Civilizația umană a fost și va fi în mod sigur marcată de evoluţia climei, iar studiul schimbărilor climatice reprezintă un pas fundamental pentru înțelegerea istoriei şi viitorului rasei umane. Cum putem afla mai multe despre cum a evoluat clima în trecut?
În decursul celor câtorva sute de ani în care oamenii au studiat sistemul climatic al planetei noastre, schimbările au fost relativ reduse, însă studiile științifice ne arată, de exemplu, că în trecutul geologic deşertul Sahara a fost acoperit de gheaţă, dar şi că în Transilvania creşteau recifuri de corali. La apogeul ultimei glaciaţiuni, acum ~21.000 de ani, calote de gheaţă acopereau Canada, nordul Statelor Unite, nordul Europei și părţi din Asia (figura 1). În centrul acestor calote grosimea gheţii era de 1 km sau chiar mai mult, iar nivelul mării era cu ~120 m mai scăzut decât în prezent, unind insulele dintre Asia și Australia și conectând Marea Britanie de continentul European.
Figura 1. Comparaţie între aria ocupată de calotele glaciare în emisfera nordică în prezent (stânga) și acum 21000 de ani (dreapta).
Credit imagine: NASA
Teoria lui Milankovič și cauzele erelor glaciare
Care sunt cauzele acestor schimbări climatice și cum putem afla mai multe despre cum a evoluat clima în trecut?
Cu aproape 90 de ani în urmă sârbul Milutin Milankovič a publicat o monografie intitulată “Teoria matematică a fenomenelor termice cauzate de radiaţia solară”, care avea să revoluționeze studiul schimbărilor climatice la scară geologică. Conform acestei teorii, Pământul trece prin perioade glaciare şi interglaciare la intervale care pot fi calculate ținând cont de schimbările periodice în configurația orbitală a Pământului. Mai exact, schimbările în excentricitatea orbitei în jurul Soarelui (figura 2), înclinaţiei planului de rotație (figura 3) și schimbarea anotimpului în care Pământul se află cel mai aproape de Soare (figura 3) modifică distribuţia radiației solare la diferite latitudini. Prin urmare, atunci când energia solară din timpul verii la latitudini mari din emisfera nordică este ridicată, Pământul absoarbe mai multă energie de la Soare făcând clima mai caldă și prevenind formarea unor calote glaciare extinse. Din contră, când energia primită de la Soare este scăzută, clima va fi mai rece, ghețarii vor putea supraviețui de la un an la altul, iar calotele glaciare vor începe să se formeze la latitudini mari. Emisfera nordică are un rol mai mare pentru ciclurile glaciare decât emisfera sudică pentru că aria ocupată de continente este mai extinsă la nord de ecuator, iar calotele glaciare au mai mult spațiu să se dezvolte.
Figura 2. Datorită atracției gravitaționale exercitate asupra Pământului de către celelalte planete din Sistemul Solar, forma orbitei în jurul Soarelui variază de-a lungul timpului de la eliptică până la aproape circulară, afectând distribuția sezonieră a radiației solare în cele două emisfere. Aceste schimbări sunt concentrate în cicluri care au o durată medie de 100.000 și 413.000 de ani. Excentricitatea afectează clima Pământului pentru că atunci când orbita este mai circulară cantitatea de energie primită de la Soare va fi mai mare decât în cazul unei orbite mai eliptice, iar clima va fi mai caldă.
Figura 3. Oblicitatea, sau înclinația planului axial (stânga) variază între 22.1o și 24.5o (în prezent se află la 23.5o) cu o periodicitate de ~40.000 de ani și are efectul cel mai pronunțat în distribuția energiei la latitudini mari. O înclinare mai accentuată a orbitei va produce contraste sezoniere mai pronunțate (veri mai calde și ierni mai reci), în timp ce un unghi mic al orbitei va determina veri mai răcoroase și ierni mai blânde. Precesia echinocțiilor și solstițiilor în jurul orbitei (dreapta) afectează perioada din an în care Pământul se află cel mai departe (afeliu) și mai aproape (periheliu) de Soare și se schimbă cu o periodicitate de 19,000 și 23,000 de ani. Atunci când afeliul se produce în timpul verii, calotele glaciare vor putea să se formeze datorită temperaturilor mai scăzute, iar când afeliul are loc în timpul iernii (cum este cazul în prezent), verile vor fi mai calde, iar calotele glaciare nu vor putea creste.
Deşi acceptată de marea majoritate a comunităţii științifice, teoria lui Milankovič nu poate explica toate trăsăturile observate în arhivele geologice. Prin urmare, în ultimii ani au apărut teorii alternative care fie modifică diferite aspecte ale acestei teorii, fie propun mecanisme complet diferite pentru apariţia și dispariţia perioadelor glaciare. Despre acestea, însă, poate într-un articol viitor.
Schimbările climatice și gazele de seră
Pe lângă configuraţia orbitală, doi factori adiţionali pot afecta în mod fundamental balanţa energetică a Pământului: (1) modificarea fracției de energie solară reflectată de Pământ (albedo) indusă, de exemplu, de schimbarea concentraţiei de aerosoli din atmosferă sau a tipului de vegetaţie; (2) alterarea cantităţii de energie reflectată înapoi spre Pământ de către atmosferă (de exemplu prin schimbarea concentrației gazelor de seră). Societatea umană are capacitatea de a influenta acești factori, de exemplu prin înlocuirea pădurilor cu culturi agricole sau prin arderea combustibililor fosili.
În prezent, principalul motiv de îngrijorare vis-a-vis de schimbările climatice este concentrația ridicată a CO2-ului și a altor gaze cu efect de seră. Acestea au atins nivele fără precedent, cel puțin în ultimii 800.000 de ani (figura 4), perioadă pentru care avem date precise culese din carotele de gheată din Antarctica.
Figura 4. Comparaţie între volumul de gheaţă dedus prin măsurarea izotopilor de oxigen (δ18O) în cochiliile unor organisme marine (albastru) și date din carotele de gheată Vostok și EPICA din Antarctica (anomalia de temperatură (roşu), concentraţia de metan (violet) și concentraţia dioxidului de carbon (verde)). Date preluate de la NOAA.
Pe măsură ce zăpada s-a acumulat în Antarctica, straturile de zăpadă de la adâncime au fost comprimate și s-au transformat treptat în cristale de gheaţă, iar în acest proces mici bule de aer au fost incorporate în gheaţă. Oamenii de știință pot să extragă carote lungi de câțiva kilometri și să măsoare concentrația diferitelor gaze păstrate în gheaţă de-a lungul timpului. Conform acestor date, în ultimii 800.000 de ani concentraţia CO2-ului a variat între 180 de părţi pe milion (ppm) în timpul erelor glaciare și ~300 ppm în timpul perioadelor calde (interglaciare).
De asemeni, datele confirmă că la începutul încălzirii de la sfârșitul ultimei perioade glaciare, temperatura a început să crească cu ~800 de ani înaintea creşterii CO2-ului, însă ulterior temperatura s-a schimbat în tandem cu CO2-ul. Prin urmare, din moment ce tranziţia de la glaciar la interglaciar durează ~5000 de ani, 5/6 părți din încălzirea totală poate fi explicată de creşterea CO2-ului. Scepticii încălzirii globale folosesc însă doar prima parte a observației precedente pentru a argumenta că dioxidul de carbon antropogenic nu va induce schimbări climatice în viitor și aleg să ignore partea a doua a observației de mai sus.
În ultimii 100 de ani CO2-ul a crescut cu mult peste 300 ppm și se află în prezent la ~385 ppm. Pentru comparaţie, creșterea de 80 ppm a CO2-ului în timpul tranziției de la ultima perioadă glaciară a luat 5000 de ani. În mod similar, concentrația metanului (CH4) în atmosferă a oscilat între ~350 părți pe miliard (ppb) și 750 ppb în ultimii 600.000 de ani; în prezent însă concentrația acestui gaz în atmosferă este de ~1750 de ppb!
