Klima og klimasystemet

Hva er klima ?

Klima er det typisk værmønster på et sted, sett over et 30-års intervall. Det måles ved å evaluere mønstre av variasjon i temperatur, luftfuktighet, lufttrykk, vind, nedbør, partikkelmengden i atmosfæren og lignende meteorologiske variabler over lang tid (FNs klimapanel).

Klimasystemet

Klimaet i en region genereres av klimasystemet, som består av fem komponenter:

1. atmosfære (luft)
2. hydrosfære (havet)
3. kryosfære (is og snø)
4. litosfære (land)
5. biosfære (planter og dyr)

For å forstå dette komplekse klimasystemet må vi forstå hvordan samspillet mellom disse fem komponentene foregår. Klimasystemet endrer seg over tid på grunn av systemets egen indre dynamikk i kombinasjon med eksterne pådriv. Disse pådrivene kan være naturskapte, som vulkanutbrudd og variasjoner i solinnstråling, men de kan også være menneskeskapte (Wikipedia, 2022).

Atmosfæren

Atmosfæren består av gasser, vanligvis omtalt som luft, som omgir jordkloden og som holdes på plass av jordens tyngdekraft. Luften består av nitrogen, oksygen og argon, hvorav nitrogen utgjør 78% av all luften. Trykk og tetthet i atmosfæren avtar med høyden.  For noen av gassene er konsentrasjonen konstant i tid, mens andre viser varierende konsentrasjon. Atmosfæren inneholder også vann og vanndamp (omlag 2,5 cm), og vi vet at konsentrasjonen varierer sterkt i både tid og rom.

Atmosfærens oppgave er å gi oss oksygen og beskytte livet på jorden ved å absorbere ultrafiolett solstråling, varme overflaten gjennom varmelagring kjent som drivhuseffekt, og å redusere temperaturforskjellen mellom dag og natt (døgntemperaturvariasjon).

Hydrosfæren (Havet)

Hydrosfæren er betegnelsen på alt vann på jorda, i fast, flytende og gassform. Havet inneholder 97,2% av alt vann på jorden, mens isbreer oppbevarer 2,15% og ferskvann 0,65%.

Havet absorberer mye av den solstrålingen som når ned til jordoverflaten. Vann har liten refleksjonsevne og stor varmekapasitet og derfor representerer havet et enormt energilager som vil dempe alle temperaturvariasjoner. Årstidsvariasjonen i temperaturen i havet går ned til ca. 70 meter. Det betyr at havets varme-kapasitet er mye større enn atmosfærens totale varmekapasitet (ca. 30 ganger). Havstrømmene transporterer store varmemengder fra områder omkring ekvator mot polene, og de er med på å opprettholde varmebalansen (Henriksen og Kanestrøm, 2001).

Det øverste vannlaget vekselvirker med luften og sjøisen, og har en utjevningstid med hensyn til temperatur på noen måneder (opptil ett år). For de dypere lag, derimot, er utjevningstiden i størrelsesorden 100 år (Henriksen og Kanestrøm, 2001).

Kryosfæren

Is- og snømassene på jorda kaller vi for kryosfæren. Dette området inkluderer også tele, termafrost og islagt vann Mengden av snø og havis varierer betydelig med årstiden. Isbreene, derimot, varierer bare over lengre tidsrom. Snø og is reflekterer solstrålingen betydelig mer enn bar bakke (tenk på påskefjellet). Kryosfæren er derfor viktig for jordas energibalanse (Henriksen og Kanestrøm, 2001),

Litosfæren (landmassene)

Foruten fast land omfatter landoverflaten også innsjøer, elver og grunnvannet. Disse er en varierende del av systemet, mens landmassenes form og posisjon varierer lite over de tids-rommene vi her er interessert i. Jordoverflatens beskaffenhet er viktig, da en vesentlig del av de luftbårne partiklene som kan påvirke klimaet, kommer fra overflaten (Henriksen og Kanestrøm, 2001).

Biomassen

Biomassen omfatter plantene på land og i sjø og alt dyreliv. Biosfæren er et lag som omgir hele kloden og som ikke er stort mer enn nitten kilometer tykt. Faktisk fins det meste av livets mangfoldighet innen et lag på bare tre kilometer. Biomassen er i varierende grad følsom overfor klimaforandringer og kan selv påvirke klimaet.

Biomassen er viktig for innholdet av blant annet karbondioksid og partikler i atmosfæren. Videre kan variasjoner i biomassen påvirke refleksjonsevnen til jorda og fordampningen som er en del av energitransporten (Henriksen og Kanestrøm, 2001).

Atmosfæren

Ettersom atmosfæren er den viktigste delen av klimasystemet vil vi ta for oss denne delen av klimasystemet i mer detalj.

Jordas atmosfære er et “hav ” av luft rundt jordkloden. Atmosfæren inneholder like mye masse som et 10 meter dypt vannlag. Ca. 80% av lufta fins i de nederste 12~15 km av atmosfæren, der nesten all utvikling av vær foregår. Nesten all resterende luft finnes i stratosfæren som går opp til ca.50 km.

Høydeområder

De forskjellige høydeområdene i atmosfæren har navn som vist i figuren over. Nederst (opp til 10 – 13 km) har vi troposfæren eller det vi kaller værsonen. Deretter kommer stratosfæren, mesosfæren og termosfæren. Inndelingen er i hovedsak basert på temperaturvariasjonen med høyden. Områder med minimums- og maksimumstemperatur kaller vi pauser. Temperaturen i troposfæren avtar med ca. 6,5 grader pr. km. Årsaken er at jordoverflaten varmes opp av solenergien, og varmen overføres til atmosfæren ved konveksjon og termisk stråling (varmestråling). Temperaturen i stratosfæren (mellom ca. 15 og 50 km) øker med høyden. Dette skyldes i hovedsak at luften varmes opp på grunn av at ozon absorberer UV-stråling fra sola (Henriksen og Kanestrøm, 2001). 

I mesosfæren synker temperaturen med høyden, og mesopausen, som befinner seg i en høyde på ca. 90 km, er det kaldeste området i atmosfæren. Temperaturen kan gå ned i 125 kuldegrader. Over mesopausen ligger termosfæren, og da øker temperaturen igjen. Ved 150 km er den kommet opp i ca. 1200 grader, noe som skyldes absorpsjon av solstråling av oksygen- og nitrogenmolekyler (Henriksen og Kanestrøm, 2001).

Den delen av atmosfæren som ligger mellom ca. 15 og 90 km kalles den midlere atmosfæren. De fysiske prosessene som skjer her, er meget kompliserte, og de er vanskelig tilgjengelige for detaljerte observasjoner (Henriksen og Kanestrøm, 2001).

I den øvre delen av atmosfæren er lufttettheten meget liten. Derfor blir temperaturbegrepet mer komplisert enn i troposfæren, men det skal vi la ligge her (Henriksen og Kanestrøm, 2001).

Gasser

Atmosfæren inneholder en rekke gasser hvorav nitrogen og oksygen utgjør ca. 99 prosent. Disse gassene er likevel av mindre interesse for drivhuseffekten og bidrar ikke til denne. Årsaken er at de bare i ubetydelig grad absorberer stråling (fra sola og jorda) (Henriksen og Kanestrøm, 2001).

Det er en varierende mengde vannmolekyler i atmosfæren, enten i damp-, vann- eller isfase. Når vi angir sammensetningen av atmosfæren, pleier vi gjerne å se på en tørr atmosfære, som gitt i tabell 3.1. Konsentrasjonen er angitt som ppm, som betyr antall molekyler pr. million molekyler i et avgrenset volum (på engelsk parts per million). Er konsentrasjonen ytterst liten, benyttes ofte ppb, som står for antall molekyler pr. milliard (på engelsk parts per billion) (Henriksen og Kanestrøm, 2001).

I den lavere delen av atmosfæren finner vi en rekke dynamiske prosesser. Her kan vi derfor finne store lokale variasjoner i sammensetningen. De verdiene vi bruker, er derfor middelverdier og refererer til en standard atmosfære (Henriksen og Kanestrøm, 2001).

En god del av atomene og molekylene i den øvre atmosfæren er ionisert, det vil si at et elektron er støtt ut, og at molekylet er positivt ladet. Selv om ionisasjonsgraden er liten, bare ca. 10-7 ved 100 km, er området (70–400 km), den såkalte ionosfæren, av stor betydning for vårt daglige liv (radiobølger blir reflektert fra disse lagene) (Henriksen og Kanestrøm, 2001).

Hva påvirker klimaet?

Ettersom solens posisjon på himmelen er avgjørende for hvor mye varme som tilføres jordoverflaten og atmosfæren er breddegraden den viktigste faktoren for et steds klima. Svært skjematisk kan vi dele inn jorden i soner. Skillet mellom sonene er vendesirklene og polarsirklene. Slik får vi én sone med tropisk klima («uten vinter»), en nordlig og en sørlig sone med temperert klima og endelig en nordlig og en sørlig sone med polart klima («uten sommer»). I praksis er dette mer komplisert, blant annet på grunn av jordens varierende overflate (Wikipedia, 2022).

Faktorene som styrer klimaet et gitt sted, er i stor grad de samme som styrer det daglige været. I hovedsak er dette stedets breddegrad, høyden over havet, geografisk plassering i forhold til hav og land, fjellkjeder, havstrømmer og rådende vinder (Ahrens, 2013). Mange av disse faktorene er nærmest konstante og endres bare ved grunnleggende geologiske prosesser som går over perioder på millioner av år (platetektonikk). Andre påvirkningsfaktorer er noe mindre stabile (Wikipedia, 2022).

Kilder:

• FNs klimapanels femte hovedrapport (AR 5), synteserapportens annex II Arkivert 10. oktober 2017 hos Wayback Machine. (Glossary), Geneve 2014, side 121.
• C. Donald Ahrens: Meteorology Today. An introduction to weather, climate, and the environment, Brooks/Cole 2013, ISBN 9780840058157, kapittel 17 (side 489–516).
• Wikipedia. Hentet 08.06.22: https://no.wikipedia.org/wiki/Klima
• Thormod Henriksen og Ingolf Kanestrøm, Klima, Drivhus og Energi, 2001. Hentet 05.06.22: https://www.mn.uio.no/fysikk/forskning/grupper/biofysikk/Klima-2012-01-versjon.pdf