JORDENS KLIMAT - EN LÅNG HISTORIA

Jordens klimat har en lång historia.

Från början fanns inget väder och inget klimat. Jorden var glödhet, men olika gaser strömmade fram ur jordens inre och skapade efterhand en atmosfär fylld av rök och molnmassor. Sedan regnade det länge – i miljarder år - och det bildades världshav som kunde hysa de allra första livsformerna.
Livet på jorden har allt sedan dess varit beroende av klimatet som har växlat mycket under årmiljarderna. Under en stor del av jordens historia har det varit mellan 8 och 15 grader varmare än idag. Den mesta tiden har polarregionerna varit helt isfria. Dessa långa perioder med tropisk hetta har avlösts av återkommande istider. Varje istid har bestått av ett flertal nedisningar, där isen har dragit sig fram och tillbaka. Den senaste is­tiden började för två miljoner år sedan och pågår fortfarande.

Växthuseffekten
Solen lyser igenom atmosfärens gaser och värmer jorden. Samtidigt strålar värme ut från jorden mot världsrymden. Om man räknar ut balansen mellan denna instrålning och utstrålning av värme kommer man fram till att jorden borde ha en medeltemperatur av omkring 19 minusgrader. Det betyder att knappast något liv skulle kunna existera här.
I verkligheten ligger jordens medeltemperatur vid markytan på mellan 14 och 15 plusgrader, ett mycket behagligt klimat för det liv som bildats här och som anpassat sig till rådande förhållanden.
Att vi har en medeltemperatur som är omkring 35 grader varmare än den teoretiska beror på att atmosfären innehåller gaser som strålar tillbaka en del av den värme som jorden strålar ut. Dessa gaser brukar man kalla för växthusgaser, eftersom de höjer temperaturen på jorden på ungefär samma sätt som glastaket i ett växthus. Solen lyser genom glastaket, som samtidigt hindrar varmluften att lämna växthuset. De vanligaste växthusgaserna är koldioxid, metan och vattenånga.

Jordens atmosfär fungerar ungefär som ett växthus. Solen strålar genom glastaket och värmer luften i växthuset. Samtidigt hindrar glastaket varmluften att lämna växthuset. På bilden kan man se hur värmen har spridit sig genom marken och smält snön utanför. Bild: Skylight

Livet uppstår
Växthuseffekten har varierat kraftigt genom jordens tidsåldrar och därmed klimatet. Men i lika hög grad har troligen klimatförändringarna påverkat koldioxidhalten och därmed växthus­effekten. Det har alltså skett en ständig växelverkan och det är svårt att säga vad som styr vad.
När det första livet uppstod i havet för omkring fyra miljarder år sedan innehöll atmosfären nästan inget syre, men halterna av koldioxid och metan var kanske hundra gånger högre än idag. Växthus­effekten var enorm. Eftersom solljuset då var ungefär 30 procent svagare än idag, var det kanske just denna kraftiga växthuseffekt som gav förutsättningar för livets uppkomst.
En miljard år efter att det första livet uppstått kom fotosyntesen, en av livets mest geniala uppfinningar. Havens mikro­organismer tog med hjälp av solljus och klorofyll upp koldioxid och frigjorde syre. Denna avfallsprodukt, syre, var dock giftig för många livsformer. Syre är nämligen ett ämne som väldigt gärna förenar sig med andra ämnen och bildar molekyler.
Långt senare gav syret möjlighet åt djurliv att uppstå på jorden genom att bildningen av ozon (treatomigt syre, O3) i atmosfären gjorde livet på land möjligt. Ozonet skyddade mot solens skadliga UV-strålning (läs mer om ozon och UV-strålning i AoV nr 5/2005). Syrehalten ökade i atmosfären och koldioxidhalten minskade. Växthuseffekten avtog då i styrka och det blev kallare. För 2,3 miljarder år sedan kom den första kända istiden.

Under en stor del av jordens historia har klimatet varit allmänt tropiskt. Det är bara under kortare tider, som nu, som polerna har varit frysta. Bild: Skylight

Tropisk hetta och arktisk kyla
Efter denna istid var det under en och en halv miljard år mest tropiskt klimat på jorden. Livet utvecklades, men var länge primitivt med övervägande encelliga arter. För ungefär 700 miljoner år sedan inträffade nästa kända stora istid. Under de geologiska tidsåldrarna silur, karbon och perm (400–250 miljoner år sedan) förekom sedan flera istider. De efterföljande trias, jura och krita (250–65 miljoner år sedan) var dock perioder med tropisk hetta och helt fria från polarisar. Då uppstod nya livsformer och arter som fröväxter, fåglar, jätteödlor och däggdjur.
För 65 miljoner år sedan slog en gigantisk komet, asteroid eller meteor ned på Yucatánhalvön i Mexiko. Himlakroppen var troligen omkring en mil i diameter och orsakade en enorm explosion och havet runt omkring började koka. Stora molnmassor och mängder av stoft spreds i atmosfären och förmörkade himlen. Jordens klimat blev då tillfälligt kallare. Enligt vissa teorier var detta orsaken till att dinosaurierna dog ut.

Långsam avkylning
För ungefär 55 miljoner år sedan började en långsam avkylning som i stort sett pågått fram till våra dagar. För 33 miljoner år sedan började glaciärer åter att bildas över Antarktis, glaciärer som sakta växte. För sju miljoner år sedan bildades glaciärer även över Grönland, och för två miljoner år sedan räknar vi med att den senaste istiden började. En istid som kallas pleistocen och som man kan säga pågår ännu idag.
Pleistocen har präglats av 10–20 större nedisningar, som vardera har varat i ungefär 100 000 år. Under nedisningarna nådde Arktis is långt söderut i Nord­amerika, Europa och Asien. Mellan nedisningarna har det varit korta perioder med varmare väder, så kallade interglacialer, då isen tillfälligt dragit sig tillbaka till polarområdena. Interglacia­lerna har varat i ungefär 10 000 år, sedan har isarna brett ut sig igen.
Just nu är det omkring 10 000 år sedan den senaste isen drog sig tillbaka, vilket lätt leder till slutsatsen att det är dags igen. Men så enkelt är det inte, och hur framtidens klimat blir vet ingen idag. Just nu är vi fokuserade på den ökande växthuseffekt och den uppvärmning som de flesta forskare tror är orsakad av oss själva. De klimatmodeller som man räknar med sträcker sig för det mesta 100 år framåt, en blinkning i jordens klimat­historia.

Vi lever just nu i en istid i den meningen att det finns glaciärer och inlandsis på olika platser på planeten, samtidigt som polerna är frysta. Med jämna mellanrum sker också nedisningar då istäcket breder ut sig ännu mer. Bild: Skylight

Senaste nedisningen
Den näst senaste interglacialen inträffade för 130 000–120 000 år sedan och var troligen något varmare än vår period. Då dominerades södra Sverige av stora ek- och hasselskogar. Sedan kom isen som växte till 3–4 kilometers tjocklek och som sträckte sig så långt söderut som till Skottland, Holland och norra Tyskland. Jordens medeltemperatur var då omkring åtta grader lägre än idag, tidvis kanske ännu lägre. Denna nedisning nådde sin största utbredning för omkring 18 000 år sedan.
För omkring 16 000 år sedan började isen smälta och dra sig tillbaka norrut under några tusen år. För mellan 12 800 och 11 500 år sedan kom ett bakslag i form av en liten köldperiod med växande ismassor. Perioden kallas ”yngre dryas” efter alpblomman Dryas octopelata som då bredde ut sig på den europeiska tundran. Temperaturfallet var stort, omkring sju grader på bara 50 år. Köldperioden yngre dryas slutade sedan lika abrupt som den började. Isborrkärnor från den grönländska glaciären visar på en lokalt kraftig temperaturhöjning på omkring tio grader på bara tre år. Detta inträffade för omkring 10 000 år sedan.

Värmeperioder och lilla istiden
Efter yngre dryas börjar vår egen interglacial som kallas för holocen. Klimatet blev snabbt varmare än vad det är idag. Den holoceniska maximitemperaturen ”stora klimatiska optimumet” inträffade omkring år 4 000 före Kristus med 2–3 grader högre medeltemperatur än idag. Havsnivån steg till år 2000 före Kristus till omkring tre meter över nuvarande nivå. Nästa värmeperiod, ”lilla klimatiska optimumet”, varade mellan år 800 och 1250, och sammanföll alltså med vikingarnas era vilka kunde segla till Island och Grönland i ett behagligt klimat. Grönland fick då sitt namn efter de grönskande kusterna, där man odlade havre, korn och råg.
Mellan 1350 och 1850 inföll den så kallade ”lilla istiden” Glaciärerna växte då i storlek på Grönland, i den skandinaviska fjällkedjan och i Alperna. Vintrarna blev längre och kallare, somrarna blev kortare och regnigare.
Under denna period frös ofta Europas floder och man hade ibland marknader på Themsens is. År 1658 tågade kung Karl X Gustav över Bältens is från Jylland till Själland, något som han knappast hade kunnat göra i våra dagar. 1816 var ett år utan sommar. Det blev köldknäppar och kraftiga snöfall i juni och frost i juli och augusti. Skördarna slog fel och det blev hungersnöd.

Precis som i ett växthus släpps mer värme in än som strålar ut från jorden, men istället för glas är det jordens atmosfär som fungerar som ”värmespegel”. (Atmosfärens tjocklek är starkt överdriven på bilden.)

Vår tid och framtiden
Efter lilla istiden har medeltemperaturen stigit över hela jorden. Under 1900-talet har den ökat med ungefär 0,6 grader Celsius. De flesta forskare sammankopplar denna temperaturökning med en ökad växthuseffekt som beror på människans utsläpp av koldioxid genom förbränning av kol, olja och bensin. Man tror också att denna temperaturökning kommer att fortsätta. Datorberäknade klimatförändringsscenarier indikerar en uppvärmning på 2–6 grader under de närmaste 100 åren. Om beräkningarna stämmer är det en mycket kraftig temperaturhöjning på kort tid, vilket kan få stora konsekvenser för växter, djur och människor. Men i det långa perspektivet innebär detta inget extremt klimat för jorden, snarare normalt.

Mätningar och historiska dokument
För att utforska klimatet långt tillbaka i tiden måste man använda sig av många olika listiga metoder. Direkta meteorologiska mätningar finns bara i bästa fall några hundra år tillbaka i tiden. Historiska dokument och anteckningar om översvämningar, torka, isläggning, blomning, skörd och missväxt finns sporadiskt för några tusen år tillbaka. Ur dessa dokument kan man dra vissa slutsatser om klimatet.
Dendrokronologi, det vill säga att räkna årsringar på träden och mäta deras­ tjocklek ger en god information om klimatet på platsen, men bara för trädets livstid som i bästa fall kanske kan vara uppemot tusen år. Men hur gör man för att utforska klimatet hundratusen år eller till och med hundratals miljoner år tillbaka i tiden?
För att bestämma klimatet under de senaste hundratusentals eller miljoner åren kan man gå till de stora glaciärerna över Antarktis och Grönland, som funnits under hela den senaste istiden. Ur borrkärnor från dessa isar kan man få mycket intressant information. Små luftbubblor i isen kan till exempel analyseras med avseende på atmosfärens sammansättning under den aktuella tiden.
Koldioxidhalten i bubblorna visar hur kraftig växthuseffekten var under perioden. Man kan alltså analysera en del av orsaken till klimatförändringarna. Den mest kända isborrkärnan är den så kallade­ vostokkärnan från Antarktis, som togs upp av franska och ryska forskare i slutet av 1970-talet. Denna borrkärna visar tydligt hur koldioxidhalten i atmo­sfären samvarierat med temperaturen.

Att vi människor kan påverka klimatet är tydligt om man ser på vad som hänt med Aralsjön. På 1930-talet vände man floderna som försåg sjön med vatten för att bevattna bland annat stora bomullsfält. Sedan 1960 har Aralsjöns storlek halverats, med tydliga konsekvenser för klimatet i området. Bland annat fungerade avdunstningen från sjön tidigare som en barriär för de starka vindar som blåser i området. Bild: SPL

Borrkärnor från havssediment
För att utforska klimatet hundratals miljoner år tillbaka i tiden får man gå till oceanernas bottnar. Borrkärnor från bottensediment innehåller geologiska lämningar som isräfflor och moräner som skvallrar om istider, medan vissa jordarter kan tyda på tropiska förhållanden. Lämningar från korallrev ger information om havsvattnets temperatur. Korallbildning kräver nämligen hög vatten­temperatur.
Fossila lämningar från växter och djur kan analyseras med avseende på den tunga syreisotopen oxygen 18. Atomkärnan i vanligt syre består av åtta protoner och åtta neutroner och har atomvikten 16. Men ungefär var tusende syreatom har två extra neutroner och atomvikten 18.
När havsvatten (H2O, som innehåller syre) avdunstar, tenderar isotopen oxygen 18 att bli kvar i vattnet. Under istider när stora mängder avdunstat vatten är bundet som is, blir koncentrationen av oxygen 18 större i vattnet och i de växter och djur som lever där. Under varmare perioder när all is har smält, blir koncentrationen av oxygen 18 lägre.

Det komplicerade klimatsystemet
Jordens klimatsystem är mycket komplicerat. Grunden för hela systemet är solens värmande strålar. Balansen mellan inkommande och utgående strålning regleras som tidigare nämnt med hjälp av de så kallade växthusgaserna. Högre halter av växthusgaser ger varmare klimat. Lägre halter ger kallare klimat. Klimatet och växtligheten i sin tur påverkar halterna av växthusgaser. Denna växelverkan där växter och djur påverkar mängden av växthusgaser, och mängden av växthusgaser påverkar växter och djur, är mycket svår att simulera med datorer. Därför finns det ingen ”sanning” när det gäller vad som egentligen kommer att hända med jordens klimat i framtiden. Forskarna har helt enkelt inga modeller som beskriver klimatförändringar på ett hundraprocentigt sätt.
Och det blir ännu mer komplicerat. Jordytan och haven värms olika mycket i olika delar av världen och under olika årstider. Detta skapar vindar och havsströmmar som strävar efter att utjämna temperaturskillnaderna. Vindarna tar upp fuktighet ur haven och det bildas moln och nederbördsområden. En ökad mängd låga moln hindrar en del av solstrålningen och ger svalare klimat. En ökad mängd höga tunna moln ger varmare klimat, eftersom dessa moln fungerar som växthusgaser och släpper igenom solstrålningen, men absorberar och strålar tillbaka en del av den värme som strålar ut från jorden.
Geografin med bergskedjor, landytor och hav påverkar och styr luftströmmarna. Denna geografi förändras i geologisk tidsskala och därmed klimatet.
I detta mycket komplexa samspel mellan­ solstrålning, luft och hav kan man aldrig säga att en viss klimatförändring har en viss bestämd orsak. Alla faktorer samverkar eller motverkar på ett sätt som aldrig är i perfekt balans och som aldrig kan förutsägas med säkerhet.

De flesta forskare anser att vår tids globala uppvärmning till stor del beror på ökad växthuseffekt på grund av förbränning av kol, olja och bensin. Bild: Skylight

Solstrålningen
Det finns en hel del andra faktorer som också påverkar klimatet. En yttre orsak är hur starkt solen skiner. Solstrålningen varierar nämligen på olika sätt som är betydligt mycket lättare att förutsäga än klimatsystemet som helhet. Mängden solfläckar varierar till exempel i en tidscykel på elva år. Ju fler solfläckar, desto kraftigare solstrålning. Solens magnetfält varierar i en tidscykel på 22 år och påverkar i viss mån jordens klimat.
Jordens bana kring solen påverkar också hur mycket solstrålning som når oss. Dessa astronomiska förändringar sker i tidscykler som är ganska exakta och som kan beräknas miljontals år framåt och bakåt i tiden. De kallas Milankoviccykler efter en serbisk astronom och matematiker som studerade dem under 1930-talet och teoretiskt visade att de borde kunna orsaka ganska avsevärda klimatförändringar.

Milankoviccyklerna
Jordens bana ändrar hela tiden sin form mellan cirkulär och elliptisk med en tidscykel på ungefär 100 000 år. För när­varande är jordens bana nära cirkulär.
Jordaxelns riktning pendlar i en tids­cykel på omkring 20 000 år. Det vill säga att norra halvklotet som idag lutar som mest mot solen i juni månad, kommer om 10 000 år att luta som mest från solen under samma månad. Årstiderna byter då plats. Det blir vinter på norra halvklotet i juni och juli och sommar i december och januari. Om 20 000 år är ordningen återställd igen och årstiderna inträffar vid sina ”rätta” tidpunkter.
Jordaxelns lutning varierar mellan 22 och 24,5 grader i en tidscykel på 41 000 år. Ju mer jordaxeln lutar desto varmare somrar och kallare vintrar. Ju mindre jordaxeln lutar desto mindre skillnad mellan sommar och vinter. För närvarande­ är lutningen 23,5 grader.
Milankovic påpekade att sommartemperaturen på norra halvklotet kan bli förhållandevis låg när jordaxelns lutning är liten och om samtidigt jordens bana är mycket elliptisk och sommaren inträffar när jorden står som längst från solen. Somrarna skulle då kunna bli så svala att vinterns snö- och istäcken inte hinner smälta. Flera sådana somrar i rad skulle kunna bli inledningen på en nedisning.
Den senaste istiden har också haft nedisningar på omkring 100 000 år som sammanfaller med den längsta av Milankoviccyklerna, det vill säga den som gäller jordbanans form.

Vulkanutbrott
Vulkanutbrott kan påverka klimatet på kort sikt, det vill säga under några år efter utbrottet. Vid ett vulkanutbrott sprutar enorma mängder av aska, stoft och gaser ut i atmosfären och kan nå höjder på uppemot 15–25 kilometer. Stoftmolnen kan spridas över hela jorden och minska solinstrålningen flera år framåt.
Den ovanligt kalla sommaren 1816 var delvis en följd av vulkanen Tamboras utbrott i Indonesien våren 1815. Vulkanen Krakatoa i sundet mellan Sumatra och Java hade ett utbrott år 1883 som gav kallare väder över hela jorden några år efteråt. År 1991 hade vulkanen Pinatubo på Filippinerna ett utbrott som sänkte jordens medeltemperatur med omkring en halv grad under de påföljande tre åren.
Under nedisningar sjunker havs­vattennivån eftersom en stor del av vattnet är bundet i glaciärer. För 18 000 år sedan när den senaste nedisningen nådde sin kulmen var havsytan drygt 120 meter lägre än idag. I vår tid, när ungefär tio procent av jordens yta består av glaciärer på främst Grönland och Antarktis, beräknas isvolymen till omkring 25 miljoner kubikkilometer. Om all denna is skulle smälta, skulle havsytan stiga med över 60 meter.
Glaciärer reagerar relativt långsamt på temperaturhöjningar. Under de senaste tuentals åren har havsytan bara stigit med i medeltal 1–2 centimeter per sekel. Den globala uppvärmningen under 1900-talet har medfört att havets yta stigit med 10–20 centimeter det senaste seklet. Omkring fem centimeter av denna nivåhöjning beror på att havsvatt­nets volym ökat när temperaturen ökat – vatten har ju sin högsta densitet kring fyra grader och utvidgas därefter ju varmare det blir. Sedan 1950-talet har nämligen havsvattnets medeltemperatur ned till 300 meters djup ökat med några tiondels grader. Datorberäknade klimatförändringsscenarier ger i medeltal en höjning av havsytan på fyra decimeter fram till år 2100. För Sveriges del innebär det att havsytans nivå då kommer i kapp med landhöjningen.
I klimatförändringsscenarier räknar man med både volymökning och tillskott av smältvatten när man beräknar havsnivåförändringar. Om havsytan till exempel på några hundra års sikt skulle stiga med 1,5 meter, så beror en meter av denna höjning på vattnets volymökning på grund av uppvärmning. Bara en halvmeter beror på tillskott av glaciärernas smältvatten.

Man tror att växlingarna mellan nedisningar och interglacialer primärt har orsakats av sol­instrålningens regelbundna variation (Milankoviccyklerna). Vostokkärnan från Antarktis visar att lufttemperaturen också har samvarierat med koldioxidhalten i atmosfären på ett markant sätt.

Människan – en överlevare
Människorasen har utvecklats under den senaste istiden Pleistocen med långa nedisningar och korta värmeperioder. Klimatet har varierat kraftigt. Både växter och djur har utsatts för stora påfrestningar och många arter har dött ut under den här tiden. Men klimatförändringarna har också påverkat evolutionen och sållat fram arter med anpassningsförmåga. Det är troligen ingen tillfällighet att människosläktets snabba utveckling har skett under just denna svåra tid. Klimatförändringarna har format människan till en överlevare.