ForrásMásfél fokÍrta: Szabó Amanda Imola – Meteorológus-éghajlatkutató, doktorandusz az ELTE TTK Meteorológiai Tanszékén és a Másfél fok egyik állandó szerzője.

A 66 millió évvel ezelőtt bekövetkezett kréta-tercier tömeges kihalási eseményt szinte mindenki ismeri, ugyanis ezzel ért véget a dinoszauruszok uralma a Földön. A Science-ben megjelent friss kutatás az azóta eltelt időszak éghajlatváltozását és egyensúlyi klímaállapotait, más szóval éghajlati rezsimeit vizsgálta. Jelenleg az elmúlt 66 millió év leghidegebb klímaállapotában vagyunk, eljegesedési időszakban – tehát igazából nem is akkora probléma korunk éghajlatváltozása? A kutatók szerint ha ilyen ütemben változtatjuk bolygónk éghajlatát, akkor földtörténeti léptékben mérve drámaian rövid idő, csupán pár évszázad alatt átbillenthetjük az éghajlatot a jegesből a forróba. Az ilyen típusú, szélsőségesen gyors rezsimváltáshoz pedig kérdés, hogy mennyire képes alkalmazkodni a földi élővilág, előrevetítve ezzel egy újabb tömeges kihalási eseményt.

66 millió évvel ezelőtt hatalmas mennyiségű por és gázok kerültek a légkörbe, melynek hatására olyan gyorsan és nagymértékben megváltozott az éghajlat, hogy az élőlények több mint háromnegyede, beleértve a dinoszauruszokat, eltűntek a Föld színéről. Az, hogy ennek egy hegyméretű aszteroida becsapódása, vagy egy nagyon intenzív vulkáni tevékenység, esetleg ezek együttese volt az oka, a kutatók még vitatják. Az viszont tény, hogy az akkori tömeges kihalási hullámhoz olyan geológiai értelemben extrém ütemű éghajlatváltozás vezetett, mint ami napjainkban is játszódik.

De miért extrém ütemű az antropogén, vagyis ember okozta éghajlatváltozás? Ahhoz, hogy megértsük, meg kell vizsgálnunk az éghajlat természetes változékonyságát, az egyensúlyi állapot fogalmát, és az ebből történő elmozdulásokat, amiket klímarezsim váltásoknak nevezünk.

Az éghajlat természetes változékonysága 

Változékonyságról (variability) akkor beszélünk, amikor egy légköri változó adott átlagérték körül ingadozik. Ha ez az ingadozás nem szisztematikus, az a véletlenszerű változékonyság. Ha az ingadozás rendszeresen ismétlődve következik be, azt hívjuk periodikus változékonyságnak. Az ingadozás változása, mely nem feltétlen jár együtt az átlagérték változásával, azt jelenti, hogy az átlag körüli ingadozás mértéke növekszik vagy csökken. A periodikus változékonyság szemléltetésére jó példa a Mauna Loa-i mérőállomáson mért havi átlagos légköri CO2 koncentráció értékeit ábrázoló grafikon, ahol a piros vonal állandó ütemű ingadozása a vegetáció évközi aktivitásának változékonyságát mutatja.

A változékonyság mellett beszélünk változásról (change) is. A változás lehet hirtelen bekövetkező, amikor szinte átmenet nélkül az átlagérték megnövekszik vagy lecsökken, mint sebességváltozásunk, amikor vészfékezünk. De a változás lehet fokozatos is, amikor szép lassan fékezünk, hogy a pirosnál már biztonságosan meg tudjunk állni. Az ilyen, úgynevezett időbeli trend lehet növekvő vagy csökkenő is. A Mauna Loa ábrán látható, hogy bár a periodikus változékonyság mértéke nem változott, a CO2 átlagos értéke folyamatosan emelkedik, tehát növekvő a trend. Vagyis a CO2 éves átlagos koncentrációjának folyamatos növekedése (fekete vonal) egy lassú változást jelent, míg éven belüli ingadozása a természetes változékonyság eredménye (piros vonal).

Az éghajlat véletlenszerű és periodikus természetes változékonyságát (és változását) röviden összefoglalva a következő, rendszeren belüli folyamatok és külső kényszerek alakítják:

  • A kontinensek elhelyezkedése (és vándorlása): a jégkorszakok során (amikor a Földön összefüggő jégtakaró és gleccserek találhatóak a sarkokon és a kontinenseken, mint napjainkban is) fontos tényező, hogy található-e a sarkokon kontinens, ami kedvez a jégtakaró kialakulásának. A kontinensek helyzete befolyásolja továbbá az óceáni és légköri cirkulációt és ezáltal a hőmérsékletet is.
  • Hegységképződés: a kontinensek elhelyezkedése mellett a domborzat alakulása is jelentős szerepet tölt be az éghajlat alakításában. Az évmilliókig tartó hegységképződés kémiai folyamatokon keresztül, mint például a kőzetek mállása,  hatással van a globális szénciklusra és ezáltal az éghajlatra. A hegységek kiemelkedése továbbá befolyásolja a földi légkörzést. A magas hegyeken kialakuló hótakaró nagyobb albedója miatt a napsugárzás nagyobb részét visszaveri, mint a csupasz felszín, ezzel egy pozitív visszacsatolási folyamatot indít el, mert a hűtő hatás további hótakaró kialakulásához vezet, ami lehűlést eredményez.
  • Vulkáni tevékenység: egy vulkánkitörés során nagy mennyiségű aeroszol, vulkáni hamu és üvegházhatású gáz kerülhet a légkörbe, mely hatással van többek között a napsugárzásra és a napfénytartamra, a hőmérsékletre és a csapadékra is. Egy erőteljesebb vulkánkitörés, mint például a Pinatubo 1991-es kitörése körülbelül 0,1-0,3 °C-kal változtatta meg a felszínközeli átlaghőmérsékletet néhány évre. Arról, hogy a napjainkban zajló gyors ütemű éghajlatváltozást miért nem a vulkanizmus okozza, itt írtunk bővebben.
  • El Niño – Déli Oszcilláció (angol rövidítéssel ENSO) hatása: természetes éghajlati jelenség, amely a Csendes-óceán trópusi területén megy végbe. A Csendes-óceán trópusi régiójában általános esetben (középső helyzet) az egyenletes passzátszelek meleg felszínközeli tengervizet szállítanak keletről nyugatra, ennek helyére pedig hideg, tápanyagban gazdag tengervíz áramlik fel a mélyből. Az El Niño az átlagosnál gyengébb passzátszelek esetén fellépő meleg fázisa, a  La Niña pedig az átlagosnál erősebb passzátszelek esetén fellépő hideg fázisa. Ez a jelenség nemcsak a Csendes-óceán, hanem bolygónk számos pontjának időjárására is hatással van és körülbelül 3-7 évente fordul elő. Az ENSO fontos szerepet játszik az éghajlat természetes változékonyságában.
  • Napfoltciklusok: a vulkáni aktivitáshoz hasonlóan a naptevékenység is tud hosszabb távú változást okozni például a hőmérsékletben, vagy rövid távú ingadozást az átlag körül. A napfoltok erős mágneses aktivitású régiók a Nap fotoszférájában (a Nap látható felszínén, ez légkörének legalsó rétege). A napfoltok számától függően az átlagos értékhez képest a tényleges Földre beérkező napsugárzás értéke 11 éves ciklusokban növekszik, illetve csökken. Az utolsó ciklus során például 0,1%-kal ingadozott az értéke. Mindemellett elhatárolhatók nagyon alacsony aktivitású, 50-100 éves időszakok, úgynevezett nagy szoláris (a Nappal kapcsolatos) minimumok mint például az 1645-1715 között észlelt Maunder Minimum. Egy nagy szoláris minimum 0,3 °C-os hűlést okozna néhány évre.
  • A Föld pályaelem változásai: ide soroljuk a Föld forgástengely szögének változását (tengelyferdeség), a tengely ingását (precesszió) valamint a Naptól való távolságának kis mértékű változását, melyet a földpálya lapultságának változása (excentricitás) idéz elő. Ezen változások ciklikusan következnek be és befolyásolják a Földre érkező napenergia mennyiségét, ezáltal az átlaghőmérsékletet. Ezen ciklikussággal egybevágnak az elmúlt néhány százezer év során lezajlott, paleoklimatológiai vizsgálatokból kimutatott hőmérséklet ingadozások: az eljegesedések (glaciális időszakok) és a köztes, úgynevezett interglaciális időszakok. Ez a ciklikusság az úgynevezett Milanković-ciklus.


A Föld pályaelemei és azok ciklikus változása években megadva (forrás: NASA).

Az éghajlat lehetséges egyensúlyi állapotai

A természetes éghajlati változékonyság hatásának vizsgálata elengedhetetlen a napjainkban zajló éghajlatváltozás észleléséhez és megértéséhez. Paleoklimatológiai vizsgálatok segítségével képet kaphatunk az éghajlati rendszer változásairól, ami jelentős hatással volt a rendszer fontos részét képező élővilágra is. Ez lehetőséget ad az összehasonlításra más földtörténeti korokhoz képest, ami alapján megállapítható, hogy a mostani klímaváltozás mennyiben természetes vagy nem természetes hatások következménye, és lehetséges-e, hogy a változás klímarezsim váltáshoz vezessen.

Az egyik legfrissebb, a Science tudományos folyóiratban összegzett kutatás során a tudósok több ezer foraminifera (tengerfenéken élő egysejtű amőba) minta kémiai összetételét vizsgálták és elkészítették a valaha volt legrészletesebb éghajlati adatsort a Kainozoikum időszakra (az „emlősök korára”), vagyis az elmúlt 66 millió évre. A foraminiferák a 66 millió éve bekövetkezett kihalási eseményről, a „dinoszauruszok korának” végéről és az azóta történt földtörténeti folyamatokról zártak magukba értékes információkat. A paleoklimatológia fontos módszere a tengeri üledék furatok vizsgálata. Az üledékben található foraminiferák vázának vizsgálatával, a szén és oxigén izotópjainak elemzése alapján következtetni lehet a régmúlt tengervíz hőmérsékletére és a légköri üvegházgáz koncentrációra is.

Az említett tanulmányban Westerhold és munkatársai 21 neves nemzetközi kutatóintézet átfogó kutatásán alapuló tanulmányban bemutatták, hogyan változott a földi éghajlat a különböző egyensúlyi klímaállapotokon keresztül a Föld pályaelem változásai, az üvegházhatású gázok koncentrációváltozása és a sarki jégtömeg mennyiségének alakulása hatására.

Az egyensúlyi klímaállapot – más szóval éghajlati rezsim – az éghajlati rendszer egy tartós állapotát jelenti. Az egyes rezsimek között geológiai értelemben hirtelen, azaz néhány millió év alatt bekövetkező váltások jellemzőek. A legújabb eredmények alapján négy klímaállapot különíthető el:

  • meleg (warmhouse),
  • forró (hothouse),
  • hűvös (coolhouse)
  • és jeges (icehouse).

Az eredményeket összevetették a már említett Milanković-ciklussal, melynek hatására jól elkülöníthető, de aránylag kis változások történtek az éghajlati rendszerben. Ugyanakkor kimutatták, hogy az ugrásszerű változásokat az üvegházhatású gázok koncentrációjában történő nagymértékű változások okozták.

A vizsgált időszak – ami egy kihalási hullámmal kezdődött – után körülbelül 10 millió évvel a meleg klímaállapotból a forróba „ugrott” a földi éghajlat. A kutatók úgy gondolják, ezt az ugrást nagymennyiségű vulkanizmushoz köthető üvegházhatású gáz felszabadulása okozta. A következő 20 millió év során az üvegházhatású gázok koncentrációja lecsökkent és kialakult a sarki jégsapka az Antarktiszon és Földünk belépett a hűvös klímaállapotba. A meleg időszak során a hőmérséklet globálisan 5 °C-kal, míg a forró időszak során 10 °C-kal volt magasabb, mint napjainkban.

A kutatás megerősítette azt a tényt, hogy az emberi eredetű globális felmelegedés üteme messze túlmutat a természetes változékonyságon.

Jelenleg az elmúlt 66 millió év leghidegebb klímaállapotában vagyunk, jeges időszakban („icehouse”). A modellek előrejelzése alapján azonban, ha ilyen ütemben változtatjuk meg a Föld klímáját,

2300-ra már a forró éghajlati állapotra jellemző hőmérsékleti értékek lesznek jelen, ami nem fordult elő a bolygón az elmúlt 50 millió évben.

Az elmúlt 66 millió év és az éghajlati modellekkel becsült jövőbeni globális felszínközeli hőmérsékleti trendek 2300-ig az 1961-1990-es időszakra vonatkozó referencia átlagértékhez képest. Az időszak első néhány tízmillió évére vonatkozó értékeket mélytengeri üledékfuratok vizsgálatából becsülték meg, az utolsó 25 ezer év jégfuratokból nyert eredmények alapján határozták meg, az 1850-es évektől kezdve hőmérsékleti mérések adatai is rendelkezésre állnak. A következő háromszáz év várható hőmérsékleti trendje három különböző éghajlati forgatókönyv alapján a legoptimistábbtól (RCP 2.6) a legpesszimistábbig (RCP 8.5). Látható, hogy az üvegházhatású gázok légköri koncentrációjának további növekedése esetén a forró (hothouse) klímaállapotba kerül a földi éghajlat, amire legutoljára 50 millió éve volt példa. A kép forrása: Westerhold et al., CENOGRID

A négy, jól elkülöníthető, egyenként akár több tízmillió évet felölelő kainozoikumi klímaállapoton belül természetesen megfigyelhető kisebb időskálán is az éghajlati változékonyság. Az említett Milanković-ciklus (mely a Föld pályaelem változásainak az éghajlatra gyakorolt ciklikus hatását írja le) mind a négy klímaállapot esetén jelen van, annak ellenére, hogy teljesen eltérő éghajlati kép jellemzi az időszakokat. Ez az éghajlati rendszer egy nagyon fontos tulajdonságára hívja fel a figyelmet, miszerint egy adott éghajlati hatáshoz vagy más szóval kényszerhez többféle egyensúlyi állapot is tartozhat.

Tehát minden klímaállapotban megfigyelhető például a földpálya lapultságának változásával járó átlaghőmérséklet körüli ingadozás, még akkor is ha egyensúlyi állapottól függően teljesen eltérő átlaghőmérséklet jellemző. Tehát a pályaelem változások miatt a napsugarak beesési szögének, a keringés során a Naptól vett távolságnak az ingadozása mindig az adott egyensúlyi állapot során jellemző átlaghőmérséklet körül zajlik.

Ugyanez igaz rövidebb időskálán is. Az elmúlt körülbelül 2,5 millió évet tekintve geológiai értelemben jégkorszakról beszélhetünk, mert volt és van is jégsapka és gleccserek a sarkokon és a kontinenseken. A jégkorszakon belül elkülöníthetőek hidegebb és kevésbé hideg időszakok. A szakirodalom a jégkorszakon belüli hidegebb időszakokra is a jégkorszak – idegen szóval glaciális időszak – kifejezést használja ekkor a kontinensek jelentős részét jég borítja. A kevésbé hideg időszakok az interglaciálisok. A legutolsó, körülbelül 10 ezer évvel ezelőtt véget ért nagy jégkorszak előtt glaciális és interglaciális időszakok váltogatták egymást több mint másfél millió évig a földtörténeti negyedidőszak során.

A glaciális és interglaciális időszakok váltakozásának egyik kiváltó kényszere a Milanković-ciklus periodikussága a paleoklimatológiai adatokból is megmutatható az elmúlt néhány százezer évre.  Jelenleg interglaciális vagy egyes irodalmak szerint posztglaciális időszakban vagyunk, amikor továbbra is van jégsapka a Földön. Ennek ellenére Westerhold és munkatársai eredménye alapján a jelenlegi kibocsátási trendek geológiai értelemben rendkívül gyorsan a forró klímarezsimre jellemző hőmérsékleti értékeket fognak eredményezni.

A Föld pályaelem változásai és proxy adatok az elmúlt 800 ezer évre vonatkozólag: a.) excentricitás b.) ferdeség c.) precesszió d.) légköri CO2 koncentráció Antarktiszi jégfurat minták alapján e.) trópusi tengerfelszín hőmérséklete f.) Antarktiszi hőmérséklet hét jégfurat minta alapján g.) globális jégtömeg és mélytengeri hőmérséklet h.) tengerszint i.) globális átlaghőmérséklet változása. forrás: IPCC Ötödik Értékelő Jelentés (https://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/information-from-paleoclimate-archives/).

A most zajló éghajlati rezsimváltást elsősorban mi okozzuk

Földünk éghajlata az évmilliárdok során mindig változott, amit számos természetes tényező befolyásolt. Az elmúlt 66 millió év éghajlati rezsimeit vizsgáló kutatás is megmutatta, hogy akár egy rezsimen belül is előfordulhatnak jelentős fluktuációk, amik azonban a trendeken nem változtatnak. Ezek a változások több százezer, vagy több millió év alatt játszódtak le, és így is sokszor drámai hatással voltak a földi élővilágra.

Beavatkozásunk az éghajlati rendszerbe soha nem látott mértékben rövidítette le ezeket a hosszú folyamatokat, így a felé haladunk, hogy bolygónk aktuálisan egyensúlyi állapotban lévő éghajlatát felfoghatatlanul gyors rezsimváltásra kényszerítjük. A paleoklimatológia és más föld- és környezettudományi kutatások tanulsága szerint az ökoszisztémák még az ennél lassabb változásokra is többször tömeges kihalási eseménnyel reagáltak. Amennyiben a mostani trendeket folytatva módosítjuk a Föld éghajlatát, úgy a szélsőségesen gyors tempó miatt kérdéses, hogy ehhez mennyire lesz képes alkalmazkodni az élővilág, köztük mi, emberek is.

A mostani rezsimváltásért az emberi eredetű üvegházhatású gázkibocsátás lesz a felelős, ami egyben kijelöli a beavatkozási pontokat, ha nem akarunk olyan forró éghajlati állapotot előidézni csupán pár száz éven belül, mint amit 50 millió éve nem látott a Föld, mi pedig sohasem.

A cikkben bemutatott Science tanulmány: Westerhold és munkatársai, 2020 – An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 million years