Nie od dziś docierają do nas za pośrednictwem mediów prognozy zmian klimatycznych, jakie w najbliższym czasie nastąpić mają na Ziemi. Najczęściej, w kontekście procesów zanieczyszczających powietrze, mowa jest o globalnym ociepleniu, powodowanym przez efekt cieplarniany. Od czasu do czasu, zwłaszcza gdy mroźna i śnieżna zima przeciąga się na marzec albo nawet kwiecień, lub też trafi się wyjątkowo chłodne i deszczowe lato, pojawiają się głosy, że to jednak nie ocieplenie nadchodzi, a kolejna epoka lodowcowa.

Tak naprawdę jednak obracamy się cały czas w sferze mniej lub bardziej realistycznych hipotez i prognoz. W cyklu poświęconym zmianom klimatycznym spróbujemy przyjrzeć się bliżej niektórym z nich.

Według Wikipedii klimat (z gr. klíma = 'skłon, zbocze góry’) to charakterystyczny przebieg zjawisk pogodowych na danym obszarze w okresie wieloletnim. Mówiąc o klimacie w skali globalnej, mamy na myśli przebieg zjawisk pogodowych na obszarze całej naszej planety.

Klimat Ziemi nie jest czymś niezmiennym, danym raz na zawsze, ale na przestrzeni tysiącleci ulega zmianom pod wpływem różnorodnych, często nie do końca poznanych czynników. Wprawdzie systematyczne obserwacje podstawowych parametrów klimatu, takich jak np. temperatura powietrza, rozpoczęły się stosunkowo niedawno, bo zaledwie ok. 150 lat temu, to jednak na podstawie historycznych dokumentów oraz naukowej analizy śladów dawnych zjawisk geologicznych, klimatycznych i przyrodniczych jesteśmy w stanie wnioskować o procesach klimatycznych, jakie zachodziły na naszej planecie w przeszłości.

Zmiany klimatu na Ziemi są możliwe do zaobserwowania już w okresie historycznym. Przykładowo, na obszarze Europy tzw. optimum klimatyczne wystąpiło w XII w. Wikingowie skolonizowali wówczas wolne od lodu wybrzeże Grenlandii (jak sama nazwa wskazuje, wyspy zielonej), a na terenach Polski uprawiano winorośl. W późniejszym okresie na naszym kontynencie doszło do ochłodzenia, które w XVII-XVIII w nasiliło się tak znacznie, że okres ten nazwany został „małą epoką lodową”. Przypuszcza się, że ochłodzenie to mogło być spowodowane znaczącym spowolnieniem przenoszenia ciepła przez ocean i/lub zmniejszeniem dopływu promieniowania słonecznego na skutek erupcji wulkanicznych. W czasach tych na środku Morza Bałtyckiego, zimą, stawiano karczmę jako miejsce odpoczynku dla wędrowców jadących saniami po lodzie z Polski do Szwecji.

Aby jednak zaobserwować zmiany klimatyczne, zachodzące na naprawdę dużą skalę, cofnąć się trzeba głębiej w przeszłość już nie historyczną, a dotyczącą geologicznych dziejów Ziemi.

Historia naszej planety i zachodzących na niej przemian podzielona została na ery i okresy geologiczne. Pomijając starsze ery, kiedy Ziemia była jeszcze młoda i niepodobna do tej, jaką znamy obecnie, skupmy uwagę na erze kenozoicznej, która zaczęła się 60 mln lat temu i trwa po dziś dzień. W erze tej wyróżnione zostały dwa okresy: trzeciorzęd i czwartorzęd, który rozpoczął się 1,8 miliona lat temu. Czwartorzęd podzielony został z kolei na dwie mniejsze jednostki wiekowe: plejstocen (od 1,8 mln do ok. 10 tys. lat) i holocen (od ok. 10 000 lat do chwili obecnej).

W plejstocenie na Ziemi miała miejsce tzw. epoka lodowcowa. Wbrew obiegowym opiniom nie była ona jednolita pod względem klimatycznym. Okresy znacznego oziębienia klimatu (zwane glacjałami), prowadzące do rozwinięcia się na Ziemi potężnych pokryw lodowcowych, przedzielane były okresami klimatu ciepłego (interglacjałami), kiedy temperatury na Ziemi nie różniły się od współczesnych.
Stwierdzone zostało, że ocieplanie klimatu związane z przejściem z glacjału do interglacjału następowało zawsze znacznie szybciej, niż proces odwrotny. Okresy interglacjalne i glacjalne miały także zupełnie różną dynamikę: interglacjały charakteryzowały się względnie stabilnym klimatem, o stosunkowo niewielkich wahaniach parametrów klimatycznych, podczas gdy w okresach chłodnych następowały znaczne zmiany tych parametrów w stosunkowo krótkim czasie. Szczególną cechą ostatniego okresu glacjalnego było występowanie szeregu krótkich epizodów klimatycznych (czas trwania 1000-1500 lat), charakteryzujących się szybkimi zmianami parametrów klimatycznych.

Regularność następowania glacjałów i interglacjałów w plejstocenie stwierdził serbski matematyki i fizyk M. Milankovic, co pozwoliło mu na sformułowanie teorii wyjaśniającej przyczyny zmian klimatycznych. Wyjaśnienie to nosi nazwę efektu Milankovica i związane jest z trzema parametrami: kształtem orbity ziemskiej, nachyleniem osi ziemskiej i zjawiskiem precesji.

Zmiany kształtu orbity ziemskiej
Ziemia okrąża Słońce po orbicie o kształcie elipsy, której mimośród ulega niewielkim wahaniom (do 5 procent w okresie ok. 100 tys. lat). Obecnie mimośród orbity Ziemi jest najmniejszy. W takiej sytuacji nasza planeta otrzymuje o 6 procent energii słonecznej więcej, gdy znajduje się w punkcie orbity najbliższym Słońcu (peryhelium), niż gdy znajduje się w punkcie orbity najdalszym od Słońca (aphelium). Przy orbicie o kształcie bardziej eliptycznym różnice wielkości energii otrzymywanej przez Ziemię w peryhelium i aphelium mogą dochodzić do 20-30 proc.

Nachylenie osi
Płaszczyzna, na której znajduje się orbita Ziemi, nosi nazwę ekliptyki. Oś obrotu Ziemi nachylona jest do ekliptyki pod kątem, którego wartość ulega wahaniom w cyklu 41 tys. lat od 21,5 stopni do 24,5 stopni (obecnie wynosi 23,4 stopnia). Wielkość kąta nachylenia osi obrotu Ziemi do ekliptyki wpływa na występowanie zmiennych pór roku. Przy mniejszym nachyleniu osi Ziemi zmniejsza się różnica promieniowania słonecznego między zimą a latem. Ten układ sprzyja rozwojowi pokryw lodowych. Analogicznie, przy większym nachyleniu osi Ziemi, różnica promieniowania słonecznego między zimą a latem jest wyraźniejsza.

Precesja
Precesja jest zjawiskiem przejawiającym się wirowaniem osi ziemskiej, która nie tworzy nieruchomej prostej, lecz kręci sobą powierzchnię w kształcie bocznej powierzchni stożka (podobnie jak oś obrotu wirującego bąka). Obrazowo można powiedzieć, że oś ziemska kreśli na tle nieba okrąg, a okres potrzebny na zakreślenie pełnego okręgu wynosi 22 tys. lat. Skutkiem tego zjawiska przesunięciu ulegają punkty równonocy oraz przesilenia letniego i zimowego. Obecnie Ziemia znajduje się w peryhelium 3 stycznia, a w aphelium 4 lipca, a więc kontrasty termiczne między latem a zimą na półkuli północnej są stosunkowo nieduże, podczas gdy za ok. 11 tys. lat będą największe.

Według teorii Milankovica, wzrostowi lądolodu sprzyja sytuacja, w której Ziemia jest bliżej Słońca (w peryhelium) zimą, a nachylenie osi do płaszczyzny ekliptyki jest niewielkie. Wówczas zima jest dość ciepła, opady śniegu nad biegunami duże, a lato stosunkowo chłodne, dzięki czemu cały śnieg nie zdąży się stopić.

Cykl zlodowacenie – interglacjał trwa ok. 100 tys. lat, czyli tyle, co cykl zmian mimośrodu orbity ziemskiej, z tego ok. 90 tys. przypada na zlodowacenie. Ciepłe okresy rozdzielające zlodowacenia trwają w myśl tej teorii ok. 10 tys. lat.

Nietrudno zauważyć, że zgodnie z teorią Milankovica okres holocenu, w którym żyjemy, nie jest niczym innym, jak interglacjałem, a czas jego trwania jest już w przybliżeniu równy średniemu okresowi trwania interglacjału. Dodatkowo obecnie Ziemia znajduje się w peryhelium zimą, co, jak już wiemy, sprzyja rozwojowi lądolodu. Czyżby zbliżał się kolejny glacjał? Ale o teoriach dotyczących przyszłych zmian klimatu na Ziemi opowiem w kolejnych częściach cyklu.

—-

Literatura:
K. Różański Antropogeniczne zmiany klimatu: mit czy rzeczywistość? Materiały XXXVI Zjazdu Fizyków Polskich, Toruń 2001
Richard B. Alley Klimat pojutrze? w: Świat Nauki, grudzień 2004
Informator Centrum Doskonałości Badań Środowiska Abiotycznego nr 7 maj/czerwiec 2004.

Ciąg dalszy: Czynniki kształtujące klimat Ziemi