Του Άγγελου Καρανικόλα
Φυσικός - Μεταπτυχιακός φοιτητής Φυσικής Περιβάλλοντος ΑΠΘ
Επιμέλεια: Πελαγία Αγγουράκη
Το προηγούμενο άρθρο ήταν αφιερωμένο στο πώς επιδρούν στο κλίμα οι μεταβολές της εισροής ύλης και ενέργειας στη Γη από το διάστημα. Όπως ειπώθηκε, υπάρχουν κι άλλες φυσικές αιτίες κλιματικής αλλαγής και αυτές αφορούν τη θέση της Γης ως προς τον Ήλιο και την κατάσταση της ίδιας της Γης, δηλαδή τη σύσταση της ατμόσφαιρας, των ωκεανών και του εδάφους, αλλά και τη μορφή της επιφάνειάς της.
Η τροχιά και ο άξονας περιστροφής της Γης
Όπως είδαμε στο προηγούμενο άρθρο, η ακτινοβολία εξασθενεί πολύ όταν αλλάζει η απόσταση της Γης από τον Ήλιο. Αλλαγές στην τροχιά της Γης μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες αλλαγές στο κλίμα. Η τροχιά της Γης πράγματι δεν είναι σταθερή, αλλά ο ρυθμός με τον οποίο αλλάζει είναι πολύ μικρός για τα ανθρώπινα δεδομένα. Η εκκεντρότητα της τροχιάς της (δηλαδή το πόσο πεπλατυσμένη είναι η έλλειψη που διαγράφει η Γη καθώς κινείται γύρω από τον Ήλιο, όπως φαίνεται στην εικόνα 1) αλλάζει περιοδικά σε διάρκεια 90.000-100.000 ετών, μεγαλώνοντας τη διαφορά απόσταση μεταξύ της κοντινότερης και της μακρινότερης θέσης της από τον Ήλιο. Η διαφορά της ηλιακής ακτινοβολίας στο όριο της ατμόσφαιρας, μεταξύ των 2 αυτών θέσεων (περιήλιο και αφήλιο) τώρα είναι περίπου 6,8%. Με τη μεταβολή της εκκεντρότητας μέσα στις χιλιετίες, η διαφορά μπορεί να φτάσει έως και 20-30%. Η συνολική ετήσια ενέργεια από τον Ήλιο αλλάζει πολύ λίγο, αλλά η διαφορά απόστασης των 2 θέσεων κάνει τα καλοκαίρια του βορείου ημισφαιρίου ψυχρότερα, ιδιαίτερα κοντά στην Αρκτική, κάτι που ενδέχεται να αυξήσει την επιφάνεια παγετώνων. Για τον ίδιο λόγο μπορεί να γίνει θερμότερο το καλοκαίρι της Ανταρκτικής, αλλά αυτή είναι ήδη ψυχρότερη από την Αρκτική και έχει μεγαλύτερο όγκο παγετώνων (είναι και ήπειρος, ενώ η Αρκτική ωκεανός), οπότε οι παγετώνες της λογικά δεν επηρεάζονται στον ίδιο βαθμό. Παράλληλα, ενδέχεται να αλλάζει η εισροή μεσοπλανητικής σκόνης στη Γη επηρεάζοντας τη νεφοκάλυψη, άρα και την απορροφούμενη ακτινοβολία, αλλά και η ποσότητα της σκόνης ανάμεσα στον Ήλιο και τη Γη, αλλάζοντας την ακτινοβολία που φτάνει στο όριο της γήινης ατμόσφαιρας.
Εκτός από την τροχιά παίζει ρόλο και ο άξονας περιστροφής της Γης. Αλλαγές σε αυτόν, μετατοπίζουν τη γωνία με την οποία πέφτουν οι ηλιακές ακτίνες σε κάθε τόπο για κάθε χρονική στιγμή. Για παράδειγμα, στον Ισημερινό, κατά τις ισημερίες, ο Ήλιος είναι ορατός για 12 ώρες και το μεσημέρι οι ακτίνες του προσπίπτουν στο έδαφος κάθετα. Αν ο άξονας περιστροφής της Γης μετακινηθεί, στην ουσία θα μετακινηθεί και ο Ισημερινός, οπότε στον τωρινό οι ακτίνες δε θα πέφτουν ποτέ τελείως κάθετα, αλλά αυτό θα συμβαίνει λίγο βορειότερα ή νοτιότερα από αυτόν. Συνεπώς, η κάθε περιοχή θα έχει τη φαινόμενη πορεία του Ηλίου μιας άλλης περιοχής, που βρισκόταν σε απόσταση και κατεύθυνση ανάλογη με το μέγεθος μετακίνησης του άξονα και την κατεύθυνση αυτής. Επειδή η επιφάνεια της Γης είναι διαφορετική από τόπο σε τόπο και υπάρχουν ήδη κάποιες μετεωρολογικές συνθήκες, μία τέτοια μετακίνηση, θα άλλαζε την κυκλοφορία της ατμόσφαιρας και των ωκεανών, αλλά παράλληλα θα μπορούσε να αλλάξει και το ενεργειακό ισοζύγιο της Γης (τη διαφορά εισερχόμενης και εξερχόμενης ενέργειας) άμεσα. Ένας τόπος με λιγότερο απορροφητική επιφάνεια (όπως οι πόλοι) μπορεί να λαμβάνει περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία από πριν, ενώ ένας τόπος με μεγαλύτερα απορροφητικότητα στην ηλιακή ακτινοβολία να λαμβάνει λιγότερη και το αντίστροφο. Παράλληλα, η κυκλοφορία της ατμόσφαιρας και των ωκεανών μπορεί επίσης να επηρεάσει το ενεργειακό ισοζύγιο (αυτό θα εξηγηθεί σε άλλο σημείο του άρθρου).
Ο άξονας κάνει 2 κινήσεις (εικόνα 2), τη μετάπτωση, μία κίνηση γύρω από τον άξονα κάθετο στην τροχιά σε διάρκεια περίπου 23.000-26.000 ετών και την κλόνηση, που είναι η αλλαγή της γωνίας του με την τροχιά κατά 2,4-3 μοίρες σε διάστημα περίπου 40.000 ετών. Οι μεταβολές του άξονα περιστροφής της Γης σε συνδυασμό με την εκκεντρότητα της τροχιάς, θεωρούνται οι κύριες αιτίες για τις εποχές των παγετώνων. Το φαινόμενο είναι γνωστό ως «κύκλοι του Milanković» από το Σέρβο επιστήμονα Milutin Milanković που πρότεινε πρώτος αυτή την εξήγηση για τις εποχές των παγετώνων.
Γενικά, είναι εμφανές και από παρατηρήσεις και από υπολογισμούς ότι όλες οι διαταραχές της τροχιάς και του άξονα της Γης θέλουν τουλάχιστον αρκετές χιλιάδες χρόνια να ολοκληρώσουν έναν «κύκλο» (στο σύμπαν αυτά είναι μικρά νούμερα, η γέννηση της Γης διήρκησε περίπου 1-2 εκατομμύρια και η διάρκεια ζωής ενός μεσαίου άστρου από εκατοντάδες εκατομμύρια έως μερικά δισεκατομμύρια χρόνια). Οι αλλαγές που προκαλούν συνολικά είναι πράγματι σημαντικές, ιδιαίτερα αν άλλοι παράγοντες δράσουν προς την ίδια κατεύθυνση, αλλά πολύ αργές για τα δεδομένα της ανθρώπινης ζωής και έρχονται σταδιακά, με αποτέλεσμα σε χρονικά διαστήματα μερικών δεκαετιών να είναι αμελητέες.
Μεταβολές εντός της Γης
Στην αρχή της δημιουργίας της, η Γη, είχε τελείως διαφορετική ατμόσφαιρα και επιφάνεια από τη σημερινή, ενώ παράλληλα δεν υπήρχαν οι υδροφόροι ορίζοντες, οι υδρατμοί και τα σύννεφα που υπάρχουν σήμερα. Ο Ήλιος ήταν επίσης σε διαφορετικό στάδιο, θεωρείται ότι εξέπεμπε λιγότερη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και είχε ισχυρότερο «άνεμο», ενώ και οι τροχιές των σωμάτων στο ηλιακό σύστημα ήταν διαφορετικές. Στα πρώτα της στάδια η Γη πρέπει να βομβαρδίστηκε από αστεροειδείς και κομήτες, αλλά αργότερα αυτές έγιναν αρκετά σπάνιες. Η θερμοκρασία πρέπει να ήταν πολύ διαφορετική, ενώ φαινόμενα όπως οι βροχές δεν υπήρχαν ακόμη. Το αποτέλεσμα των συνθηκών εκείνων και της σύστασής της ήταν η διαφυγή της ατμόσφαιρας στο διάστημα. Στη συνέχεια (περίπου 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια), σχηματίστηκε νέα ατμόσφαιρα μέσω της γεωλογικής δραστηριότητας της Γης (ηφαίστεια) και συγκρούσεων με αστεροειδείς ή και κομήτες. Η νέα ατμόσφαιρα περιείχε κυρίως υδρατμούς, διοξείδιο του άνθρακα και άζωτο. Σταδιακά άρχισαν σχηματίζονται οι ωκεανοί, ίσως αυξήθηκε αργά το οξυγόνο και παράλληλα εμφανίστηκε η ζωή. Σε κάθε περίπτωση, η διάλυση διοξειδίου του άνθρακα στους ωκεανούς, η προσχώρησή του σε πετρώματα και η φωτοσύνθεση από τα φυτά, προκάλεσαν απότομη αύξηση της συγκέντρωσης του οξυγόνου με μείωση αυτής του διοξειδίου του άνθρακα και η ατμόσφαιρα ήρθε στη γνώριμη σε εμάς κατάσταση (εκτιμάται ότι έγινε εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια πριν). Όλες αυτές οι αλλαγές δεν μπορούν παρά να προκάλεσαν σημαντικές μεταβολές στο κλίμα της Γης. Γενικότερα, αλλαγές αυτού του είδους κατά κανόνα είναι αργές για τα ανθρώπινα δεδομένα. Διαρκούν τουλάχιστον αρκετές χιλιετίες.
Για να συμβεί κάποια απότομη μεταβολή στο κλίμα, λόγω μεταβολής στην ατμόσφαιρα της Γης, θα πρέπει είτε να υπάρξει ασυνήθιστη γεωλογική δραστηριότητα (π.χ. πολλά μεγάλα ηφαίστεια σε αναλογικά λίγο χρόνο), είτε ασυνήθιστες βιοχημικές διεργασίες, οι οποίες θα προκαλούνται από κάποια ξαφνική μεταβολή στους οργανισμούς (η οποία θα έχει κάποια αιτία με τη σειρά της), είτε κάποια σύγκρουση με άλλο ουράνιο σώμα.
Τα ηφαίστεια απελευθερώνουν αέρια και αιωρούμενα σωματίδια στην ατμόσφαιρα. Δεν έχουν όλα τα ηφαίστεια σημαντικές επιπτώσεις στο κλίμα. Θα πρέπει να ανέλθει αρκετό υλικό στη στρατόσφαιρα, το οποίο εξαρτάται από την ισχύ, το είδος της έκρηξης, τη γεωγραφική του θέση και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες όταν αυτή συμβεί. Αν συμβούν πολλές τέτοιες εκρήξεις σε λίγο χρόνο, μπορούν να ελαττώσουν πολύ την ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στο έδαφος ή να αλλάξουν σημαντικά τις συγκεντρώσεις των συστατικών της ατμόσφαιρας, επηρεάζοντας τον τρόπο που αλληλεπιδρά η ατμόσφαιρα με την ηλιακή ή τη γήινη ακτινοβολία. Σε ένα τέτοιο γεγονός αποδίδεται η μαζική εξαφάνιση ειδών που συνέβη περίπου 252 εκ. χρόνια πριν. Συνήθως, προκαλούν ψύξη του πλανήτη, αλλά δεν αποκλείεται σε κάποιες σπάνιες περιπτώσεις να έχουν ως αποτέλεσμα θέρμανση.
Οι συγκρούσεις με σχετικά μεγάλα ουράνια σώματα (διαμέτρους χιλιομέτρων), είναι επίσης αρκετά ισχυρές για να προκαλέσουν μεγάλες αλλαγές στην επιφάνεια και την ατμόσφαιρα της Γης, ακόμη και να πυροδοτήσουν ηφαιστειακή δραστηριότητα. Άλλωστε αυτή είναι και η επικρατούσα εξήγηση για την εξαφάνιση των δεινοσαύρων, περίπου 66 εκ. χρόνια πριν, με τα ηφαίστεια (μόνα τους), να αποτελούν την κύρια εναλλακτική. Φυσικά, αν είχε συμβεί τέτοια σύγκρουση θα ήταν εμφανής.
Ηφαιστειακές εκρήξεις συμβαίνουν συχνά στη Γη, δεν είναι κάτι καινούργιο, ούτε οι εκρήξεις μεγάλου μεγέθους. Από το 19ο αιώνα και μετά οι κύριες εκρήξεις με επιπτώσεις στο παγκόσμιο κλίμα ήταν των ηφαιστείων Tambora (1815), Krakatoa (1883), Santa Maria (1902), Agung (1963), El Chichón (1982) και Pinatubo (1991), χωρίς να σημαίνει ότι ήταν οι μόνες. Τα ηφαίστεια αυτά είχαν αρνητική επίδραση στη θερμοκρασία. Το πρώτο μάλιστα θεωρείται υπεύθυνο για τη «χρονιά δίχως καλοκαίρι» (1816). To Pinatubo προκάλεσε πτώση της παγκόσμιας θερμοκρασίας που ήταν εμφανής για περίπου 2 χρόνια (εικόνα 3).
Γενικότερα, η ηφαιστειακή δραστηριότητα δεν ήταν αρκετή για να προκαλέσει συνεχή και απότομη κλιματική αλλαγή για όλη την περίοδο της υπερθέρμανσης. Θα μπορούσε κάποιος να θεωρήσει ότι η υπερθέρμανση είναι αποτέλεσμα χαμηλής ηφαιστειακής δραστηριότητας. Στις αρχές του 20ου αιώνα πράγματι δεν υπήρξαν τέτοιες εκρήξεις και αυτό έπαιξε κάποιο ρόλο στη θέρμανση της Γης, αλλά αργότερα, όπως είδαμε εμφανίστηκαν ξανά και αποδείχθηκε ότι δε σταματούν την τάση προς υπερθέρμανση γενικά, προκαλούν προσωρινές μικρές πτώσεις της παγκόσμιας θερμοκρασίας, η οποία σύντομα επανέρχεται σε ανοδική τάση. Ίσως, οι εκρήξεις που συνέβησαν να είναι λιγότερες σε σχέση με κάποιες εποχές και περισσότερες με άλλες. Το θέμα είναι ότι η θερμοκρασία χρειάζεται κάποια αιτία για να αποκτήσει συνεχή ανοδική τάση. Η έλλειψη ηφαιστείων θα εμπόδιζε την προαναφερόμενη προσωρινή ψύξη του πλανήτη, αλλά δε θα προκαλούσε θέρμανση.
Άλλη φυσική αιτία για κλιματική αλλαγή μπορεί να είναι η αλλαγή της κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας ή των ωκεανών. Αυτοί είναι οι μηχανισμοί με τους οποίους διαμοιράζεται η ενέργεια στις διάφορες περιοχές του πλανήτη. Επηρεάζουν πολύ το τοπικό κλίμα, αλλά όχι απαραίτητα το παγκόσμιο. Ας υποθέσουμε όμως ότι αλλάζει η κυκλοφορία με τέτοιο τρόπο, που τα νέφη στις πολικές περιοχές μειώνονται και στις τροπικές αυξάνονται, με τέτοιο τρόπο, που η συνολική ακτινοβολία του Ήλιου στην επιφάνεια της Γης να μείνει ίδια. Επειδή οι πόλοι έχουν μεγάλη επιφάνεια παγετώνων, οι οποίοι ανακλούν περισσότερο φως από το έδαφος ή τα φυτά, στη Γη θα έμενε λιγότερη ενέργεια συνολικά και θα είχαμε ψύξη του πλανήτη. Αν συνέβαινε το αντίθετο, θα μπορούσε να προκαλέσει θέρμανση. Αλλαγές στο είδος των νεφών επίσης μπορούν να αλλάξουν το κλίμα. Σχετικά με την ωκεάνια κυκλοφορία, αυξημένη μεταφορά θερμότερου νερού προς τους πόλους θα μπορούσε να μειώσει την επιφάνεια των παγετώνων, άρα και την ανακλαστικότητα των πόλων, αλλά θα πρέπει να ήταν αρκετά μεγάλη μείωση για να υπάρξει μεγάλη διαφορά στο ενεργειακό ισοζύγιο. Στους πόλους άλλωστε ο Ήλιος είναι εμφανής το μισό χρόνο περίπου και όχι σε μεγάλο ύψος στον ορίζοντα. Ωκεάνια ρεύματα που προκαλούν αύξηση της θερμοκρασίας σε θερμές περιοχές με αρκετά δάση, μπορούν να έχουν ως αποτέλεσμα πυρκαγιές, οπότε και μείωση της βλάστησης. Μερικές από τις συνέπειες αυτών θα ήταν εκπομπές σωματιδίων και αερίων στην ατμόσφαιρα, διαφορετική ανακλαστικότητα στην περιοχή, λιγότερη απορρόφηση διοξειδίου του άνθρακα και λιγότερη απελευθέρωση οξυγόνου. Διάφορες τέτοιου είδους εξηγήσεις θα μπορούσαν να δοθούν, αλλά θα πρέπει η γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας και των ωκεανών να διαταράσσονται με συνεχώς με τέτοιο τρόπο, ώστε να προκαλούν εμφανή θέρμανση στον πλανήτη για αρκετές δεκαετίες και μάλιστα με το συγκεκριμένο ρυθμό που παρατηρούμε, κάτι που δε συνέβη, αλλά και να είχε συμβεί θα πρέπει κάτι να το είχε προκαλέσει. Συνεπώς, αυτά τα φαινόμενα θα ήταν αποτελέσματα, μάλλον, και όχι αίτια της υπερθέρμανσης. Γενικότερα, όμως μεταβολές στην ατμοσφαιρική και ωκεάνια κυκλοφορία πράγματι έχουν παρατηρηθεί ως αποτελέσματα της απότομης κλιματικής αλλαγής των τελευταίων δεκαετιών.
Ακόμη ένας σημαντικός παράγοντας θα μπορούσε να είναι οι πληθυσμοί και τα χαρακτηριστικά των οργανισμών. Οι δραστηριότητες και οι βιολογικές διεργασίες των ζωντανών οργανισμών, επηρεάζουν τη σύσταση της ατμόσφαιρας, των ωκεανών και του εδάφους, οπότε μεγάλες αλλαγές στους πληθυσμούς τους, ενδέχεται να αλλάξουν το κλίμα. Τα τελευταία 150 χρόνια, υπάρχουν τέτοιες μεταβολές, αλλά οφείλονται σε διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες και την κλιματική αλλαγή. Ακόμη κάτι, λοιπόν, που είναι αποτέλεσμα και όχι αιτία.
Το συμπέρασμά μας και πάλι είναι, ότι οι περισσότερες φυσικές αιτίες κλιματικής αλλαγής είναι είτε πολύ αργές, είτε προκαλούν αρκετά μικρότερες αλλαγές από αυτές που παρατηρούμε τον τελευταίο αιώνα, είτε έχουν πολύ διαφορετική πορεία. Περιπτώσεις, όπως πολύ αυξημένη ηφαιστειακή δραστηριότητα και μάλιστα τέτοιου είδους που να προκαλέσει θέρμανση αντί για ψύξη του πλανήτη, δεν έχει παρατηθεί, τουλάχιστον στην εποχή μας, όπως και καμία σύγκρουση με ουράνιο σώμα του απαιτούμενου μεγέθους (κάτι που επίσης, θα περιμέναμε να προκαλέσει ψύξη). Θα μπορούσε κάποιος να αναρωτηθεί, αν η υπερθέρμανση προκαλείται από άγνωστη αιτία. Αυτή όμως θα έπρεπε να είναι μία συνεχής φυσική μεταβολή στον πλανήτη, με εμφανή αποτελέσματα και κάποιο φυσικό μηχανισμό να προκαλεί αυτή τη διαταραχή, ο οποίος για κάποιο λόγο δεν την προκάλεσε για χιλιετίες, αλλά εμφανίστηκε τα τελευταία το πολύ 150 χρόνια και το μόνο που μπορέσαμε να ανιχνεύσουμε είναι το ότι ανέβασε την παγκόσμια θερμοκρασία. Αν και αυτό σενάριο δεν ακούγεται αρκετά πιθανό, ας υποθέσουμε ότι δεν αποκλείεται να συμβεί κάτι τέτοιο. Θα είχε νόημα να θεωρήσουμε ότι πράγματι συνέβη εάν υπήρχε γνωστός φυσικός μηχανισμός, στον οποίο επιδρούν οι ανθρώπινες δραστηριότητες, που προκαλεί την παρατηρούμενη υπερθέρμανση; Διότι, τέτοιος μηχανισμός πράγματι υπάρχει και θα αναλυθεί στο επόμενο άρθρο.
Πηγές:
Η τροχιά και ο άξονας περιστροφής της Γης
3. https://www.giss.nasa.gov/research/briefs/hansen_02/
6. Possible impact of interplanetary and interstellar dust fluxes on the Earth’s climate, M. G. Ogurtsov, Ο. M. Raspopov
7. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/768/2/152/meta
Μεταβολές εντός της Γης
1. Meteorology Today: An introduction to weather climate and environment, C. Donald Ahrens, 9th edition
5. Use of paleo-records in determining variability within the volcanism–climate system, Gregory A. Zielinski, 2000
6. http://millenniumassessment.org/documents/document.273.aspx.pdf
Comments