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.).



3.1. att. Zeme no kosmosa (Zemes satelītuzņēmums).

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

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


3.2. att. Zemes klimatu ietekmējošie faktori.

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.


3.3. att. Temperatūras mainība ziemeļu puslodē pēdējo 1000 gadu laikā un iespējamo izmaiņu prognozes.

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.

3.4. att. Zemes vidējās temperatūras mainības raksturs pēdējo 1 000 000 gadu laikā.

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.