom.
Bekker og elver tar med seg forvitringsproduktene til havet. Partiklene blir avsatt på bunnen, mens kalsium- og karbonationene blir fanget opp av organismer som lager kalkskall, for eksempel skjell, snegler, koraller og plankton.
Når organismene dør, synker de til bunns, og skallene vil bygge lag på lag med kalkstein.
På denne måten blir altså CO2 fjernet fra atmosfæren. Drivhusgassen blir lagret på havbunnen i kalkstein (CaCO3). Konsekvensen er at drivhuseffekten blir redusert og atmosfæren nedkjølt.
Fjellkjeder kan gi avkjøling
Den platetektoniske syklusen innebærer at gigantiske fjellkjeder bygges når to kontinenter kolliderer. På den måten kan grunnlaget for nedkjøling gjennom forvitring bli lagt (se faktaboks over).
Himalaya er ett eksempel. India (Den indoaustralske platen) beveger seg nordover og kolliderer med Asia (Den eurasiske platen) og danner det som i dag er verdens høyeste fjellkjede. Kollisjonen begynte for 35 millioner år siden, og nedbrytningen kan ha gitt avkjøling som strekker seg over titalls millioner år. Kanskje er det nettopp denne mekanismen som forklarer et stadig kaldere klima gjennom kenozoikum (geo365.no: «Klimaets gåtefulle variasjoner»).
Den kaledonske fjellkjeden, som var like stor som Himalaya, er et annet eksempel på hvordan den platetektoniske syklusen endrer landskapet (geo365.no: «Den moderne fjellkjedens dype røtter») og kanskje påvirker klimaet over lang tid. Så vidt jeg har bragt på det rene, er ikke nedbrytningen av denne satt i sammenheng med verken regionale eller globale klimaendringer. I Landet blir til. Norges geologi (2009) er heller ikke klima(endringer) gjennom silur og devon (da kollisjonen skjedde) et tema.
En fjellkjede bygges Når to kontinentalplater kolliderer, oppstår en fjellkjede. Prinsippet for dannelsen av Himalaya i nyere tid er det samme som for Den kaledonske fjellkjeden for mer enn 400 millioner år siden. Illustrasjon: Modifisert fra Wikimedia CommonsReduserer CO2-nivået Mekanisk forvitring gjør at bergartene smuldrer opp og bidrar til at den kjemiske forvitringen er mer effektiv. Vi kan sammenligne med filtreringen av kaffe som er mer effektiv når råstoffet er finmalt. Foto: Halfdan Carstens
Minst sju superkontinenter har eksistert gjennom Jordas historie. Det første allerede for 3,6 milliarder år siden. Det siste (og mest kjente) var Pangea som samlet alle verdens kontinenter for 300 millioner år siden og begynte sprekke opp for 200 millioner år siden. Utviklingen etter har gitt oss den fordelingen av land og hav som Jorda har i dag.
Superkontinentene er et resultat av den platetektoniske syklus som gjentar seg med omtrent 500 millioner års mellomrom.
Mange forskere hevder at oppbygginger av superkontinenter har vært årsak til klimaendringer både på global og regional basis. Den sørligste delen av Pangea var for eksempel nediset i den senpaleozoiske istiden (karbon/perm; geo365.no: «Seks unntak (minst)»).
Nedisingen har blitt satt i sammenheng med CO2-nivået. I tidlig karbon tid var snitt-temperaturen på Jorda 20 °C og CO2-innholdet 1500 ppm (mot 15 °C og 420 ppm i dag), mens det sank til 12 °C og 350 ppm CO2 sent i karbon tid.
Istid over Gondwanaland Om den senpaleozoiske istidsperioden (karbon/perm) omfattet én eller flere istider, er ikke forskerne enige om. Men istidsavsetninger levner ingen tvil om at det var kaldt gjennom titalls millioner år. At kontinentene da var samlet, kan være årsak til et lavt CO2-innhold i atmosfæren med resulterende istid. Illustrasjon: Modifisert fra Wikimedia Commons
Istidsperioden (kryogenistiden), som inntraff for 717 millioner år siden (mot slutten av urtiden), da verdens kontinenter var samlet i ett (Rodinia), kan også være forårsaket av at alle jordens landmasser var samlet i et superkontinent. I perioder kan til og med Jorda ha vært fullstendig eller delvis dekket av is («Snøballen Jorden»).
Australske forskere har nylig gjort modelleringer av CO2-innholdet i atmosfæren i kryogen tid (720-635 millioner år siden) som funksjon av to forhold: det ene er redusert tilførsel av CO2-gass til atmosfæren grunnet lite vulkansk aktivitet langs midthavsryggene (de hadde mye mindre utstrekning enn i vår tid), det andre er redusert CO2-innhold grunnet forvitring av fjellkjeder.
Konklusjonen deres er at CO2-nivået falt til et nivå hvor nedkjølingen er så stor at isbreer begynner å vokse (200 ppm, mot 420 ppm i dag). Det laveste nivået faller også sammen med begynnelsen på den kryogene istiden (kalt sturt).
Andre har foreslått at termisk oppløft og lave havnivåer (mer areal blir eksponert) trekker ned CO2-nivået i atmosfæren ytterligere. Slike effekter kan også ha spilt en rolle for økt forvitring og medfølgende avkjøling.
Omvendt vil en oppsplitting av superkontinentene kunne gi oppvarming. Dette har sammenheng med at superkontinentet deler seg gjennom rifting og vulkanisme. Store mengder med CO2 og andre drivhusgasser kastes ut i atmosfæren og bidrar til oppvarming. At havnivået også stiger, når kontinentene synker inn, vil også redusere forvitringen fordi mindre areal blir tilgjengelig.
På denne måten kan Jordas klima ha blitt styrt av den episodiske sammenslåingen av kontinenter til superkontinenter.
I tillegg vil superkontinentene ha innvirkning på havstrømmer, vindmønstre og Jordas albedo.
Forklaringene referert til ovenfor er kvalitative. Det ser ikke ut til at det er mange kvantitative analyser (modelleringer) som verifiserer i hvor stort omfang kjemisk forvitring bidrar til at CO2 trekkes ut av atmosfæren i så store mengder at den avkjøles. Dette til forskjell fra den dokumenterte forståelse av hvorfor Jorda blir varmere i vår tid.
Havstrømmene fordeler varme
Med stort volum og stor varmekapasitet absorberer, transporterer og frigir hav og havstrømmer termisk energi og styrer på den måten klimaet over hele Jorda.
Gjennom geologisk tid er det posisjonen av kontinentene og forbindelsen mellom de forskjellige havbassengene som bestemmer hvor havstrømmene tar veien, og dermed også varmebalansen på Jorda. Kontinentenes plassering på Jorda er altså avgjørende for både det regionale klimaet og det globale klimaet.
Golfstrømmen eksemplifiserer dette prinsippet veldig godt (se faktaboks under). Den er mulig fordi vann kan strømme fritt mellom den nordlige og sørlige halvkulen, og vi kan se på den som et transportbånd som tar med seg varm og fuktig luft til polare områder og legger fra seg nedbør i form av snø. Hvis det er så kaldt at den ikke smelter om sommeren, bygges isbreer og til slutt innlandsis.
Når ekvatoriale strømmer dominerer, slik de har gjort mange ganger i Jordas historie, vil Jorda derimot ha et varmt klima med små forskjeller mellom nord og sør[4]. Forklaringen er at strømmene (gjennom bl.a. virvelstrømmene, se figur) fordeler varme fordi varmt vann blir dirigert mot høyere breddegrader.
I siste del av kritt tid var det for eksempel svært varmt, og da kunne vann strømme fritt mellom Sør- og Nord -Amerika, mellom Afrika og Europa og mellom India og Asia. I tillegg må altså mye varmt havvann ha strømmet både nordover og sørover.
Alle istidsperiodene (geo365.no: «Seks unntak (minst)») i Jordas historie har forekommet da landmassene var samlet[5]. I perioder da landmassenes plassering tillot ekvatoriale strømmer, var det derimot varmere.
Over geologisk tid må vi se for oss at kontinentaldrift endrer havstrømmene og legger grunnlaget for betydelige endringer i klimaet. At endringene krever lang tid sier seg selv med bakgrunn i at kontinentene beveger seg med bare noen få cm i året.
Et annet eksempel på havstrømmenes klimaregulerende kraft har sammenheng med at Australia og Antarktis skilte lag for omtrent 40 millioner år siden, hvorpå Arktis ble isolert. Havstrømmene begynte da å rotere rundt kontinentet (Sørishavsstrømmen). At denne strømmen (verdens største målt i vanntransport) skilte Antarktis fra varmere strømmer lenger nord, er foreslått som årsak til nedisingen av kontinentet som begynte for 34 millioner år (geo365.no: «Klimaets gåtefulle variasjoner»). Bakteppet for denne nedisingen var at det allerede hadde blitt betydelig kaldere pga. den globale nedkjølingen gjennom det meste av kenozoikum (geo365.no: «Et langvarig og gigantisk klimakaos»).
Golfstrømmen
Tenk deg Yakutsk i Russland i januar måned. Gradestokken viser jevnlig 35 minus. Ofte kaldere. Tenk deg så Ålesund i januar måned. Der er gjennomsnittstemperaturen 3 pluss. Ofte varmere. Det bemerkelsesverdige er at begge stedene ligger like langt nord (samme breddegrad). Forskjellen i temperatur skyldes geografisk beliggenhet. Mens Yakutsk ligger midt inne på det eurasiske kontinentet, ligger Ålesund ved kysten av det samme kontinentet.
Mer presist forklart er det Golfstrømmen som utgjør forskjellen. Den sørger for at Norge har det varmeste klimaet på Jorda i forhold til hvor langt nord vi befinner oss. Uten den hadde det vært like kaldt her som på østkysten av Grønland. Der går isbreene helt ned til kysten og ut i fjordene. Konsekvensen er at det nesten ikke bor mennesker der.
En av verdens sterkeste havstrømmer Golfstrømmen er en del av det globale sirkulasjonssystemet av havstrømmer og varmer opp Nordvest-Europa. Illustrasjon: USGS
Golfstrømmen dannes rundt ekvator, svinger innom Mexicogolfen, fortsetter nordover langs østkysten av USA, krysser Nord-Atlanteren og kommer inn mellom Færøyene og Skottland. Deretter fortsetter den videre langs Norskekysten. Langt nord i Norskehavet-Grønlandshavet blander den seg med kaldt, arktisk vann som øker vannmassenes tetthet. Dermed synker vannet ned på store dyp og strømmer tilbake til Atlanterhavet som en bunnstrøm langs vestkysten av Grønland og videre til sør i Atlanterhavet, hvor den blander seg med kaldt vann fra Weddelhavet. Strømmen fortsetter så mot ekvator hvor den kommer til overflaten. Syklusen tar omtrent tusen år.
Det har lenge vært hevdet at Golfstrømmen opphørte under siste istid. Forskere ved Norges arktiske universitet har imidlertid konkludert med at den fortsatte å strømme inn i Nordishavet, og at den gikk dypere og varmet opp bunnvannet. Ideen om at Golfstrømmen endret retning og traff Den iberiske halvøya, og at det derfor ble kaldere under siste istid, kan være en feilslutning.
Ny forskning spekulerer i om Golfstrømmen er i ferd med å endre retning pga. at isen over Grønland smelter. Hvis dette er tilfellet, med bakgrunn i hyppige klimaendringer (geo365.no: «Et langvarig og gigantisk klimakaos»), må Golfstrømmen ha skiftet retning veldig mange ganger gjennom kvartær tid.
Høye fjell gir regn
Så må vi ikke glemme at klima ikke bare har med temperatur å gjøre. Som vi nordmenn godt kjenner til, er vind og nedbør også med på å definere klimaet.
Eksempelvis vil kollisjonen mellom plater, med tilhørende oppbygging av høye fjellkjeder, påvirke verdens vindsystemer. For 35 millioner år siden, da India kolliderte med Asia og skapte Himalaya, endret dette vindmønstrene og skapte monsunen.
Monsunen er en type vind som styres av temperaturforskjeller mellom hav og land. Om sommeren stiger oppvarmet luft over land opp og forårsaker et lavtrykk. Fuktig luft blåser så inn mot land og legger fra seg nedbør når den møter fjellene og blir kaldere. Om vinteren skjer det motsatte. Vinden blåser fra høytrykk over land og ut i havet.
Monsunen er fortsatt virksom og gir de sørøstasiatiske landene rikelig med regn om sommeren. Den legger grunnlaget for en bondekultur der alle venter på det årlige sommerregnet.
Vi har et lignende fenomen i Norge. Solgangsbrisen dannes når lufta over land blir varmet opp om dagen (sees som cumulus-skyer), og kald luft driver inn fra havet. Om natten skjer det motsatte. Da blir det kaldere over land og vi får fralandsvind.
Livgivende regn Fuktig havluft kondenserer når den treffer Himalayas høye fjell. Det betyr nedbør over Sørøst-Asia om sommeren. Prosessen har foregått gjennom titalls millioner år, og den danner grunnlaget for menneskenes bruk av naturen gjennom hundretusener av år, herunder også landbruk i dag. Foto: Fredericknoronha/Wikimedia Commons
Oppblomstring gir avkjøling
Den livsnødvendige fotosyntesenforbruker karbondioksid, mens oksygen er et produkt fra den kjemiske reaksjonen. Mengden karbondioksid og oksygen i atmosfæren er[6] derfor avhengig av mengden planter.
Fordi fotosyntesen reduserer mengden med drivhusgasser i atmosfæren, kan en sterk økning i for eksempel mengden med skog gi et kaldere klima, og til og med istider hvis forholdene ellers ligger til rette.
Forskere spekulerer i om istidene i ordovicium (geo365.no: «Seks unntak (minst)») skyldes at plantelivet på den tiden nærmest eksploderte, og at atmosfæren ble tappet for drivhusgasser som så ble kaldere. Med mer planter økte også den kjemiske forvitringen (fordi plantenes røtter gir mekanisk forvitring) og reduserte CO2-nivået ytterligere.
Det finnes altså gode eksempler på at klimahistorien henger sammen med livets utvikling over lange tidsrom.
Samlet kan vi kalle konsekvensene av de platetektoniske bevegelsene – som opererer over en tidsskala på titalls til hundrevis av millioner år – andre ordens klimaregulerende faktorer.
Neste artikkel
I neste artikkel ser vi på hvordan klimaet endrer seg på tidsskalaer over titusener til hundretusener av år, og hvorfor Jorda gjennom kvartær tid – da det var blitt tilstrekkelig kaldt til at snø og is kunne legge seg rundt polene – har hatt istider og mellomistider i et regelmessig, rytmisk mønster.
[1] I et menneskelig tidsperspektiv må platene betraktes som stasjonære. Likevel er prosessene bak platebevegelsene aktive og skaper både jordskjelv og vulkanisme.
[2] Paleogeografi er en gren av geologien som rekonstruerer de geografiske forholdene i tidligere geologiske perioder, særlig fordelingen av hav og land og beliggenheten av de ulike kontinentene. snl.no
[3] At regnvann er svakt surt, er også årsaken til at kalkstein løses opp og det dannes karst og grotter.
[4] L.C Gerhart, W.E. Harrison og B.M. Hanson: Geological Perspectives of Global Climate Change, AAPG Studies in Geology #47, 2001.
