2. fejezet - Globális klímaváltozás a múltban

Tartalom

2.1. Múltbeli éghajlatváltozások mértéke
2.1.1. Régmúlt idők éghajlatváltozása
2.1.2. A XX. század éghajlati tendenciái
Összefoglaló ellenőrző kérdések

Számos vizsgálat foglalkozik a globális melegedés természetes és antropogén tényezői közötti arány minél pontosabb becslésével, számszerűsítésével. A legújabb eredmények alapján az 1889–2006 időszakban a természetes folyamatok (vagyis a nap- és a vulkántevékenység) által kifejtett melegítő hatás nem haladja meg a teljes globális felszínközeli melegedés 10%-át, így a maradék 90%-ért az antropogén tevékenység a felelős (Lean és Rind, 2008). Eddig semmilyen hitelt érdemlő kutatási eredményt nem publikáltak, mely ezen eredmények alternatívájaként számításba vehető lenne.

2.1. Múltbeli éghajlatváltozások mértéke

E fejezetben áttekintjük a múltbeli éghajlatváltozások vizsgálati módszereit, s a detektált globális éghajlatváltozási tendenciákat. Elsőként az utóbbi néhány százezer évben, majd az elmúlt két évezredben történt változásokat mutatjuk be a közvetett megfigyelések alapján. Ezután összegezzük a műszeres mérések időszakában megfigyelt globális éghajlati tendenciákat, valamint az ezek hátterében meghúzódó okokat.

2.1.1. Régmúlt idők éghajlatváltozása

Földünk története során az éghajlat folyamatosan változott, e változás mértékét annak amplitúdójával és időskálájával jellemezhetjük. Különösen napjainkban vált fontossá vizsgálni és mind jobban megérteni a múlt éghajlatváltozásainak lefolyását és ok-okozati összefüggéseit, mivel az emberiség ezekben az évszázadokban vált képessé az éghajlat befolyásolására, vagy akár megváltoztatására.

Az elmúlt egy-két évszázad változásairól a meteorológiai mérőhálózatok segítségével pontos információink vannak, de milyen közvetett utakon, ún. „proxy” adatsorok összeállításával szerezhetünk mért éghajlati adatok nélkül információt a régebbi korok klímájáról, azok változásairól? A proxy adatforrások eredete sokféle lehet, mi most csak néhányat sorolunk fel közülük az alábbiakban.

  • Az ősi barlangrajzokon ábrázolt állatok, növények utalnak a térség faunájára és flórájára, ami információt ad a régi korok klímájáról.

  • Az ún. „pollenanalízis” a régmúlt időkből származó növényi pollenek elemzésével foglalkozik, ugyanis egyes növények pollenje és ellenálló spórái akár évmilliók elteltével is felismerhetők, s bemutatják a terület növényzetét.

  • Az eljegesedés, a gleccserek kialakulása és mozgása jelentős és felismerhető nyomot hagy a környezeten, s az alacsony tengerszint feletti magasságon talált gleccsernyomok hidegebb éghajlatra engednek következtetni. Gleccserek visszahúzódásának mostanában is tanúi lehetünk (2.1. ábra).

A Grinnell gleccser visszahúzódása a montanai Gleccser Nemzeti Parkban

2.1. ábra. A Grinnell gleccser visszahúzódása a montanai Gleccser Nemzeti Parkban: 1938-1981-1998-2009 (Fotók: T.J. Hileman, Carl Key, Dan Fagre, Lindsey Bengtson, USGS)

  • Száraz éghajlatra utalnak a talaj kősó- és gipszrétegei, amelyek beltavak, elzáródott tengerrészek kiszáradásával keletkeztek.

  • A paleoklimatológiai célú kormeghatározáshoz az egyik legpontosabb becslést a szénizotópok felhasználásával kaphatjuk. A légköri szén-dioxidban állandó a szén 14-es tömegszámú izotópjának (14C) aránya. Az élő szervezetekbe épülő 14C-izotóp, annak pusztulása után csökkenni kezd, melynek mértéke kellő pontossággal számítható. Így lehetséges e módszerrel akár az utolsó százezer év fosszíliáinak kormeghatározása.

Fatörzs keresztmetszete évgyűrű-analízishez

2.2. ábra. Fatörzs keresztmetszete évgyűrű-analízishez

  • A fák évgyűrűinek (2.2. ábra) vastagsága, egymástól való távolsága, színe is értékes adatok lehetnek, hiszen elemzésükkel egy adott térség évenkénti csapadékviszonyairól nyerhetünk információkat (2.3. ábra). A Kaliforniában élő ún. Sequoia fenyőóriások (2.4. ábra) életkora gyakran meghaladja a 3000 évet, így ez a fafaj különösen alkalmas évgyűrű-elemzésekhez. Manapság a fák kivágása helyett inkább furatokat készítenek, s ezt analizálják. A furatminta-vétel fő eszközét a 2.5. ábrán láthatjuk.

A fák évgyűrűinek értelmezése

2.3. ábra. A fák évgyűrűinek értelmezése

Sequioa fenyőóriás a kaliforniai Sequoia Nemzeti Parkban

2.4. ábra. Sequioa fenyőóriás a kaliforniai Sequoia Nemzeti Parkban (Fotó: NOAA/Department of Commerce)

A fák évgyűrű analíziséhez furatminta-vétel

2.5. ábra. A fák évgyűrű analíziséhez furatminta-vétel (Fotó: Hannes Grobe, 2001)

  • Festmények és más régi műalkotások is segíthetik a klímaváltozások megfigyelését. Például a híres római Trajánusz-oszlop (2.6. ábra) egy részletének tanulmányozása is segítségünkre lehet elmúlt idők éghajlatának feltárásában. A faragott domborművön a császár által i.sz. 101–106 között építtetett, kőpilléreken álló fahíd látható, mely a Vaskapunál íveli át a Dunát (2.7. ábra). A híd a történetírás szerint 170 éven keresztül állt a kőfaragás által megmintázott formában. Az elmúlt több mint másfél évezred alatt változott a Duna vízállása és változtak a térség csapadékviszonyai is, hiszen a mai klimatikus viszonyok, s a folyón az elmúlt évszázadok során levonuló áradások mellett a híd nem állhatott volna az ábrázolt helyszínen és formában.

Trajánusz oszlop Rómában

2.6. ábra. Trajánusz oszlop Rómában (Fotó: Juan Francisco Adame Lorite)

A Vaskapu fahídjának részlete a Trajánusz oszlopon

2.7. ábra. A Vaskapu fahídjának részlete a Trajánusz oszlopon (Fotó: Conrad Cichorius)

  • A múlt éghajlatát kutató vizsgálatoknál egy további jó indikátor a sarkvidéki területeket fedő jégpáncélból vett jégminta (2.8. ábra). Az 18O-izotóp rétegenként meghatározott koncentrációjából jól következtethetünk az elmúlt korok hőmérsékletének alakulására. E módszer lehetővé teszi akár többszázezer éves időszak végigkövetését, de ehhez esetenként több km-es jégfuratminták elemzésére is szükség lehet. A furatelemzés során az elmúlt idők légköri összetételére a lehullott hópelyhek közé szorult légbuborékok analízisével következtetünk. Egyedül ezek a direkt források állnak rendelkezésünkre, s egyben ezek kínálják a legjobb idősorokat a légkör összetételéről és az éghajlati paraméterekről. A jégminták még az áramlási viszonyokról is rendelkeznek információkkal az ide fújt por-, tengeri só-, pollen- és vulkanikus hamurészecskék révén.

Jégfuratminta szeletelése

2.8. ábra. Jégfuratminta szeletelése. (Fotó: Mike Dunn, NOAA/Department of Commerce, Climate Program Office, 2006)

A leghosszabb éghajlati minták az Antarktiszt borító, több kilométer vastagságú jégpáncélból kerülnek ki. Az eddigi rekord hosszúságú jégfuratminta hossza több mint 3000 méter. Ennek részletes elemzését 2004 elején kezdték meg európai klimatológusok és geofizikusok. E minta alapján az elmúlt közel 800 ezer év éghajlatáról kaphatunk információkat: a hőmérsékletet, valamint a szén-dioxid és a metán koncentrációjának történetét követhetjük nyomon (2.9. ábra).

Az elmúlt 800 ezer év eljegesedési periódusai: a hőmérséklet (középen), a szén-dioxid (fent) és a metánkoncentráció (lent) változásai.

2.9. ábra. Az elmúlt 800 ezer év eljegesedési periódusai: a hőmérséklet (középen), a szén-dioxid (fent) és a metánkoncentráció (lent) változásai. (Centre for Ice and Climate, Niels Bohr Institute, Koppenhágai Egyetem nyomán)

A pleisztocén kori eljegesedések során a meleg és hideg fázis közötti hőingás a sarkok közelében nagyobb volt, mint a közepes földrajzi szélességeken. A grafikonon látható, hogy a meleg csúcsok egymástól megközelítőleg 100 ezer évnyire voltak, s a periódusok hőmérsékleti ingása a Déli-sark térségében elérte a 10 °C-ot. A jégfuratmintából jól látszik, hogy a glaciálisok és interglaciálisok során teljesen együtt változott a hőmérséklet, a szén-dioxid- és a metánkoncentráció. Jelenlegi ismereteink szerint az eljegesedési ciklusok a földpálya-elemek periodikus változásainak következtében alakulnak ki, mivel azok befolyásolják a földfelszínre érkező napsugárzás évszakos eloszlását. Érdekes megfigyelni, hogy míg a besugárzás csökkenése és növekedése értelemszerűen fokozatosan történik, addig az erre adott légköri válasz (a melegedési és a hűlési folyamat) nem szimmetrikus: a hűlés 80–90 ezer évig tart, s a melegedés ennek gyakran még egy tizedéig sem. A múltban is volt már példa hihetetlenül gyors melegedésre, s ezek mind pontosabb tanulmányozása talán segíthet megérteni a jelenkori éghajlatváltozások fizikai hátterét. A múltban az eljegesedési időszakok idején a jelenleginél akár 6–8 °C-kal hidegebb klíma uralkodott. Fontos megállapítás, hogy az elmúlt 800 ezer évben a mainál jelentősen melegebb éghajlati viszonyok nem fordultak elő.

A legutolsó eljegesedés idején a kontinensek közel egyharmadát gleccserek fedték, melyek az Északi-félgömbön lenyúltak egészen Prágáig, Párizsig (Európában), s New York-ig (Amerikában). A Föld rekonstruált hó- és jégtakaró térképe alapján a jégtakaró vastagsága a mai Svédország területén és a Sziklás-hegységben meghaladta a 2500–3000 m-t. Az Alpok gleccserei mélyen lehúzódtak a folyóvölgyekbe, és óriási egybefüggő jégtáblák borították a kontinensek jelentős részét. Az óriási tömegű jég lecsökkentette az óceánok vízmennyiségét, így a vízszint több mint 100 méterrel alacsonyabb volt a jelenleginél. Ennek eredményeképpen egy szárazföldi híd kötötte össze Szibériát Alaszkával, azaz a két kontinens ekkor még összefüggő volt.

A 2.10. ábra 20 ezer évet felölelve mutatja be a földfelszíni hőmérséklet becsült alakulását a múltban és a következő évszázadban. Jól látható, hogy az esetlegesen bekövetkező változások veszélye abban rejlik, hogy a földi légkör olyan hőmérsékleti tartományba léphet, melyben az emberiség – földtörténeti időskálán viszonylag rövid – története során soha nem volt.

A Föld globális átlaghőmérsékletének alakulása az elmúlt 20 ezer év során

2.10. ábra. A Föld globális átlaghőmérsékletének alakulása az elmúlt 20 ezer év során. (WHO alapján)

A fent felsorolt paraméterek esetenként önmagukban is jó indikátorai lehetnek az éghajlatváltozásoknak. Gondoljunk csak a Velencei-tó felszínének csökkenésére, kiszáradására vagy a Balaton vízszintjének ingadozásaira. (A történelem során még a Balaton is többször teljesen kiszáradt, s óriási homokviharok, porviharok sújtották a vidéket, mígnem a rómaiak a Sió-csatorna és a hozzátartozó zsilipek megépítésével lehetővé tették a vízszint emberi szabályozását.) Egy-egy klímaparaméter alakulásából nem vonhatunk le általános következtetéseket az éghajlat egészére, hiszen gyakran nem lehet megítélni, hogy egy markáns tendencia megjelenésének hátterében milyen ok-okozati összefüggések húzódnak. Például az aszályok vagy árvizek gyakoriságának jelentős változása mögött nemcsak a lehullott csapadék mennyiségének markáns növekedése vagy csökkenése állhat, hanem esetenként folyók szabályozása, víztározók építése vagy a rosszul tervezett vízgazdálkodás. Ezek a változások mind közvetlenül vagy közvetve érintik a mezőgazdaságot, s következményeik hatással lehetnek a térség gazdaságára.

Az elmúlt néhány évszázad mérési adatait a fent felsorolt módszerek felhasználásával kiegészítve jó közelítést kaphatunk az éghajlati paraméterek múltbeli alakulásáról. A Közép- és Észak-Európában markánsan jelentkező ún. középkori meleg időszak 1000 körül tetőzött, mely egyben a megelőző néhány évezred legmelegebb periódusa is volt. Arról heves szakmai viták folynak, hogy a középkori meleg időszak melegebb volt-e a jelenlegi klímánál vagy csak megközelítette azt. E témával kapcsolatos legújabb eredményeket összegzi a 2.11. ábra, melyet az ún. Koppenhágai Diagnózisban (Allison et al., 2009) is közöltek. A grafikon nemcsak összefoglalja mai tudásunkat az elmúlt 2000 évben bekövetkezett klímaváltozásokról, hanem számszerűsíti a különböző módszerekkel kapott eredmények bizonytalanságait. Nagy jelentőségű ez a vizsgálat, hiszen az eredmények ismeretében lehetőségünk van az elmúlt évszázadokban természetes okokból létrejött változásokat összehasonlítani a napjainkban zajló antropogén eredetű tendenciákkal. Ugyancsak lehetővé válik, hogy értékeljük a jövőre vonatkozó modellszimulációk által jelzett melegedés kockázatát. Az elemzés egyedülálló, mert elsőként alkalmazza és értékeli az ún. Proxy Adatok Hálózatában (Proxy Data Network) szereplő összes (1209) adatbázist, melyek közül 1158 éves, 51 pedig évtizedes felbontású adatsorokat tartalmaz. Komplex adatbázisról van szó, hiszen egyaránt szerepelnek benne a fák évgyűrűi, a tengeri és édesvízi üledékek rétegezettsége, a cseppkövek, a korallok, a jégfurat minták, valamint a történeti feljegyzések alapján meghatározott idősorok. Az összes adatbázis visszanyúlik minimum 1800-ig, 460 közülük egészen 1600-ig, 177 adatsor 1400-ig, 59 adatsor 1000-ig, 36 adatsor 500-ig, s 25 adatsor időszámításunk kezdetéig. Ez a felsorolás jól tükrözi a klímarekonstrukciók forrásainak időbeni ritkulását, vagyis minél távolabbi múltba megyünk vissza, annál kevesebb proxy adatsor áll rendelkezésre, s így a levonható következtetések bizonytalansága is nő. A teljes adatbázisban a Föld különböző régiói elég jól lefedettek: egyrészt a trópusi, a sarkvidéki és a mérsékeltövi területekről egyaránt vannak felhasználható források; másrészt mind az óceáni, mind a szárazföldi térségeket megfelelően nagy mennyiségű adat reprezentálja. A részletes elemzést megelőzően az adatsorokat különféle érzékenységi vizsgálatoknak vetették alá, s többféle statisztikai módszerrel is ellenőrizték azok minőségét.

Az északi félgömb rekonstruált hőmérsékleti menete különböző elemzések alapján az elmúlt 2000 évben.

2.11. ábra. Az északi félgömb rekonstruált hőmérsékleti menete különböző elemzések alapján az elmúlt 2000 évben. A CPS (composite plus scale) módszer azt jelenti, hogy a kompozit idősort a proxy adatok standardizálásával és súlyozásával állítják elő. Az EIV (error in variables) módszer során szintén súlyozást alkalmaznak, de a skálázás regresszióval történik. (Mann et al., 2008 alapján)

A minőségileg szűrt proxy adatbázis északi félgömbre vonatkozó komplex analíziséből levonhatjuk azt a következtetést, hogy az elmúlt néhány évtized hemiszférikus skálájú melegedése jelentős pozitív anomáliának számít minimum az elmúlt 1300 évben (ebben a becslésben nem szerepelnek a nagyobb bizonytalansággal rendelkező évgyűrű-idősorok). Abban az esetben, ha a fák évgyűrűinek esetenként vitatott proxy adatsorait is figyelembe vesszük, akkor az elmúlt 1700 évre vonatkozóan állíthatjuk ugyanezt. A déli félgömbről jóval kevesebb adat áll rendelkezésre, mint az északi félgömbről, ezért a hőmérsékleti becslések bizonytalansága nagyobb mind a déli félgömbre, mind a globális átlagra vonatkozóan. Így a déli félgömb éghajlati viszonyait vagy a globális klímát tekintve nem kizárt, hogy az elmúlt 1500 évben előfordulhattak az utóbbi néhány évtized melegedéséhez hasonló rövidebb periódusok.

A középkori meleg időszakot egy lehűlési fázis követte kb. 1550-től 1850-ig. Ez a több évszázadon át tartó, „kis jégkorszak”-nak nevezett hűvös periódus az előző jégkorszak hidegfázisa óta a leghűvösebb időszak volt. A XIX. század közepére-végére viszont már az egész kontinens túljutott ezen a hidegebb perióduson. E hőmérsékleti ingadozásokkal összefüggésben több fontos éghajlati elem is változott:

  • a különféle növénykultúrák tenyészidőszakának hossza,

  • a hóval fedett időszakok hossza és gyakorisága,

  • a téli időszak hossza,

  • a fagyok gyakorisága, s a talajba való lehúzódás mélysége,

  • a csapadék mennyisége és évszakonkénti eloszlása,

  • a párolgás és a talajnedvesség évszakonkénti eloszlása,

  • a folyók és tavak vízszintje, kiterjedése,

  • az aszályok és árvizek gyakorisága.

2.1.2. A XX. század éghajlati tendenciái

Az elmúlt évszázad éghajlatváltozásainak elemzéséhez már nincs szükség proxy adatbázisok felhasználására, hiszen a XIX. század közepétől világszerte megindultak a rendszeres műszeres meteorológiai mérések. A mérések alapján meghatározott globális átlaghőmérséklet az utóbbi száz évben (1906–2005 között) mintegy 0,74 °C-kal emelkedett. Ez a melegedés mind területileg, mind évszakosan nagy eltéréseket mutat ugyan, de a teljes meteorológiai mérési idősor legmelegebb 12 éve közül 11 az 1995 és 2006 közötti időintervallumba esett (IPCC, 2007a).

A 2.12. ábrán az 1850–2005 közötti 155 éves időszakra vonatkozóan láthatjuk a földfelszíni meteorológiai mérések alapján a globális átlaghőmérsékletek értékeit (fekete pöttyökkel jelölve). A jobb oldali tengelyen °C-ban a felszínközeli hőmérsékleti értékek, míg a bal oldali tengelyen az anomáliaértékek szerepelnek az 1961–1990 közötti referencia időszakhoz viszonyítva. A pontokra egy simított görbét illesztettek (sötétszürke görbe) és egy 5–95%-os bizonytalansági sávot (világosszürke sáv). Ez a bizonytalansági sáv többek között a mérőműszer-váltásból, illetve az állomások áthelyezéséből adódó hibát foglalja magába. Jól látható, hogy az idősor bizonytalansága a múlt felé haladva egyre nő. A jelentől számítva 25, 50, 100, illetve 150 évre visszamenőleg meghatározták a lineáris trendfüggvényt (melyeket rendre citromsárga, narancssárga, sötétkék, illetve piros színnel láthatunk a grafikonon). Ahogy a jelenhez közeledünk, úgy a trendegyüttható értékei egyre nagyobbak, a trendfüggvények meredeksége egyre nő, azaz a melegedés üteme egyre gyorsul. Az utolsó negyed-évszázadban már 0,18 °C/évtized volt a melegedés sebessége, mely közel négyszerese a teljes másfél évszázadra vonatkozó melegedési sebességnek.

A globális éves átlaghőmérséklet alakulása 1850 és 2005 között és az illesztett lineáris trendfüggvények

2.12. ábra. A globális éves átlaghőmérséklet (fekete pöttyök) alakulása 1850–2005 között és az illesztett lineáris trendfüggvények (színes egyenesek). (Forrás: IPCC, 2007a) - Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Figure TS.6. Cambridge University Press

Az éves átlaghőmérséklet növekedésének területi eloszlását láthatjuk a 2.13. ábrán, mely az 1979–2005 közötti időszak műholdas mérései alapján készült. A térképen °C/évtized egységben kifejezve a piros, illetve a kék színárnyalatok rendre a melegedés, illetve a hűlés mértékét jelenítik meg. A szürke színnel jelölt területekről (a pólusok környezetében) nem áll rendelkezésre megfelelő mennyiségű adat a hosszantartó sarkvidéki éjszakai időszakok miatt. Az éves átlaghőmérséklet trendegyütthatóit áttekintve elmondható, hogy általában melegedést detektálhatunk, mely a legnagyobb mértékű a kontinensek területén, különösen a magas földrajzi szélességeken (ahol meghaladja a 0,45 °C/évtized mértéket). Nagyon kis mértékű hűlés csak a déli félgömbön az óceáni területek felett figyelhető meg.

Az éves átlaghőmérséklet évtizedes trendegyütthatóinak térképe műholdas megfigyelések alapján az 1979 és 2005 közötti időszakra

2.13. ábra. Az éves átlaghőmérséklet évtizedes trendegyütthatóinak térképe műholdas megfigyelések alapján az 1979–2005 időszakra. A szürke színnel jelölt területek adathiány miatt nem értékelhetők. (Forrás: IPCC, 2007a) - Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Figure TS.6. Cambridge University Press

Ugyancsak a XX. század második felében egyre fokozódó melegedésre utal az északi sarkvidék körzetében található tengeri jég éves, valamint évszakos kiterjedésének csökkenése (2.14. ábra). Különösen a nyári és a tavaszi időszakban detektálhatunk nagyarányú változást, mely az utóbbi fél évszázadban elérte a 40%-os (3,5 millió km2), illetve a 20%-os (2,5 millió km2) mértéket.

Az északi sarkvidék tengeri jég kiterjedésének éves és évszakos változásai 1900 és 2003 között

2.14. ábra. Az északi sarkvidék tengeri jég kiterjedésének éves és évszakos változásai 1900–2003 között. (ACIA, 2005 nyomán)

Az elmúlt évtizedekben mért átlaghőmérsékleti idősor éghajlati modellekkel történő szimulációi segíthetnek annak eldöntésében, hogy milyen mértékben tehető felelőssé az emberi tevékenység a detektált melegedő éghajlati tendenciákért. A 2.15. ábrán szereplő grafikonokon a kék sáv jelöli az emberi tevékenység hatását figyelmen kívül hagyó 19 éghajlati szimuláció eredményét. E modellfuttatások csak a vulkáni tevékenységet és a napsugárzás ingadozásait tekintik, melyek alapján az éghajlat természetes változásait határozzák meg. A rózsaszín sávok az előbb említett természetes éghajlati kényszerek mellett az üvegházhatású gázok antropogén eredetű koncentráció-növekedését is figyelembe vevő 58 szimuláció eredményeit foglalják össze. Akár a globális átlagot, akár a földrészenként számított átlaghőmérsékleti idősorokat vetjük össze az elmúlt 100 év klímaszimulációival, egyértelmű a XX. század utolsó negyedében az antropogén melegítő hatás, s az emberiség felelőssége e folyamatokban.

A kontinentális és globális felszínközeli átlaghőmérséklet szimulációinak összehasonlítása a mért értékekkel 1906 és 2005 közötti időszakra

2.15. ábra. A kontinentális és globális felszínközeli átlaghőmérséklet szimulációinak összehasonlítása a mért értékekkel 1906-2005 időszakra. (Forrás: IPCC, 2007a) - Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Figure 2.5. IPCC, Geneva, Switzerland