Schimbarile climatice si efectul lor asupra gazelor de sera
O scurta trecere in revista a cauzelor perioadelor glaciare si interglaciare din ultimii 800.000 de ani plus o comparatie intre concentratia dioxidului de carbon si a metanului in atmosfera de astazi si din trecutul geologic.
Categorie: Alte domenii
Autor: Lică Ersek
Introducere
Civilizatia umană a fost si va fi in mod sigur marcată de evoluţia climei, iar studiul schimbărilor climatice reprezinta un pas fundamental pentru inţelegerea istoriei şi viitorului rasei umane. În decursul celor catorva sute de ani in care oamenii au studiat sistemul climatic al planetei noastre, schimbarile au fost relativ reduse, insa studiile stiintifice ne arata, de exemplu, că in trecutul geologic deşertul Sahara a fost acoperit de gheaţă, iar recifii de corali creşteau in Transilvania. La apogeul ultimei glaciaţiuni, acum ~21.000 de ani, calote de gheaţă acopereau Canada, nordul Statelor Unite, nordul Europei si părţi din Asia (Figura 1). In centrul acestor calote grosimea gheţii era de 1 km sau chiar mai mult, iar nivelul mării era cu ~120 m mai scăzut decât in prezent, unind insulele dintre Asia si Australia si conectând Marea Britanie de continentul European.

Figura 1. Comparaţie intre aria ocupată de calotele glaciare in emisfera nordică in prezent (stânga) si acum 21000 de ani (dreapta). Imagine preluata de la NASA
Teoria lui Milankovič si cauzele erelor glaciare
Care sunt cauzele acestor schimbări climatice si cum putem afla mai multe despre cum a evoluat clima in trecut?
Cu aproape 90 de ani in urmă sârbul Milutin Milankovič a publicat o monografie intitulata “Teoria matematica a fenomenelor termice cauzate de radiaţia solară”, care avea sa revolutioneze studiul schimbarilor climatice la scara geologica. Conform acestei teorii, pământul trece prin perioade glaciare si interglaciare la intervale care pot fi calculate tinând cont de schimbarile periodice in configuratia orbitală a Pământului. Mai exact, schimbarile in excentricitatea orbitei in jurul soarelui (Figura 2), inclinaţiei planului de rotatie (Figura 3) si schimbarea anotimpului in care Pământul se afla cel mai aproape de soare (Figura 3) modifică distribuţia radiatiei solare la diferite latitudini. Prin urmare, atunci când energia solara din timpul verii la latitudini mari din emisfera nordica este ridicata, Pământul absoarbe mai multa energie de la soare facând clima mai calda si prevenind formarea unor calote glaciare extinse. Din contră, cand energia primită de la soare este scazuta, clima va fi mai rece, ghetarii vor putea supravietui de la un an la altul, iar calotele glaciare vor incepe sa 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 spatiu să se dezvolte.

Figura 2. Datorită atractiei gravitationale excercitată asupra pămantului de catre celelalte planete din sistemul solar, forma orbitei in jurul soarelui variaza de-a lungul timpului de la eliptica pana la aproape circulară, afectând distributia sezonieră a radiatiei solare in cele două emisfere. Aceste schimbari sunt concentrate in cicluri care au o durata medie de 100.000 si 413.000 de ani. Excentricitatea afectează clima pământului pentru ca atunci când orbita este mai circulară cantitatea de energie primită de la soare va fi mai mare decat in cazul unei orbite mai eliptice, iar clima va fi mai caldă.

Figura 3. Oblicitatea, sau inclinatia planului axial (stanga) variaza intre 22.1o si 24.5o (in prezent se afla la 23.5o) cu o periodicitate de ~40.000 de ani si are efectul cel mai pronuntat in distributia energiei la latitudini mari. O inclinare mai accentuată a orbitei va produce contraste sezoniere mai pronuntate (veri mai calde si ierni mai reci) in timp ce un unghi mic al orbitei va determina veri mai racoroase si ierni mai blande. Precesia echinoctiilor si solstitiilor in jurul orbitei (dreapta) afectează perioada din an in care Pământul se afla cel mai departe (afelion) si mai aproape (perihelion) de soare si se schimba cu o periodicitate de 19,000 si 23,000 de ani. Atunci can afelionul se produce in timpul verii, calotele glaciare vor putea sa se formeze datorită temperaturilor mai scazute, iar cand afelionul are loc in timpul iernii (cum este cazul in prezent) verile vor fi mai calde iar calotele glaciare nu vor putea creste.
Deşi acceptată de marea majoritate a comunităţii ştiiţifice, 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 si dispariţia perioadelor glaciare. Despre acestea, însă, poate într-un articol viitor.
Schimbările climatice si gazele de seră
Pe lângă configuraţia orbitală, doi factori adiţionali pot afecta in mod fundamental balanţa energetică a pământului: (1) modificarea fractiei 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 inapoi spre Pământ de către atmosferă (de exemplu prin schimbarea concentratiei gazelor de seră). Societatea umana are capacitatea de a influenta acesti factori, de exemplu, prin inlocuirea pădurilor cu culturi agricole sau prin arderea combustibililor fosili.
În prezent, principalul motiv de ingrijorare vis-à-vis de schimbarile climatice este concentratia ridicată a CO2-ului si a altor gaze de seră. Acestea au atins nivele fară precedent, cel putin in ultimii 800.000 de ani (Fig. 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) si date din carotele de gheată Votstok si EPICA din Antarctica (anomalia de temperatură (roşu), concentraţia de metan (violet) si concentraţia dioxidului de carbon (verde)). Date preluate de la NOAA.
Pe masură ce zapada s-a acumulat in Antarctica, stratele de zapadă de la adancime au fost comprimate si s-au transformat treptat in cristale de gheaţă, iar în acest proces mici bule de aer au fost incorporate in gheaţă. Oamenii de stiinţă pot sa extragă carote lungi de caţiva kilometri si să masoare concentratia diferitelor gaze pastrate în gheaţă de-a lungul timpului. Conform acestor date, in ultimii 800.000 de ani concentraţia CO2-ului a variat intre 180 de părţi pe million (ppm) în timpul erelor glaciare si ~300 ppm în timpul perioadelor calde (interglaciare).
Deasemeni, datele confirmă că la inceputul incalzirii de la sfârsitul 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 dureaza ~5000 de ani, 5/6 parti din încalzirea totală poate fi explicată de creşterea CO2-ului. Scepticii încălzirii globale folosesc însă doar prima parte a observatiei precedente pentru a argumenta că dioxidul de carbon antropogenic nu va induce schimbari climatice în viitor si aleg sa ignore partea a doua a observatiei de mai sus.
În ultimii 100 de ani CO2-ul a crescut cu mult peste 300 ppm si se afla in prezent la ~385 ppm. Pentru comparaţie, cresterea de 80 ppm a CO2-ului în timpul tranzitiei de la ultima perioadă glaciară a luat 5000 de ani. In mod similar, concentratia metanului (CH4) in atmosferă a oscilat intre ~350 parti pe miliard (ppb) si 750 ppb in ultimii 600.000 de ani; in prezent insă concentratia acestui gaz in atmosfera este de ~1750 de ppb!
Lică Ersek, autorul acestui articol, este doctorand în geologie şi oceanografie la Oregon State University, SUA, unde studiază interacţiunile dintre continente, oceane şi atmosferă în trecutul geologic. Puteţi citi mai multe despre el aici.






Comentarii
Adauga un comentariuAdauga un comentariu
MISTO ,SUPER
Titul rubricii unde postez ceea ce scriu poarta numele,,comentarii,,
Cititorul articolelor poate posta pareri personale ,lucruri auzite sau citite,studii publicate sau nepublicate in general tot ceea ce constituie materia prima folosita ca sa exprimi o parere.
Problemele de frontiera in fizica cer pentru rezolvarea lor o atitudine deschisa fata de ipotezele noi,o gandire nonconforma si productiva in directii care nu au fost presupuse.
Mult succes pentru cei care vor sa faca lucruri noi in domeniile de frontiera.
Daca nu sunteti de acord cu exprimarea ,,parerilor,,celor care citesc articolele de fata,binevoiti si schimbati titlul rubricii.Multumesc!
Mda, trebuie sa marturisesc ca e prima data cand am auzit de teoria invocata de A.Enache, deci niste surse credibile n-ar strica.
A.Enache, ce surse stiintifice ai cand spui "Exista o dependenta intre metrica spatiului si rata de fuziune intr-o stea situata in acel loc."? Din cate stiu eu, rata de fuziune depinde doar de constanta fortei nucleare tari, care nu depinde de gravitatie, gravitatia fiind o forta asa de slaba caci nici nu este inclusa in modelul standard al particulelor elementare si a interactiilor lor. Macar un link, daca nu jurnale stiintifice. Ai mai dat astfel de comentarii si imi lasi impresia ca vorbesti de "teorii alternative" si nu de fizica "oficiala". Te rog sa confirmi, altfel o sa credem ca vrei sa induci oamenii in eroare si nu le prezinti fizica oficiala. Mersi mult, Adi.
Galaxia in care existam are in centru o gaura neagra.In decursul unui an galactic ,cca 270mil. ani sistemul solar trece prin multiple zone ale spatiului in care metrica este diferita.Aspectul spatiului din galaxie comporta o succesiune de zone de metrica perturbata dispuse dupa spirale logaritmice.Maximul acestor zone de metrica,,tare,, este dat de bratele galaxiei.Driverul central ,gaura neagra,produce aceste torsiuni spiralate.Exista o dependenta intre metrica spatiului si rata de fuziune intr-o stea situata in acel loc.Astfel ,steaua poate genera mai multa energie decat calculam.Lucru care se intampla acum in zona noastra de univers.Incalzirea globala pe seama CO2 joaca un rol secund.
De urmarit si energia chimica dezvoltata de combustibili de la o zi la alta.tractiunea masinilor.
Lica, bine ai venit intre autorii Stiinta.info si felicitari pentru un articol bine scris! Imi place foarte mult articolul tau. Subiectul incalzirii globale devine tot mai arzator. Dilema stiintifica "este sau nu incalzirea globala produsa de emisiile de dioxid de carbon in atmosfera de catre activitatile umane" este tot mai importanta. Eu tind sa cred 70% in teoria ca omul prin emisiile de dioxid de carbon produce incalzirea globala. Desigur, astept si cercetarile ulterioare sa confirme sau sa infirme. Este foarte interesant cum arati tu legatura intre cantitatea de dioxid de carbon din atmosfera si temperatura Pamantului, pe sute de milioane de ani in urma.
Un articol bine scris, si incurajez cititorii sa puna intrebari cu nelamuriri. Lica este doctorand in domeniu, si ne poate raspunde profesionist.