Jääkaudet maapallon vaappumisen tahdissa
Jäätiköiden määrä maapallolla riippuu pohjoisten alueitten saaman auringon säteilyenergian vaihtelusta. Jäätiköt laajenevat silloin, kun pohjoisen pallonpuoliskon korkeat leveysasteet (65. leveyspiirin pohjoispuolella) saavat kesällä vähän säteilyä. Näin käy erityisesti silloin, kun maapallon akselin kallistuskulma on pieni, maan kiertorata soikea ja maapallo on kauimpana auringosta pohjoisen pallonpuoliskon kesän aikana.
Maan kiertorata ja pyörimisakseli vaihtelevat
Maan kiertorata ja pyörimisakseli muuttuvat kymmenien tuhansien vuosien kuluessa, mm. muitten taivaankappaleitten vetovoiman takia. Näissä ns. maan rataparametreissa esiintyy kolmentyyppisiä vaihteluita:
- Noin sadantuhannen vuoden jaksollisuus maapallon kiertoradan muodossa: kiertorata on väliin soikeampi, väliin lähes pyöreä.
- 41 000 vuoden jakso maapallon pyörimisakselin kallistuskulmassa. Kun pyörimisakseli on voimakkaasti kallellaan, saavat napa-alueet nauttia kesällä runsaasta auringon säteilystä (kuva 1).
- Vuodenaikojen kulkeutuminen uusiin kohtiin pitkin maapallon soikeaa kiertorataa, jakson pituus 19 000 - 23 000 vuotta. Tällä hetkellä maapallo on lähimpänä aurinkoa pohjoisen pallonpuoliskon keskitalven aikaan, runsaat 10 000 vuotta sitten keskikesällä (kuva 2).
Kuva 1. Maan pyörimisakselin kallistuskulman vaihtelu noin 41 000 vuoden jaksolla. Pienimmillään kulma on vajaat 22 astetta ja suurimmillaan runsaat 24 astetta. Tämänhetkinen arvo on noin 23.5°.
© Ilmatieteen laitos
Kuva 2. Maapallon kiertoradan aurinkoa lähinnä olevan pisteen sijainnin vaihtelu vuodenajan mukaan 19 000 - 23 000 vuoden jaksolla. Aurinko sijaitsee kuvassa apuviivojen leikkauspisteessä.
© Ilmatieteen laitos
Rataparametrit säätelevät auringon säteilyn jakaumaa
Maan kiertoradan ja pyörimisakselin vaihtelut eivät juurikaan muuta maapallon kokonaisuudessaan saamaa vuotuista säteilymäärää, mutta ne vaikuttavat merkittävästi säteilyn jakautumiseen eri vuodenajoille ja leveyspiireille.
Taivaanmekaniikan lakien perusteella on mahdollista laskea rataparametrien vaihteluita ajassa eteen- ja taaksepäin. Näin saadaan selville, miten auringonsäteilyn määrä on aikojen kuluessa vaihdellut eri leveysasteilla eri vuodenaikoina (kuva 3, punainen käyrä). Tätä ns. astronomista ilmastonvaihteluteoriaa kehitti 1930-1940-luvuilla jugoslavialainen matemaatikko Milutin Milankovich.
Kuva 3. Sininen viiva: Maapallon jäätiköiden tilavuuden muutokset viimeksi kuluneitten 200 000 vuoden aikana. Punainen viiva: pohjoisilla leveysasteilla kesäaikaan saadun auringonsäteilyn määrän vaihtelu. Huomattakoon, että jäätikön määrän asteikko on käännetty, eli sininen käyrä on sitä korkeammalla mitä vähemmän jäätä (eli lämpimämpi ilmasto) maapallolla on ollut. (Perustuu NOAA:n aineistoon).
© Ilmatieteen laitos
Jääkaudet seuraavat rataparametrien vaihtelua
Jäätiköiden määrä maapallolla riippuu pohjoisten alueitten saaman auringon säteilyenergian vaihtelusta. Kuvan 3 perusteella jäätiköt laajenevat silloin, kun pohjoisen pallonpuoliskon korkeat leveysasteet (65. leveyspiirin pohjoispuolella) saavat kesällä vähän säteilyä. Näin käy erityisesti silloin, kun maapallon akselin kallistuskulma on pieni, maan kiertorata soikea ja maapallo on kauimpana auringosta pohjoisen pallonpuoliskon kesän aikana.
Näissä olosuhteissa pohjoisen kesä jää viileäksi, eikä talven lumi ehdi täysin sulaa kesän aikana. Vastaavasti jäätiköiden sulamisvaiheessa maapallon pohjoisille alueille tulee kesällä auringon säteilyä runsaasti.
Säteilyn heijastuminen jääpinnoilta voimistaa vaihtelua
Saapuvan auringonsäteilyn vaihtelut eivät yksin riitä aiheuttamaan havaitunkaltaisia ilmaston mullistuksia. Ne toimivat kuitenkin muutosten alkusyynä, ja näitä muutoksia erilaiset ilmastojärjestelmän palauteilmiöt vahvistavat. Yksi tärkeä palauteilmiö liittyy auringon säteilyn heijastumiseen jäätiköistä. Ilmaston jäähtyessä jään ja lumen peittämä "valkoinen" pinta maapallolla laajenee. Tällöin yhä suurempi osa auringonsäteilystä heijastuu pois ja pienempi osa säteilystä jää maapalloa lämmittämään. Ilmiö siis edesauttaa ilmaston jäähtymistä edelleen.
Auringon säteilyn heijastumiseen liittyvä palaute toimii erityisen tehokkaasti kaikkein kylmimpinä aikoina, jolloin jäätiköt ovat laajoja. Tällöin isoja jään peittämiä alueita on myös siellä, minne auringon säteilyä saadaan runsaasti muulloinkin kuin vain kesällä.
Jääkausien aikana kasvihuonekaasuja on ollut niukasti
Jääkausien aikaan kasvihuonekaasuja on ollut ilmakehässä vähän, leutoina välikausina enemmän (kuva 4). Kylmimpien jääkausivaiheitten aikaan hiilidioksidia on ollut ilmassa vähimmillään noin 180 ppm (miljoonasosaa), jääkausien väliaikoina enimmillään 280 ppm. Myös metaanin pitoisuus on ollut interglasiaaliaikoina korkeampi kuin jääkausina.
Kuva 4. Etelämantereen jäätikkökairauksista saatuja kasvihuonekaasujen pitoisuuksien aikasarjoja nykyhetkestä 650 000 vuotta taaksepäin. Vihreä: typpioksiduuli; punainen: hiilidioksidi; sininen: metaani. Alareunan musta ja harmaa käyrä ilmaisevat vedyn ja hapen isotooppien vaihteluita. Nämä kertovat lämpötilan vaihteluista: mitä korkeammalla käyrä on, sitä lämpimämpi ilmasto. Leudot jääkausien välivaiheet (nykyisin sekä 125 000, 240 000, 330 000 ja 410 000 vuotta sitten) on merkitty kuvaan harmaalla juovalla.[1]
© IPCC
Hiilidioksidin ja muiden kasvihuonekaasujen pitoisuuksien vaihtelut eivät kuitenkaan ole jääkausien perimmäinen syy, vaan vuorovaikutus lämpötilojen ja kasvihuonekaasujen pitoisuuksien välillä on ollut kaksisuuntainen. Todennäköiseltä näyttää, että jääkausiaikojen kylmät meret ovat kyenneet sitomaan ilmakehästä hiilidioksidia nykyistä tehokkaammin. Kasvihuonekaasujen pitoisuuksien alhaisuus on voimistanut ilmaston muutosta kylmemmäksi. Kehityskulun käydessä kohti lämpimämpiä aikoja hiilidioksidin ja metaanin määrä vastaavasti on kasvanut, mikä on taasen voimistanut lämpenemistä.
Jäätiköt ovat kasvaneet hitaasti ja sulaneet nopeasti
Kehitys jäätiköiden laajimmasta vaiheesta kohti interglasiaalia on usein käynyt melko nopeasti, alle 5000 vuodessa. Jäätiköitten kasvuvaihe kestää kauemmin. Jäätikköhän ei voi millään paksuuntua enempää kuin vuotuisen sademäärän verran, mutta sulamisvaiheessa tällaista rajoitinta ei ole.
Kuvan 3 perusteella viime jääkauden kiivaimman sulamisvaiheen aikaan noin 10 000 vuotta sitten pohjoiset alueet saivat kesällä varsin runsaasti säteilyä. Tuolloin maa oli lähinnä aurinkoa kesällä ja maan pyörimisakselin kallistuskulma oli suuri.
Lähivuosisatoina ihmiskunnan kasvihuonekaasupäästöt määräävät ilmaston muutoksen
Yksittäisen ihmisen elinaikaan suhteutettuna tähtitieteellisen ilmastoteorian ennustamat lämpötilan muutokset ovat varsin hitaita - muutamia sadasosa-asteita vuosisadassa. Toisaalta ihmiskunnan kasvihuonekaasupäästöjen ennustetaan lämmittävän maapalloa lähimmän sadan vuoden aikana useita asteita. Tarkasteltaessa ilmastonmuutoksen etenemistä lastemme ja lastenlastemme elinaikana ei maan pyörimisakselin ja kiertoradan hitaita muutoksia siten tarvitse ottaa lukuun. [2]