3. Klimata mainība un klimata pārmaiņas

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.