3. Klimata mainība un klimata pārmaiņas

3.1. Zemes klimats un tā veidošanos ietekmējošie faktori

Kaut arī Zemes, dažādu reģionu un ģeogrāfisku vietu klimats ir būtisks ne tikai ikdienas labsajūtai, bet tieši ietekmē arī lauksaimniecību, enerģētiku, tūrismu un citas nozares, klimats ir visai maz pētīts. Attīstītajās valstīs klimata novērošanas staciju ir pietiekami daudz, bet Pasaules okeānā, kur lielā mērā veidojas Zemes klimats, ir veikts maz novērojumu.

Ikdienas laikapstākļu, ciklonu un anticiklonu un Zemes mākoņu segas neviendabīgums un mainība labi saskatāma Zemes satelītuzņēmumos (sk. 3.1. att.).


Pēc http://www.solarviews.com/cap/earth/bluemarblewest.htm

Klimata veidošanos ietekmē daudzi faktori (sk. 3.2. att.).


Jāatceras, ka Zemes klimata elementi – atmosfēra, hidrosfēra, litosfēra un biosfēra – ir savstarpēji cieši saistīti un mijiedarbojas. Izmaiņas vienā sfērā var radīt izmaiņas kādā citā. Piemēram, zemestrīce var pacelt un paplašināt piekrastes zonu, izmainot piekrastes jūras vidi. Spēcīgs vulkāna izvirdums var izmest ievērojamu daudzumu lavas un aizšķērsot upes, izmainot to noteces sistēmu, kā arī radīt aerosolu koncentrācijas pieaugumu atmosfērā, kas savukārt var mainīt globālo temperatūru pat vairāku gadu garumā. Temperatūras izmaiņas var pamanīt, pētot ģeoloģiskos nogulumus, koku gadskārtu gredzenus, koraļļu augšanas ātrumu, ledāju dinamiku un skābekļa stabilo izotopu δ¹⁶O un δ¹⁸O attiecību ledāju dziļurbumos¹. Temperatūras svārstības pēdējā tūkstošgadē ir bijušas visai ievērojamas, bet, pamatojoties uz prognozēm, šīs simtgades laikā temperatūra var pieaugt vēl straujāk (sk. 3.3. att.).

---

¹ Temperatūras rekonstrukcija pēc skābekļa izotopu attiecības balstīta uz pieņēmumu, ka vieglākās ūdens molekulas iztvaiko ātrāk, bet kondensējas vēlāk, salīdzinot ar smagākajām. Izotopu attiecības novirze pētāmajā ūdens paraugā no to attiecības mūsdienu standarta okeāna ūdenī tiek izteikta ar rādītāju δ18O. Atrasta empīriska sakarība starp δ18O sniega ūdenī no dažādiem Grenlandes rajoniem un gaisa temperatūru. Šī sakarība tiek lietota, rekonstruējot paleoklimatu pēc δ18O no ledāju dziļurbumiem.

Uzskats, ka Zeme ir dinamiska sistēma un vienmēr bijusi mainīga, ir ticis akceptēts salīdzinoši nesen. Ikvienam redzams, ka laikapstākļi mainās ļoti strauji, bet izmaiņas, kas ietekmē dabas līdzsvaru Zemes sistēmā, t.i., Zemes garozas tektonisko plātņu pārvietošanās un klimata pārmaiņas, parasti notiek ļoti lēni un nav izmērāmas pat ar vairākiem cilvēka mūžiem. Tomēr gadās arī neparedzami izņēmumi. Spēcīgi vulkānu izvirdumi izraisa tik lielu gāzu un putekļu piemaisījumu stratosfērā, ka Saules radiācija tiek atstarota kosmosā, tādējādi sekmējot atmosfēras atdzišanu pat vairāku gadu garumā. 1883. gada augustā notika katastrofāls Krakatau izvirdums jūras šaurumā starp Javas un Sumatras salu, kas radīja ap 40 m augstu cunami vilni, nopostīja 165 piekrastes ciematus un aiznesa vairāk nekā 36 tūkstošus cilvēku dzīvību. Krakatau izvirduma laikā atmosfērā līdz 50 km augstumam tika izmesti ap 20 km³ vulkānisko pelnu. Stratosfērā nonākušie putekļi 13 dienu laikā aplieca zemeslodi un 1884. gadā izraisīja vidējās gaisa temperatūras pazemināšanos par 0,5 ºC.


Modificēts pēc IPCC, 2001.

Klimata sistēma ir sarežģīta, bet klimata mainības izpēte un klimata veidošanās procesu izpēte joprojām ir tikai sākuma stadijā. Šī zinātnes nozare nodarbojas ne tikai ar meteoroloģisko prognožu izstrādi, bet veic arī ievērojumus pētījumus vidē, procesu modeļu izstrādi un analīzi. Acīmredzams, ka pašreizējās zināšanas ir pretrunīgas un pieļauj vienu un to pašu faktu atšķirīgu interpretāciju. Tātad tikai izpētes turpināšana ļaus izprast cilvēka ietekmes apmērus un dabisko procesu ietekmes, kuras vispirms raksturo noteikts cikliskums.

Klimata rakstura un tā mainības izpētei izmantojami tiešie gaisa temperatūras un citu atmosfēras īpašību novērojumi, kas Eiropā ļauj spriest par klimata parādībām pēdējo gadsimtu laikā. Tiešos temperatūras mērījumus var salīdzināt ar hidrometeoroloģisko parādību novērojumiem: ledus iešanas sākumu upēs, ezeru ūdeņu aizsalšanas laikiem, lieliem plūdiem u.c. Tiešo novērojumu datus iespējams papildināt, izmantojot dažādas klimata rekonstrukcijas metodes, piemēram, koku augšanas ātruma analīzi. Šīs metodes pamatā ir fakti, ka labvēlīgos apstākļos koksnes pieaugums ir ātrāks un gadskārtējās koksnes gredzens – platāks. Līdzīgi klimata rekonstrukcijai izmantojama koraļļu pieauguma ātruma izpēte tropiskajos ūdeņos.

Klimatu raksturo ievērojama dabiskā mainība, nosacīti klimata optimuma periodi (piemēram, Ziemeļeiropā ap 1000. gadu) mijas ar vēsākiem periodiem (piemēram, tā sauktais „mazais ledus laikmets” Ziemeļeiropā no 1400. līdz 1750. gadam), kuru laikā vasaras bija ievērojami īsākas, ar zemāku temperatūru, ziemas aukstākas, bet ledus periodi uz ūdeņiem ilgāki.

Garākos laika posmos iespējams analizēt klimata mainību, izmantojot ledāju sastāva analīzi. Ledāju ledus (kalnos, Grenlandē, Antarktīdā) veidojas, sablīvējoties sniega masai, un tā vecums var sasniegt vairākus simtus tūkstošu vai pat pārsniegt miljonu gadu. Turklāt, veidojoties ledus masai, tajā tiek iekļautas gaisā esošās putekļu daļiņas, kā arī atmosfēru veidojošās gāzes. Veicot ledus gāzu sastāva analīzi, iespējams rekonstruēt atmosfēras ķīmisko sastāvu un arī klimatiskos apstākļus, kādi pastāvējuši ledāju veidošanās laikā. Klimata rekonstrukcija pēdējā miljona gadu laikā liecina par ievērojamu klimata mainību dabā norisošo procesu ietekmē (sk. 3.4. att.).

Klimata mainības raksturs norāda laika posmus, kad Zemes vidējā temperatūra ir bijusi ievērojami zemāka nekā pašlaik (ledus laikmetus), bet arī laikmetus, kad ir bijis siltāks nekā pašlaik, ko acīmredzami noteikusi klimata dabiskā mainība. Ņemot vērā izmaiņas fiziskajās un bioloģiskajās sistēmās, kas notikušas bez cilvēka līdzdalības dažādos Zemes attīstības posmos, ir iespējams raksturot, kāda bijusi sistēmas reakcija uz dabiskām izmaiņām vidē. Īpašu interesi izraisa tieši straujas un krasas klimata izmaiņas, tādas, kas notikušas gadsimta laikā vai pat īsākā laika posmā, jo šīs analoģijas var tikt izmantotas nākotnes klimata izmaiņu prognozēm. Agrajā holocēnā pirms ≈ 10 000–6000 gadu vidējā gaisa temperatūra bija par 0,5–1,0 ºC augstāka nekā pašlaik. Tāpat par 1–2 ºC augstāka temperatūra ir bijusi pēdējā starpleduslaikmetā pirms ≈ 137–115 tūkstošiem gadu. Arī pirms ≈ 4,5–3 miljoniem gadu viduspliocēnā Zemes klimats ir bijis par 3–4 ºC siltāks nekā mūsdienās. Tomēr jāņem vērā, ka senākajās klimata izmaiņās nevar meklēt analoģijas ar mūsdienu klimata pārmaiņām, jo Saules starojuma enerģija, kas sasniedza Zemes virsmu, bija atšķirīga. Okeāna nogulumu paraugu izotopu analīze rāda, ka viduspliocēnā okeāna virsmas ziemas temperatūra ir bijusi par 3 ºC augstāka nekā pašreiz.

Modificēts pēc Botkin and Keller, 2005.

Savukārt ar kontinentu dreifa teoriju, ko izstrādājis vācu ģeofiziķis A. Vēgeners 1912. gadā, var izskaidrot ≈ 200 miljonus gadus vecus ledāju nogulumus Sahāras tuksnesī, kā arī fosilos tropiskos augus Grenlandē. Šādi atklājumi palīdz izprast klimatiskos apstākļus, kādi valdījuši pirms miljoniem gadu, kad kontinenti atradās citos platuma grādos un sauszemes un okeānu izvietojums uz Zemes bija citāds nekā mūsdienās.

Ja salīdzina klimatiskos apstākļus, kādi ir dominējuši lielākajā daļā ģeoloģiskā laika, jāsecina, ka vidējā temperatūra ir bijusi par 10 ºC augstāka nekā pēdējos 2 miljonus gadu. Temperatūras pazemināšanās tendences sākās pirms apmēram 40 miljoniem gadu un kulmināciju sasniedza pleistocēna ledus laikmetu laikā.

Zemes klimata mainības raksturs apliecina dabiski norisošo procesu lielo ietekmi uz Zemes klimatu.

3.2. Saules starojuma un kosmiskā starojuma mainības ietekme uz Zemes klimatu

Dabiski norisošo procesu ietekmju piemērs ir Saules starojuma un tā mainības ietekme. Saule ir galvenais faktors, kas nosaka Zemes enerģētisko bilanci. Arī atmosfēras gaisa masu kustību, kas ir galvenais laikapstākļus veidojošais faktors, ietekmē Saules starojuma sadalījums. Klimats ir laikapstākļu integrāls apzīmējums noteiktam laika periodam un tādēļ tas ir atkarīgs no Saules aktivitātes. Jāpiebilst, ka Saules aktivitāte ir lielā mērā mainīga un protams, ka šīs ietekmes ne vismazākajā mērā nav atkarīgas no cilvēka darbības. Plašāk pazīstamais Saules aktivitātes mainību raksturojošo procesu kopums ir „Saules plankumi” – tumšu plankumu veidošanās uz Saules, kurus raksturo 11, 36, 180 gadu atkārtošanās cikls (sk. 3.5. att.). Saules plankumi ir apgabali uz Saules, kuru temperatūra ir zemāka (4000–5000 K) salīdzinājumā ar Saules virsmas temperatūru (≈ 6000 K), un līdz ar to uz Saules virsmas tos var novērot kā tumšus plankumus. Saules plankumu diametrs mainās no 10³ km līdz 2.10⁵ km, bet to pastāvēšanas laiks – no dažām stundām līdz mēnešiem (Hathaway and Wilson, 2004). Pieaugot Saules plankumu skaitam, Zeme saņem lielāku daudzumu elektromagnētiskā starojuma un jonizētu daļiņu plūsmas.

Pēc http://spaceweather.com/glossary/sunspotnumber.html

Pirmais Saules plankumus atklāja Galileo Galilejs, bet regulāri novērojumi sākās ar 1849. gadu. Saules plankumu skaitu nosaka, vispirms saskaitot to grupas un pēc tam atsevišķus plankumus. Jaudīgā teleskopā uz Saules var saskatīt vismaz 10–20 plankumu, bet to raksturošanai izmanto Saules plankumu skaitļus, piemēram, Boldera Saules plankuma skaitu, ko aprēķina pēc Rūdolfa Volfa formulas:
R = k (10g – S),

Laikā, kad samazinājās Saules aktivitāte (plankumu skaits), no 1400. līdz 1700. gadam, uz Zemes iestājās tā saucamais Mazais ledus laikmets. Ziemeļamerikā, Eiropā un pārējās zemeslodes daļās klimats kļuva vēsāks (sk. 3.5. att.).

Par pierādītu uzskatāms apgalvojums, ka Saules plankumu veidošanās laikā ievērojami mainās enerģijas daudzums, kuru saņem atmosfēra un Zemes virsma. Tā enerģija, kuru saņem Zemes virsma, protams, var mainīties ilgākā laika posmā. Ir pierādītas arī pašas Saules aktivitātes būtiskas izmaiņas, kuras raksturo ievērojama enerģijas daudzuma mainība, ko saņem Zemes virsma. Saules aktivitātes mainību raksturo biežums (frekvence), kas ir 11, 36 un 180 gadi, un līdz ar to Saules aktivitātes izmaiņas ir viens no svarīgiem Zemes klimata dabiskās mainības cēloņiem. Izpratne par to, kā tieši Saules aktivitāte ietekmē Zemes klimatu, vēl joprojām tikai attīstās. Paaugstinoties Saules aktivitātei, vispirms pieaug augstas enerģijas daļiņu plūsmas. Viens no iespējamiem ietekmju veidiem ir ietekme uz mākoņu segas veidošanos (sk. turpmāk), jo jonizētās daļiņas noder par ūdens tvaiku kondensācijas centriem. Vairāki pētījumi ir pierādījuši, ka Saules starojuma mainība tieši korelē ar Zemes klimata mainību. Šie pētījumi ir ļāvuši izvirzīt hipotēzi (Scaffetta and West, 2005), ka Saules aktivitātes mainība, nevis CO₂ emisijas pieaugums ir nozīmīgs, bet, iespējams, tas ir galvenais faktors, kas nosaka klimata mainību.

Klimatu būtiski var ietekmēt arī kosmiskā starojuma mainība. Kosmiskajam starojumam ir zināma ietekme uz aerosolu un mākoņu segas veidošanos atmosfēras augšējos slāņos. Dānijas Kosmosa centra klimata pētnieki apgalvo, ka viens no galvenajiem globālās sasilšanas cēloņiem ir kosmiskā starojuma intensitātes mainība kombinācijā ar Saules aktivitātes un dabiskām Zemes magnētiskā lauka izmaiņām. Saskaņā ar izvirzītajām hipotēzēm pastāv nepārprotama sakritība starp Saules un kosmiskā starojuma un lādētu daļiņu plūsmām un Zemes magnētiskā lauka mainību, un temperatūras svārstībām uz Zemes. Tiek uzskatīts, ka kosmiskajam starojumam ir liela ietekme uz to, cik daudz mākoņu veidojas atmosfērā. Tā kā mākoņu sega atstaro lielu daļu Saules starojuma izplatījumā, tad mākoņu daudzums lielā mērā nosaka to, cik silts ir uz Zemes. Mākoņi veidojas, ūdens tvaikiem atmosfērā kondensējoties, turklāt par kondensācijas centriem var kalpot jonizētas daļiņas, kuru avots var būt gan Saule, gan kosmiskais starojums. Savukārt Zemes magnētiskā lauka intensitāte ietekmē to, cik daudz no Saules nākošo jonizēto daļiņu un kosmiskā starojuma sasniedz Zemes atmosfēru. Gan Saules aktivitāte, gan kosmiskā starojuma daudzums mainās. Tiek uzskatīts, ka pēdējo 700 gadu laikā Saules aktivitāte ir pieaugusi līdz augstākajam līmenim. Šajā periodā ir piedzīvota globāla temperatūras paaugstināšanās. Pēc Henrika Svensmarka domām, šie faktori ir savstarpēji saistīti. Pēdējo reizi Saules aktivitāte mūsdienu līmenī bija viduslaikos aptuveni no 1000. līdz 1300. gadam. Tolaik bija tik silts, ka vikingi nodarbojās ar lauksaimniecību Grenlandē. Nosakot oglekļa izotopa ¹⁴C daudzumu koku gadskārtu gredzenos, noskaidrota arī kosmiskā starojuma intensitāte attiecīgajā laika posmā. Ogleklis ¹⁴C veidojas, kosmiskā starojuma augstas enerģijas daļiņām atmosfērā saduroties ar atomu kodoliem. Jo vairāk oglekļa ¹⁴C ir gadskārtu gredzenos, jo vairāk kosmiskā starojuma attiecīgajā gadā nonācis Zemes atmosfērā.

Neapšaubāmi Saules starojuma un kosmiskās telpas ietekmes uz Zemes klimatu ir viens no saistošākajiem klimata mainības pētījumu virzieniem, kuros iegūtās atziņas ir būtiskas izpratnei par Zemes klimata veidošanos.

3.3. Zemes orbitālās un rotācijas kustības rakstura izmaiņas

Zemes orbītas izmaiņas nosaka Saules starojuma un tā daudzuma sadalījumu uz zemeslodes. Līdz ar to periodiski noritoša klimata mainība saistāma ar Saules radiācijas intensitātes izmaiņām, kuras nosaka ne tik daudz starojuma daudzuma izmaiņas, kuras Zeme saņem no Saules, kā Zemes kustības orbītas izmaiņas ap Sauli. Zemes kustības ap Sauli raksturo trīs mainības veidi (3.6. attēls). Pirmkārt, mainībai ir pakļauts Zemes orbītas veids – elipses ekscentricitāte, proti, izmaiņas attālumā līdz Saulei. Šī mainības perioda ilgums ir ap 100 000 gadu. Mainībai ir pakļauts arī tā saucamais Zemes rotācijas aksiālais slīpums – Zemes rotācijas ass novietojums attiecībā pret kustības plakni ap Sauli, kas var mainīties no 21,6 līdz 24,5 grādiem (pašlaik tas ir 23,5 grādi). Zemes rotācijas aksiālais slīpuma izmaiņas periods ir 41 000 gadu. Trešais Zemes kustības ap Sauli rakstura mainības veids saistīts ar tā gadalaika nomaiņu, kurā Zeme ir vistuvāk Saulei (Zemes perihēlijs). Šī perioda ilgums ir ap 23 000 gadu (pašlaik Zeme ir vistuvāk Saulei janvārī). Klimata mainībai desmitu un simtu gadu tūkstošu laikā (ledus laikmetu veidošanās un klimata optimuma periodi) pirmo reizi uzmanību pievērsa britu zinātnieks Džeimss Krolls, bet šīs idejas tālāk attīstīja serbu klimatologs Milutins Milankovičs, saistot klimata mainību ar Zemes ass novietojuma mainību attiecībā pret Sauli. Pēc Milankoviča teorijas, Zemes kustības orbītas ap Sauli periodiskā mainība un Zemes rotācijas ass mainība ir bijuši vieni no svarīgākajiem virzītājspēkiem, kas veicinājuši ledus laikmetu veidošanos. Orbitālās izmaiņas notiek gadu tūkstošiem ilgi. Klimata sistēmas atbildes reakcija uz šīm izmaiņām arī var norisināties tūkstošiem gadu. Pamatvilcienos aprēķinātās Zemes orbītas kustības rakstura izmaiņas un ledus laikmeta periodi sakrīt, līdz ar to apstiprinot Zemes kustības ap Sauli rakstura nozīmību Zemes klimata sistēmas izveidē.


Ar atļauju, pēc „Climate Change 2007: The Physical Science Basis”, IPCC.

Mainoties Zemes kustības ap Sauli raksturam un tās ass novietojumam, būtiski mainās Saules starojuma sadalījums uz Zemes un tā izmaiņas gada laikā. Šīs izmaiņas īpaši skar Zemes polāros reģionus. Tajā pašā laikā tikai izmaiņas enerģijas daudzumā, kuru Zeme saņem, mainoties Zemes kustības orbītai ap Sauli un Zemes rotācijai ap savu asi un tās novietojumam, neļauj pilnībā izskaidrot temperatūras pazemināšanos ledus laikmetu laikā. Ledus laikmetu iestāšanās un to nomaiņa korelē ar attiecīgām izmaiņām atmosfēras ogļskābās gāzes koncentrācijā. Siltumnīcefekta gāzu koncentrācija atmosfērā, to atbrīvošanās un tā sauktā atgriezeniskā saite starp Zemes orbitālajiem faktoriem un atmosfēras sastāvu ir principiāli nozīmīgs klimatu veidojošs faktors. Milankoviča teorija ļauj prognozēt, kad Zemes kustības rakstura izmaiņas izraisīs būtisku temperatūras pazemināšanos uz Zemes – nākamo ledus laikmetu. Saskaņā ar aprēķiniem tas var iestāties pēc ≈ 50 000 gadu.

3.4. Ģeoloģiskās un kosmiskās katastrofas

Dažāda veida katastrofas var būtiski ietekmēt Zemes klimatu, kaut arī šķiet, ka tās notiek reti. Jau Bendžamins Franklins norādīja, ka vulkānu izvirdumi var ietekmēt klimatu, un uzskatīja, ka auksto ziemu Eiropā 1783./1784. gadā radīja Laki vulkāna izvirdums Īslandē 1783. gada jūlijā. Vulkānu izvirdumu laikā atmosfērā nonāk un sasniedz stratosfēru (pat 15–50 km augstumu) putekļu daļiņas, kā arī sēra savienojumi, galvenokārt sēra dioksīds. Atmosfēras augšējos slāņos putekļu daļiņas var saglabāties ilgu laiku (vairākus gadus vai gadu desmitus), turklāt var izkliedēties visā Zemes atmosfērā. Putekļu un aerosolu klātbūtne atmosfērā nosaka to, ka liela daļa Saules starojuma tiek atstarota kosmiskajā telpā, un līdz ar to mazāks siltuma daudzums sasniedz Zemes virsmu. Turklāt putekļu un aerosolu daļiņas noder par ūdens tvaiku kondensācijas centriem, sekmējot mākoņu segas izveidošanos, kas vēl vairāk samazina starojuma daudzumu, kurš sasniedz Zemes virsmu. Mākoņu segas izveidošanos īpaši sekmē sulfātjonus saturoši putekļi un aerosoli, kā arī sēra dioksīds.

Krakatau vulkāna (Indonēzija) izvirdums 1883. gadā tika minēts jau iepriekš, tomēr vislabāk ir izpētītas pēdējo 50 gadu laikā notikušo vulkānu izvirdumu sekas. Piemēram, Pinatubo vulkāna (Filipīnas) izvirduma laikā 1991. gadā atmosfērā tika izmesti 20 000 000 tonnu putekļu un ievērojams daudzums sēra savienojumu. Tiek lēsts, ka vulkāna izvirdums samazināja enerģijas daudzumu, kas no Saules sasniedza Zemi par 3–4 W/m². Tas savukārt radīja Zemes temperatūras pazemināšanos, turklāt vulkāna izvirduma sekas ietekmēja Zemes temperatūru divus līdz trīs gadus pēc šīs katastrofas. Līdzīgi arī Elčičona vulkāna izvirdums Meksikā spēja ietekmēt globālo klimatu, galvenokārt augstā sēra satura dēļ gāzu un putekļu masā, kas tika izmesta no vulkāna. Tomēr ne Zemes, ne arī cilvēces vēsturē šie vulkānu izvirdumi nepavisam nav apjomīgākie. Tiek vērtēts, ka Tambora vulkāna izvirdumā (Indonēzijā) 1815. gadā atmosfērā nokļuva desmitiem reižu lielāks putekļu un aerosolu daudzums nekā Pinatubo vulkāna izvirdumā, un tā dēļ 1816. gadu apraksta kā „gadu bez vasaras”, kad vēlas salnas iznīcināja graudaugu ražu, bet vasara lielā daļā Eiropas bija neparasti īsa un auksta. Tiek pieļauts, ka vēl spēcīgāki izvirdumi (piemēram, pirms 73 000 gadu) spēja izraisīt ledus laikmetu.

Mūsdienās veiktā klimata mainības modelēšana ir pierādījusi, ka arī kodolkarš, kura laikā atmosfērā nokļūtu liels apjoms radioaktīvu putekļu, radītu līdzīgu efektu – tā saukto kodolziemu.
Arī kosmiskas katastrofas spēj būtiski ietekmēt Zemes klimatu. Tas attiecas gan uz meteoru un komētu nokrišanas sekām, gan arī uz kosmisko putekļu ietekmēm.

3.5. Okeānu ūdeņu plūsmu mainība

Protams, pastāv arī citas ietekmes, kas kopumā nosaka esošos laikapstākļus un klimatu. No tiem vispirms var minēt okeānu kustības raksturu un tā mainību. Ūdens lielās siltumietilpības un sajaukšanās dēļ okeānu un jūru virskārta sasilst un atdziest daudz lēnāk nekā sauszeme. Tādēļ piejūras apgabalu klimatam raksturīgas mazākas sezonālās un diennakts gaisa temperatūras svārstības salīdzinājumā ar iekšzemes apgabaliem, kuros valda kontinentāls klimats. Pasaules okeāna tilpums ir gandrīz 1349·10⁶ km³, bet virsējā 1000 m slāņa tilpums – ap 160·10⁶ km³ (aprēķināts kā 11,915% no Pasaules okeāna kopējā tilpuma). Lai uzsildītu 1 litru ūdens par 1 °C, jāpatērē 1 kCal jeb aptuveni 4,186·10³ J enerģijas. Primārā Saules starojuma plūsma, kas sasniedz Zemes virsmu, ir 168 W/m² jeb 5,298·10⁹ J/m² gadā. Var aprēķināt, ka gada laikā saņemtā enerģijas daudzuma pietiek, lai uzsildītu okeāna virsējo, 1000 m biezo sajauktā ūdens slāni tikai par aptuveni 1,26 °C. Okeāna siltumietilpība ir tik milzīga, ka pat niecīgas ūdens temperatūras izmaiņas liecina par nozīmīgām siltuma bilances izmaiņām. ASV Nacionālā okeanogrāfisko datu centra zinātnieki aprēķinājuši, ka laikposmā kopš 20. gs. 50. gadu vidus okeāna vidējā temperatūra pieaugusi par 0,06 °C, kas atbilst aptuveni 2·10²³ J. Vērtējot Pasaules okeāna izlīdzinošo ietekmi uz Zemes klimatu, jāņem vērā arī siltuma daudzums, kas tiek saistīts un atbrīvots, mainoties ūdens agregātstāvoklim, – ūdens iztvaikošanas un ledus kušanas siltums (tā sauktais latentais siltums). Ikvienam pazīstamas parādības, kas saistītas ar iztvaikošanas siltumu – ķermeņa „atvēsināšanās”, iztvaikojot sviedriem, salnas augsnes virskārtā, kad ūdens iztvaikošana no augiem un augsnes pazemina temperatūru pat zem 0 °C. No Pasaules okeāna virsmas gadā vidēji iztvaiko 420 tūkstoši km³ ūdens, kas atbilst apmēram 1,25 m biezam ūdens slānim. Iztvaicējot šādu ūdens daudzumu, tvaika latentajā siltumā tiek saistīts 2,840·10⁹ J/m² gadā, tātad vairāk nekā puse no Saules starojuma enerģijas, kas sasniedz okeāna virsmu. Jāņem vērā, ka ūdens tvaikos saistītais latentais siltums atbrīvojas atmosfērā, kad, veidojoties mākoņiem, tvaiks kondensējas ūdens pilieniņos. Šādi latentā siltuma plūsma pārnes siltumu no okeāna virsmas atmosfērā. Ir aprēķināts – ja šīs parādības nebūtu, sauszemes temperatūra sasniegtu 65 °C, līdz iestātos starojuma līdzsvars starp Zemes virsmas saņemto Saules starojumu un izstaroto enerģiju. Ūdens iztvaikošanas siltums ir 2272 J/g, bet sasalšanas siltums ir  334 J/g. Pieņemot, ka Zemes ledāju un sniega masa ir ap 29,7 miljoni km3, var aprēķināt siltuma daudzumu, kas tiktu saistīts latentajā siltumā, ja viss ledus un sniegs izkustu.

Pasaules okeāns izlīdzina ne tikai temperatūras izmaiņas laikā, bet arī mazina klimata kontrastus starp dažādām zonām un reģioniem. Straumes okeāna virskārtā rodas vēja un Zemes griešanās spēka (t.s. Koriolisa spēka) mijiedarbībā. Līdz ar ūdeni siltās virsūdens straumes pārvieto milzīgu siltuma enerģijas daudzumu no Pasaules okeāna tropiskajiem rajoniem uz mērenā un aukstā klimata joslām, tādējādi padarot daudz maigāku klimatu plašos sauszemes apgabalos. Savukārt aukstās straumes „atdzesē” tropiskos apgabalus.

Plašāk pazīstama (un arī caurplūduma ziņā iespaidīgākā) ir siltā Golfa straume un tās turpinājums: Ziemeļatlantijas straume Atlantijas okeānā un Kurosio straume Klusajā okeānā. Golfa straume, kuras plūdums aizsākas Meksikas līcī, nereti tiek tēlaini dēvēta par pasaules lielāko upi, jo parasti tā ir 80–150 km plata un 800–1200 m dziļa. Lielākais straumes ātrums ir okeāna virskārtā – ap 2,5 m/s. Izplūstot no Meksikas līča, Golfa straumes caurplūdums ir ap 30 miljonu kubikmetru sekundē, bet, sasniedzot Haterasa ragu, tas pieaug līdz pat 80 miljoniem kubikmetru sekundē. Pakāpeniski atdodot savu siltumu atmosfērai, Golfa straume plūst gar Ziemeļamerikas krastu, bet tās turpinājumi – Ziemeļatlantijas straume un Norvēģijas straume – apskalo Ziemeļeiropas krastus.

Golfa straumes analogs Klusajā okeānā ir siltā Kurosio straume, kura aizsākas pie Taivānas un plūst ziemeļaustrumu virzienā gar Japānas arhipelāga austrumu malu. Tiek uzskatīts, ka Kurosio straumes dēļ Japānas salu klimats ir krietni maigāks, nekā tam vajadzētu būt atbilstoši ģeogrāfiskajam novietojumam. Kurosio straume būtiski ietekmē jūras bioloģisko produktivitāti, nodrošinot bagātīgus zivju lomus, un tādēļ var pastāvēt pasaulē vistālāk uz ziemeļiem sastopamie koraļļu rifi.
Izplatīts ir uzskats, ka Golfa straume ir galvenais iemesls, kāpēc Ziemeļeiropā klimats ir daudz maigāks salīdzinājumā ar Ziemeļamerikas austrumu piekrastes apgabaliem tajos pašos platuma grādos. Tomēr šo hipotēzi, kura izvirzīta 19. gs. vidū, mūsdienu klimata modeļi neapstiprina. Sasniedzot Eiropu, Ziemeļatlantijas straumes ūdeņi jau atdevuši tik daudz siltuma, ka to ietekme uz gaisa temperatūru nepārsniedz dažus grādus. Pēc vairāku zinātnieku domām, daudz lielāka nozīme ir atmosfēras gaisa masām, kas pārsvarā pārvietojas no Atlantijas okeāna Eiropas virzienā. Protams, nevar noliegt, ka par šo gaisa masu „sasildīšanu” jāpateicas Golfa straumei. Tiek uzskatīts, ka, pastāvot t.s. Mazajam ledus laikmetam, Golfa straumes plūdums pavājinājies apmēram par 10% salīdzinājumā ar mūsdienām. Tomēr modeļaprēķini neapstiprina saziņas līdzekļos plaši atspoguļotos minējumus par Golfa straumes pavājināšanās katastrofālo efektu uz klimatu Ziemeļamerikā un Eiropā. Golfa straumes „apstāšanās” varētu izraisīt temperatūras pazemināšanos tikai par dažiem grādiem.

Okeāna virsūdens straumes ietekmē klimatu galvenokārt piekrastes rajonos, kamēr okeāna termohalīnā cirkulācija lielā mērā nosaka klimatu visas Zemes mērogā. Okeānu ūdeņu globālo plūsmu raksturu veido mazāka blīvuma virsūdens plūsmas, kurās notiek pirmprodukcija (līdz ar to intensīvi asimilējot biogēnos elementus – slāpekļa, fosfora un silīcija savienojumus), un zemūdens plūsmas. Virsūdens plūsmas ūdeņi ir siltāki, piesātināti ar skābekli, bet ar ievērojami zemāku sāļu koncentrāciju (to nosaka atmosfēras nokrišņi un virszemes notece) nekā zemūdens plūsmas. Zemūdens plūsmu sāļums ir ievērojami augstāks, bet, dzīvajai organiskajai vielai nogrimstot, tās ir bagātinājušās ar biogēnajiem elementiem. Reģionālās okeānu ūdeņu sāļuma izmaiņas (piemēram, Atlantijas okeāna centrālajā daļā, ieplūstot Vidusjūras ūdeņiem) ievērojami maina ūdeņu plūsmu raksturu. Iztvaikošanas dēļ Atlantijas okeāna silto straumju nestais ūdens atdziest, bet tā sāļums ievērojami palielinās, tādējādi padarot ūdeni blīvāku. Sasniedzot okeāna ziemeļu robežu, no dienvidiem plūstošais virsmas ūdens ir jau tik blīvs, ka tas „nogrimst” zem sastaptā Ziemeļu Ledus okeāna ūdens. Jūras šaurumos abpus Grenlandei (Dāņu šaurumā starp Grenlandi un Īslandi un Deivisa šaurumā starp Bafina zemi un Grenlandi) novērojama spēcīgākā virsūdens grimšana visā Pasaules okeānā. Dziļākajos slāņos nonākušais ūdens plūst atpakaļ uz dienvidiem līdz pat Antarktīdas šelfam, kur tas papildinās ar aukstu ūdeni no Dienvidu cirkumpolārās straumes. Okeāna virskārtā nogrimušais ūdens nonāk, kad tas sasniedzis Indijas un Klusā okeānu ziemeļu šelfa nogāzes. Izmaiņas okeānu ūdeņu plūsmas raksturā Klusajā okeānā rada būtisku ietekmi uz ļoti plašu reģionu klimatu (El Niño un La Niña). Grandiozais „okeāna konveijers” (sk. 3.7. attēls) virzās lēni, tā aprites cikls ir 1400–1600 gadu, taču tā nozīme, regulējot globālo klimatu, pēc zinātnieku vairākuma domām, ir milzīga.



Pēc http://www.grida.no/graphicslib/tag/climate

http://www.grida.no/climate

Pretēji vairāku klimata modelētāju apgalvojumam, ka okeāna straumju ietekme uz sauszemes klimatiskajiem apstākļiem ir pārspīlēta, ģeoloģiskie pētījumi liecina, ka laikposmos, kad virsūdens grimšana Atlantijas okeāna ziemeļos bijusi traucēta, bet okeāna termohalīnā cirkulācija pavājinājusies vai pat pagriezusies pretējā virzienā, Eiropas klimats kļuvis ievērojami skarbāks. Apmēram pirms 12 900–11  500 gadu ledāju ledussegas atkāpšanos pārtrauca īslaicīgs aukstuma periods – Vēlais driass. Ziemeļeiropā taigas mežus no jauna aizstāja tundra, bet kalnu apvidos ledāju kušanu nomainīja jauna uzsaluma veidošanās. Neņemot vērā dažas pretrunas, vairums zinātnieku uzskata, ka Vēlā driasa pēkšņā uzsākšanās saistāma ar traucējumiem okeāna termohalīnajā cirkulācijā. Ziemeļamerikas ledāju kušanas ūdens izveidoja milzīgu saldūdens baseinu kontinenta vidienē, mūsdienu ASV un Kanādas teritorijā, tā saukto Agasī ezeru. Kad aptuveni pirms 13 000 gadu Agasī ezera ūdens pārrāva ūdensšķirtni, kas to norobežoja no Atlantijas okeāna, saldūdens ieplūda okeānā, strauji samazinot okeāna virskārtas ūdens sāļumu un blīvumu. Bija jāpaiet vairāk nekā 1000 gadiem, lai Atlantijas okeāna virsūdens blīvums atgūtu tādu pakāpi, ka varētu atjaunoties ūdens grimšana un līdz ar to arī termohalīnā cirkulācija.
Pašreiz notiekošās globālās sasilšanas kontekstā jāpiemin, ka ap 55 miljoniem gadu atpakaļ paleocēna/eocēna temperatūras maksimuma laikā, līdzīgi kā mūsdienās, notika globāla sasilšana, kuru izraisīja siltumnīcefekta gāzu koncentrācijas pieaugums atmosfērā. Okeāna ūdens strauji sasila vidēji par 7–8 grādiem, un dažu tūkstošu gadu laikā okeāna termohalīnā cirkulācija pavērsās pretējā virzienā. Zīmīgi, ka termohalīnās cirkulācijas apgrieztais plūdums turpinājās vismaz 100 100 000 gadu. Līdzīgi Vēlā driasa laikā termohalīnās cirkulācijas izbeigšanos izraisīja ūdens grimšanas pavājināšanās Ziemeļatlantijā.
Termohalīnā cirkulācija darbojas ne tikai kā temperatūru izlīdzinošs mehānisms, bet arī palīdz noglabāt okeāna dziļākajos slāņos ūdenī izšķīdušo atmosfēras CO₂. Nesen veiktie aprēķini rāda, ka pēdējo  200 gadu laikā Pasaules okeāns spējis absorbēt apmēram 1/3 daļu ( 118 ± 19 Pg C) no visa cilvēka darbības rezultātā emitētā ogļskābās gāzes daudzuma (244 ±  20  Pg C). „Okeāna konveijera” lēnās kustības dēļ lielākā daļa okeāna dziļāko slāņu ūdens šajā laikā vēl ne reizes nav bijusi saskarē ar atmosfēru. Tādējādi pašlaik tiek izmantota apmēram 1/3 daļa no Pasaules okeāna ūdens spējas absorbēt atmosfēras CO₂. Šī spēja var pilnībā realizēties tikai tad, ja okeāna termohalīnā cirkulācija darbojas normālā režīmā.

3.6. Jūru un okeānu ūdeņu un atmosfēras mijiedarbība

Klimatu katrā konkrētajā vietā ietekmē ne tikai Saules starojuma intensitāte, bet arī atmosfēras gaisa masu plūsmas un to mijiedarbības raksturs gan ar sauszemes virsmu, gan ar jūru un okeānu ūdeņiem. Tā kā jūras un okeāni aizņem lielāko daļu no Zemes virsmas, bet tie ir kustīgi un straumes spēj pārnest uzsilušas vai atdzisušas ūdens masas lielos attālumos, tad atmosfēras gaisa plūsmu un ūdeņu plūsmu mijiedarbība ir nozīmīgs klimatu veidojošs faktors.

Par gaisa masām sauc plašas zemākās atmosfēras (troposfēras) daļas ar viendabīgām fizikālām īpašībām, kuru iekšienē gaisa temperatūras un citu meteoroloģisko rādītāju vērtību mainība ir relatīvi zema. Gaisa masas pārvietojas ar atmosfēras cirkulācijas plūsmām. Tās spēj absorbēt ūdens tvaikus, kas iztvaiko no sauszemes vai jūru un okeānu virsmas, bet pēc tam atbrīvojas no tiem nokrišņu veidā. Gaisa masas var aizņemt tūkstošiem kvadrātkilometru plašus apgabalus, bet to izmēri vertikālā virzienā var būt no dažiem kilometriem līdz pat 10 km augstumam. No vietas, kur gaisa masas ir veidojušās un kas tiek saukta par gaisa masu cilmvietu, tās paņem līdzi konkrētās virsmas iezīmes. Gaisa masas pārvietojas ar atmosfēras cirkulācijas plūsmām kā vienots veselums. Parasti tās atrodas cita citai blakus vai slīpā plaknē cita aiz citas. Gaisa masas šķir šauras pārejas joslas jeb atmosfēras frontes. Gaisa masas atšķiras pēc to cilmvietas, temperatūras, mitruma un saduļķojuma (putekļi, ūdens tvaiki un citas daļiņas). Gaisa masu plūsmas ietekmē laikapstākļus, jo tās nosaka:


Pēc Dravenieces, 2006.

Latvijā ieplūst dažādas izcelsmes gaisa masas, kas ir veidojušās dažādos platuma grādos gan virs Atlantijas okeāna, gan kontinentiem un tāpēc ir ļoti atšķirīgas pēc temperatūras, mitruma, vēja stipruma un citām īpašībām. Gaisa masas pamatā var iedalīt okeāniskās (maritīmās) un kontinentālās atkarībā no to mitruma jeb ūdens tvaiku satura gaisā. Okeāniskās gaisa masas veidojas virs okeāniem, un tās satur daudz mitruma. Kontinentālo gaisa masu cilmvietas ir sauszemes apgabali, tāpēc tās parasti satur maz mitruma. Kontinentālās gaisa masas no okeāniskajām gaisa masām atšķiras ar putekļu un aerosolu daudzumu, kā arī cilvēku radītā piesārņojuma klātbūtni. Kontinentālās gaisa masas, kas veidojas arktiskajos apgabalos, var būt aukstas un ar zemu mitruma saturu, kā arī zemu putekļu un aerosolu saturu. Gaisu masu plūsmu raksturs gada laikā būtiski mainās atkarībā no Saules radiācijas intensitātes, kā arī katram gadalaikam tipiskā gaisa plūsmu režīma. Ja ziemā izveidojas noturīgs anticiklons un ilgstoši pastāv zema temperatūra, tā cēlonis ir no ziemeļiem ieplūdušās arktiskās gaisa masas, bet vasarā ilgstoši siltu laiku nosaka gaisa masas, kuras Latvijas teritorijā ir pārnestas no Āfrikas kontinenta vai no Eiropas dienvidu daļas (sk. 3.8. att.).



Pēc http://www.wetterzentrale.de

Globālā atmosfēras cirkulācija ir sistēma, kas pēc apjoma līdzinās kontinentu vai okeānu izmēriem. Šī gaisa kustība kopā ar okeāna cirkulāciju nosaka siltuma sadalījumu uz visas Zemes. Tā, piemēram, ja nenotiktu atmosfēras cirkulācija, vidējā ziemas temperatūra polu rajonos būtu ap –100 ºC tagadējo –30 ºC vietā. Liela mēroga gaisu masu pārnese nosaka Latvijai raksturīgos mainīgos laikapstākļus. Atlantijas okeāna ūdeņu cirkulācijas raksturs būtiski ietekmē klimatu Latvijā un bieži ir galvenais faktors, kas nosaka laikapstākļus, ietekmējot to lielo mainību. Laikapstākļus Latvijā nosaka tas, ka atmosfēras gaisa masu liela mēroga cirkulācija veidojas virs Atlantijas okeāna ziemeļdaļas.

Liela mēroga atmosfēras gaisa masu veidošanās un cirkulācijas procesus ietekmē pazeminātais atmosfēras spiediens Atlantijas okeāna ziemeļdaļā (pastāv zema spiediena sistēma), kamēr ekvatora tuvumā izveidojas augsta spiediena apgabals (sk. 3.10. att.). Šīs sistēmas raksturošanai izmanto gaisa spiediena atšķirību Īslandes un Azoru salu meteoroloģiskajās stacijās izdarītajos mērījumos. Īslandes un Azoru atmosfēras spiediena sistēmas un spiediena starpība starp tām periodiski mainās, tās apraksta kā Ziemaļatlantijas oscilāciju (ZAO, angļu valodā North Atlantic Oscillation – NAO), bet mainības skaitliskai izteikšanai izmanto ZAO indeksu (3.10. attēls).


Pēc http://www.ldeo.columbia.edu/NAO/

Ja Ziemeļatlantijas klimata sistēmā izveidojas izteikti augsta spiediena apgabals virs Azoru salām (pozitīva ZAO indeksa fāze), bet pazemināta spiediena centrs virs Īslandes, tad spēcīgas gaisa masu plūsmas no rietumiem sekmē ar ūdeni piesātinātu gaisa masu pārnesi no Ziemeļatlantijas uz Eiropas ziemeļdaļu un Krieviju, vienlaikus sekmējot auksta gaisa plūsmas Rietumgrenlandes virzienā (sk. 3.10. att.). Šīs noturīgās gaisa plūsmas bloķē ceļu virs Āfrikas uzsilušajām gaisa masām, un līdz ar to Vidusjūras reģionā veidojas karsts un sauss laiks. Negatīvas Ziemeļatlantijas oscilācijas indeksa fāzes gadījumā Ziemeļatlantiju šķērso mazāk ciklonu, un tie novirzās vairāk Vidusjūras apgabala virzienā, bet Eiropas ziemeļdaļā valda sauss un kontinentāls klimats (sk. 3.11. att.).


Izmantoti dati no http://www.cru.uea.ac.uk

Jūru un okeānu ūdeņu plūsmu un atmosfēras cirkulācijas mijiedarbība uzskatāma par nozīmīgu faktoru, kas nosaka augsto klimata mainību, tomēr klimata sistēmas izmaiņas (to skaitā arī globālā sasilšana) var mainīt šīs mijiedarbības raksturu, sekmēt ekstremālu parādību biežuma palielināšanos.

3.7. Klimata mainības raksturs un cilvēka ietekme uz to

Klimatu pēdējo simts gadu laikā raksturo ievērojamas pārmaiņas, kas ir ļoti straujas salīdzinājumā ar izmaiņu raksturu pēdējo tūkstošu gadu laikā, kā arī garākā laika posmā (sk. 3.12. att.). Tiek vērtēts, ka laika posmā no 1861. līdz 2005. gadam Zemes vidējā temperatūra ir paaugstinājusies par 0,6 ± 0,2 ºC, turklāt temperatūras paaugstinājums ir noticis galvenokārt laika posmā no 1910. līdz 1945. gadam un no 1976. gada līdz mūsdienām. Desmit gadi ar augstāko gada vidējo temperatūru meteoroloģisko novērojumu vēsturē bijuši pēc 1980. gada, bet septiņi – pēc 1990. gada. Novērojumi apstiprina, ka pēdējās simtgades laikā mainījies arī temperatūras diennakts sadalījums, kā arī paaugstinājusies temperatūra virs jūru un okeānu virsmas.

Klimata pārmaiņu raksturs saistāms ne tikai ar temperatūras paaugstināšanos, bet arī ar izmaiņām nokrišņu daudzumā, klimata kā sistēmas stabilitātē, ekstremālo klimatisko parādību biežuma mainībā un citu klimatu raksturojošo parametru būtiskajās izmaiņās.
Liela daļa pētījumu klimata mainību saista ar cilvēka darbības rezultātā veidoto gāzu emisijas pieaugumu pēdējā gadsimta laikā. Ir pierādīts, ka pēdējo 100 gadu laikā ir ievērojami palielinājusies lielākā daļa siltumnīcefekta gāzu koncentrācija gaisā. To vislabāk pierāda CO₂ koncentrācijas pieauguma tendences Maunaloa observatorijā (Havaju salas, ASV).


Attēls modificēts pēc IPCC 2001.


Pēc http://cdiac.esd.ornl.gov/trends/co2/sio-mlo.htm
(Nav saites???)

Novērojumi, kas veikti Maunaloa observatorijā, sākot no 1958. gada, parādīja, ka ogļskābās gāzes koncentrācija novērojumu punktā, kas atrodas tālu no tieša piesārņojuma avotiem, vidēji pieaug par 0,46% gadā (sk. 3.13. att.). Ogļskābās gāzes koncentrācija gaisā ievērojami mainās atkarībā no sezonas. Tas saistīts ar fotosintēzes procesu intensitātes izmaiņu sezonālo raksturu. Līdzīgi rezultāti konstatēti arī citās pētījumu stacijās Eiropā un Āzijā.
Ogļskābās gāzes un vairāku citu siltumnīcefekta gāzu koncentrācija atmosfērā tieši korelē ar cilvēka darbības rezultātā emitēto vielu apjomu (sk. 3.14. att.). Galvenais CO₂ emisijas avots ir fosilā kurināmā (naftas pārstrādes produkti, ogles, kūdra, degslāneklis) sadedzināšana, nozīmīgs metāna avots ir lauksaimnieciskā ražošana un naftas pārstāde. Tajā pašā laikā mūsdienu sabiedrība ir lielā mērā atkarīga no enerģijas avotiem, kas nodrošina lielāko daļu ražotņu, transporta un katra cilvēka labklājību.
Ņemot vērā CO₂ emisijas apjomu pieaugumu, tiek vērtēts, ka līdz nākamā gadsimta vidum oglekļa dioksīda koncentrācija atmosfērā salīdzinājumā ar mūsdienām dubultosies, kas var izraisīt Zemes vidējās temperatūras paaugstināšanos par 1,5–4,5 ºC.


Pēc Jacobson, 2002.

Analizējot vēsturiski novēroto klimata mainības raksturu, piemēram, ledus masā ieslēgto gāzu sastāvu, un rekonstruējot temperatūras mainības gaitu pēdējo 500 000 gadu laikā, redzams, ka rekonstruētās temperatūras vērtības cieši korelē ar siltumnīcefekta gāzu, vispirms CO₂, koncentrācijas vērtībām (sk. 3.14. att.), kas apstiprina pieņēmumu, ka siltumnīcefektu veidojošo gāzu nozīme Zemes klimata veidošanā ir ievērojama un globālā sasilšana saistāma ar šo gāzu koncentrācijas izmaiņām.



Pēc http://ncdc.noaa.gov/paleo/icecore/antarctica/vostok/

Ogļskābā gāze ir viena no būtiskākajām siltumnīcefekta gāzēm, jo tās koncentrācija atmosfērā salīdzinājumā ar citām siltumnīcefektu veicinošām gāzēm, ir vislielākā. Taču ogļskābā gāze ir viens no oglekļa aprites elementiem. Oglekļa apritē (bioģeoķīmiskās aprites cikls) vieni oglekļa savienojumi pārvēršas citos, un tas var notikt atmosfērā, hidrosfērā un biosfērā. Kā ķīmisks elements ogleklis ir nozīmīgs visām dzīvības formām. Ogleklis ir sastopams piecās „krātuvēs”:
Katra no šīm „krātuvēm” ir iesaistīta oglekļa aprites ciklā (sk. 3.16. att.).



Pēc http://earthobservatory.nasa.gov/Library/CarbonCycle/

Oglekļa ciklā nozīmīgākā ir biosfēra un jūru un okeānu dzīvie organismi, kas fotosintēzes procesā nepārtraukti no atmosfēras saista CO₂ un veido organiskus savienojumus. CO₂ pilnīgs aprites cikls atmosfērā ir ātrs un notiek ≈ 4,5 gados.
Ne visi mirušie organismi un augi sadalās uzreiz. Neliela daļa tiek pārvietoti uz iekšzemes ūdenstilpju, jūru un okeānu dziļākajām daļām un uzkrājas nogulumu veidā. Organiskais materiāls, kas lēni sadalās, iekļaujas iežu veidošanas procesā un var atkal dabiskā ceļā tikt ienests atmosfērā (piemēram, erozijas procesā).

Oglekļa dioksīds no atmosfēras izšķīst hidrosfēras ūdeņos, kur to izmanto aļģes tādā pašā veidā, kā to saista sauszemes augi. Papildus tam daži ūdenī dzīvojošie dzīvnieki no ūdens ekstrahē kalciju un oglekļa dioksīdu, veidojot kalcija karbonāta čaulas. Organismiem atmirstot, tās nogulsnējas jūras dibenā un, iespējams, tālākā gaitā veido kaļķakmeni. Šādā veidā daļa oglekļa pievienojas iežu ciklam. Pastāv varbūtība, ka iežu cikls „uznesīs” kaļķakmeni atpakaļ Zemes virspusē, kur erozijas process un dēdēšana kaļķakmeni sadalīs un tādējādi ogleklis izšķīdušā veidā atgriezīsies atpakaļ okeānā un iekļūs atmosfērā kā CO₂.
Cilvēka saimnieciskā darbība maina visas minētās oglekļa krātuves un sekmē litosfērā uzkrāto oglekļa savienojumu nokļūšanu atmosfērā. Fosilā kurināmā izmantošana un mežu izciršana veicina CO₂ pāreju no litosfēras un biosfēras uz atmosfēru daudz ātrākā tempā nekā dabiskā ceļā. Tajā pašā laikā CO₂ atgriešana no atmosfēras dabiskā ceļā norisinās daudz lēnāk nekā cilvēku saimnieciskā darbība to papildina, tādēļ CO₂ daudzums atmosfērā palielinās.

Metāns absorbē infrasarkano starojumu daudz efektīvāk nekā CO₂, tādēļ metāna nozīme siltumnīcefekta palielināšanā ir ļoti nozīmīga, kaut arī metāna koncentrācija atmosfērā ir salīdzinoši zemāka.

Kopš 20. gs. 60. gadiem, kad uzsākti metāna koncentrāciju mērījumi atmosfērā, tā daudzums kopumā ir pieaudzis aptuveni par 1% gadā. Daļa metāna rodas rīsu audzēšanā, kā arī mājlopu, īpaši liellopu, audzēšanā. Vēsturiski metāna koncentrācijas izmaiņas, tāpat kā CO₂ koncentrācijas izmaiņas ir saistītas ar klimata izmaiņām leduslaikmetu un starpleduslaikmetu laikā. Tomēr pēdējā laikā veiktie pētījumi liecina, ka ģeoloģiskie procesi var būt nozīmīgs metāna avots un, piemēram, tādas dabas parādības kā dubļu vulkāni, var būt uzskatāmi par izcelsmes avotu gandrīz 10% atmosfērā nonākušā metāna.

Ar atļauju no „Climate Change 2007: The Physical Science Basis”, IPCC.

Ogļskābās gāzes koncentrācija atmosfērā ir pieaugusi no 280 miljonajām daļām (ppm) pirmsindustriālajā laikmetā līdz 379 ppm 2005. gadā. Pētot kontinentālo ledāju un ledū ieslēgtā gaisa sastāvu, pierādīts, ka mūsdienās CO₂ koncentrācija ir ievērojami augstāka, nekā tā bijusi pēdējo 650 000 gadu laikā (180–300 ppm). Galvenais faktors, kas nosaka CO₂ koncentrācijas paaugstināšanos, ir cilvēka darbība. 20. gadsimta laikā ogļskābās gāzes emisija ir ievērojami pieaugusi, bet laika posmā no 2000. līdz 2005. gadam tā jau bija vidēji 26,4 Gt CO₂ gadā. Arī citu siltumnīcefekta gāzu (piemēram, metāna CH₄, slāpekļa(I) oksīda N₂O, freona) koncentrācija ir ievērojami pieaugusi.

Troposfēras ozona un slāpekļa oksīda koncentrācija atmosfērā pieaug ik gadu par 0,5–2% (O₃) un 3% (N₂O), kopumā veidojot ≈ 13% no siltumnīcefekta gāzu radītā efekta.


Ar atļauju no „Climate Change 2007: The Physical Science Basis”, IPCC.

Tropiskie meži ir svarīgs oglekļa aprites cikla elements, jo fotosintēzes gaitā tiek patērēts daudz ogļskābās gāzes. Daļa biomasā asimilētā oglekļa uzkrājas humusvielu veidā, un tādējādi CO₂ koncentrācija atmosfērā samazinās. Mežu izciršanas samazināšana varētu būtiski palielināt vides spēju saistīt ogļskābo gāzi nākotnē. Slāpekļa(I) oksīdam, kas atbrīvojas augsnē mikroorganismu darbības rezultātā un rodas, sadedzinot koksni un fosilo kurināmo, ir daudz ilgāks dzīves laiks atmosfērā salīdzinājumā ar ogļskābo gāzi un metānu, tādēļ slāpekļa(I) oksīda koncentrācijas stabilizācija var notikt vēl ilgi pēc tā emisijas samazināšanās.

Katra siltumnīcefekta gāze citādi spēj ietekmēt infrasarkanā starojuma atgriešanu uz Zemes, un katrai no tām raksturīga konkrēta starojuma intensitātes vērtība. Novērtējot siltumnīcefekta gāzu daudzumu pirmsindustriālājā laikmetā (1750. gads) un salīdzinot to ar attiecīgo gāzu koncentrāciju mūsdienās, var novērtēt kopējās radiācijas daudzuma izmaiņas, šo izmaiņu ietekmi uz mūsdienu klimatu, kā arī prognozēt klimata mainības raksturu apstākļos, kad siltumnīcefekta gāzu koncentrācijas atmosfērā turpina pieaugt (sk. 3.18. att.). Tiek uzskatīts, ka siltumnīcefekta gāzu koncentrācijas pieaugums atmosfērā kopš 1750. gada līdz mūsdienām ir palielinājis uz Zemes atgrieztās enerģijas daudzumu par 2,43 W/m². Nozīmīgākais siltumnīcefekta gāzu devums bijis CO₂ – 1,46 W/m², CH₄ – 0,48 W/m², N₂O – 0,15 W/m² un halogēnogļūdeņražiem – 0,34 W/m². Ozons stratosfērā ietekmē Zemes klimata sistēmu pretēji siltumnīcefekta gāzēm, tādēļ ozona daudzuma samazināšanās stratosfērā izraisījusi starojuma daudzuma palielināšanos par ≈ 0,15 W/m². Tajā pašā laikā troposfērā ozona daudzums ir palielinājies, galvenokārt pieaugošā metāna CH₄, tvana gāzes CO, slāpekļa oksīdu N_xO_y un ogļūdeņražu daudzuma dēļ. Ozona koncentrācijas pieaugums troposfērā parāda, ka starojuma daudzums ir pieaudzis par 0,35 W/m². Starojuma daudzuma izmaiņas ietekmē arī dabiskā mainība, piemēram, Saules starojuma intensitātes mainība. Tomēr starojuma daudzuma pieaugums Saules aktivitātes mainības rezultātā, kaut arī tas ir neapšaubāmi nozīmīgs Zemes klimatu veidojošs faktors, un laika posmā kopš 1750. gada veido tikai + 0,3 ± 0,2 W/m². Protams, garākos laika posmos Saules starojuma intensitātes, Zemes kustības ap Sauli un kosmiskā starojuma intensitātes mainība var izrādīties būtiski vai pat izšķiroši klimatu ietekmējoši faktori.

3.8. Siltumnīcefekta gāzu avoti

Cilvēka darbības rezultātā veidojas milzīgi daudzumi siltumnīcefekta gāzu un to emisijas ir pieaugušas kopš rūpnieciskās revolūcijas sākuma. Siltumnīcefekta gāzu koncentrācijas atmosfērā ir sasniegušas nebijušas vērtības salīdzinājumā ar situāciju pēdējo 800 000 gadu laikā. Galvenie faktori, kas nosaka siltumnīcefektā gāzu emisijas apjomus, ir ekonomiskā izaugsme un cilvēku skaita pieaugums.

Kopējais cilvēka radīto siltumnīcefekta gāze emisijas apjoms laika posmā starp 1750. un 2011. gadu sasniedz 2040 ±  310 Gt CO₂. Apmēram 40% no šī emisiju apjoma joprojām saglabājas atmosfērā (880 ± 35 Gt CO₂), bet atlikušos daudzumus ir saistījuši augi un augsne, bet okeānu ūdeņos ir izšķīduši ap 30% no cilvēka darbības rezultātā veidotās CO₂, tādā veidā veicinot jūru un okeānu ūdeņu paskābināšanos. Lielākā daļa no SEG emisijām ir veidojušās pēdējo 40 gadu laikā (sk. 3.19. att.).


Ar atļauju no „Climate Change 2015: The Physical Science Basis”, IPCC.

Kopējās antropogēno siltumnīcefekta gāzu emisiju pieaugums ir turpinājies arī pēdējās desmitgadēs, bet īpaši kopš 2000. gada. CO₂ emisijas, kas radušās fosilā kurināmā sadedzināšanas rezultātā un cita veida saimnieciskās darbības rezultātā, veido ≈ 78% no kopējā emisiju apjoma, turklāt ir iedalāmas tiešajās emisijās un netiešajās emisijās (sk. 3.20. att.).


Ar atļauju no „Climate Change 2015: The Physical Science Basis”, IPCC.

Kaut arī pasaules attīstītās valstis sekmē energoefektīvas ražošanas augšupeju un cenšas samazināt enerģijas patēriņu, tomēr industriālo SEG emisiju apjoms kopš 1990. gada ir samazinājies tikai par dažiem procentiem. Enerģijas ekonomijas un SEG emisiju apjoma samazinājumu pozitīvo ietekmi uz SEG samazinājumu industriāli attīstītajās valstīs līdzsvaro ražošanas apjoma pieaugums trešās pasaules valstīs un attīstība BRIC valstīs (Brazīlija, Krievija, Ķīna, Indija, Dienvidāfrika), vispirms jau Ķīnā un Indijā. Tomēr emisiju pieaugums no rūpnieciskās ražošanas palielinās mazāk (< 1%) nekā kopējās emisijas (> 2%). Citi nozīmīgi SEG emisiju avoti ir emisijas no dzīvojamām ēkām un transporta.

SEG emisiju apjoms ir ievērojami atšķirīgs dažādās valstīs. Valstu ieguldījums ir atkarīgs gan no tās industrijas apjoma, gan iedzīvotāju skaita. Kaut arī, rēķinot uz vienu iedzīvotāju, (per capita), SEG emisiju apjomi Ķīnā ir zemi, tomēr ņemot vērā iedzīvotāju lielo skaitu, kopējais emisiju apjoms ir milzīgs. SEG emisiju apjomu ietekmē arī zemes lietojuma veida izmaiņas, un šajā sakarībā būtiski negatīva ietekme ir tādām valstīm kā Brazīlija, Indonēzija, kurās notiek aktīvi mežu izciršanas darbi.