Klimaet gjennom jordhistorien

Solstrålingen

Til enhver tid vil klimaet på jorden være bestemt av balansen mellom varmeoverføringen fra solen og varmetap fra jorden til verdensrommet. Jorden har ingen annen varmekilde enn solen. Varme fra jordens indre, vulkaner og lignende, spiller ingen rolle i klimasammenheng. Heller ikke varme fra radioaktiv spalting av materialer i jordskorpen.
Solens strålingsstyrke er ikke konstant. Den har økt med cirka 6 % per milliard år siden dannelsen for 4,6 milliarder år siden. For 3 milliarder år siden mottok jorden bare 75 % av energien i forhold til dagens nivå. 
Men også på helt kort sikt varierer strålingsstyrken. Den 11-årige solflekksyklusen faller sammen en variasjon i solens totale strålingsstyrke på 0,1 %. Dette er for lite, og skjer for hurtig, til at det har betydning for jordens langsiktige klima. Mer langvarig endring i solflekkaktivitet, med tilsvarende lavere energiutstråling fra solen, kan ha vært medvirkende årsak til det kalde klimaet på den nordlige halvkule i årene omkring 1600-1700, den såkalte "lille istid". Beregninger anslår middeltemperaturen i denne perioden til å ha vært 1 grad celsius lavere enn i dag. Slike vekslinger, om de eksisterer, er ikke fullt ut forstått.

Milanković-syklusen

Som kjent går jorden i en svakt elliptisk bane omkring solen. Samtidig roterer jorden omkring sin egen akse som står 23,5 grader på skrå i forhold til baneplanet.
Jordens bane blir imidlertid forstyrret av andre medlemmer av solsystemet. Svakt, men nok til at jordbanen og rotasjonsaksens skråstilling forandrer seg noe over tid. Dette fører til at virkningen av solstrålingen på jorden varierer etter et komplisert mønster, i perioder på titusener av år. Den serbiske astronomen Milutin Milanković påviste dette alt i 1920-årene. Disse rytmiske forandringene har derfor fått navnet Milanković-syklusene. Milanković-syklusene fører til klimaendringer og kan langt på vei forklare vekslingen mellom istider og mellomistider i de siste 600.000 år.

Tilbakekoblinger

I tillegg finnes det en rekke tilbakevirkende effekter. Hvis solstrålingen avtar og jorden blir kaldere, så mye kaldere at det legger seg snø eller isbreer på land, og is på havet, blir kloden hvitere. En hvitere klode reflekterer mer av solstrålingen. Dermed blir avkjølingen forsterket. På den annen side, hvis varmeoverføringen fra solen øker, forsvinner is og snø. Kloden blir mørkere og tar opp mer varme. Da blir oppvarmingseffekten forsterket. Jordens varmeopptak kan også endres på grunn av økt innhold av partikler i atmosfæren eller økt skydannelse på grunn av vulkanutbrudd eller kosmisk stråling.

Drivhusgasser

Svært viktig for klimaet er atmosfærens innhold av drivhusgasser. Det påvirker balansen mellom mottatt solstråling og jordens utstråling til verdensrommet. Drivhusgassene fungerer som glasstaket i et drivhus, derav navnet. Drivhusgasser slipper solstrålingen inn, men holder mye av varmen inne. Karbondioksid (CO₂) er den helt dominerende drivhusgassen, selv om metan (CH₄) er mange ganger mer virkningsfull. Men metan har langt lavere konsentrasjon og den har kortere levetid i atmosfæren. Som vi skal se i den videre redegjørelsen er det karbondioksid som driver klimaendringene. De andre drivhusgassene, inklusiv metan, virker forsterkende, fordi de frigjøres ved økende temperatur, og bindes ved lavere temperatur.
Vanndamp er en svært virkningsfull drivhusgass, men effekten kan være vanskelig å forutsi. Her har vi nemlig to ulike tilbakekoblinger, den ene forsterkende, den andre dempende. Dersom jorden blir varmere, vil det føre til mer vanndamp i atmosfæren og større drivhuseffekt. Det vil føre til et enda varmere klima. Virkningen er rask, dager og uker. Men det vil også bety mer skyer. Skyer er hvite på oversiden, noe som betyr at mer av sollyset blir reflektert. På lang sikt vil dette virke avkjølende.

Den geologiske karbonsyklusen

Karbon kommer fra jordskorpen og slipper ut i atmosfæren som karbondioksid, C0₂, i forbindelse med vulkansk aktivitet. I løpet av geologiske tidsrom vil dette karbonet gjøre en rundreise via atmosfære, land, hav, havbunn og tilbake til jordskorpen igjen. Dette er den geologiske karbonsyklusen.
Globalt og over tid er utslippshastigheten fra vulkaner jevn og lav. Et plutselig stort vulkanutbrudd vil ikke øke CO₂-innholdet i atmosfæren vesentlig. Men selv om tilførselen er lav, så har den pågått helt siden jordens dannelse. Hvis det ikke var noe som samtidig fjernet CO₂-gassen fra atmosfæren, ville konsentrasjonen stige i det uendelige og jorden ville ende som Venus.
Når karbondioksid kommer ut i atmosfæren kommer den i kontakt med vann, både i skyer og regn, i innsjøer, elver og hav. Gassen reagerer kjemisk med vannet og danner den svake syren karbonsyre. Vannet i regn, hagl og snø er altså en svak syre.
Når karbonsyre faller på landjordens bergarter i form av nedbør, skjer det en kjemisk forvitring. Karbonsyren reagerer med mineralene i bergartene. Mange mineraler, for eksempel feltspat, inneholder kalsium (Ca). Mineralene løses opp og det dannes forskjellige typer leire og ioner, blant annet kalsiumioner (Ca+) og karbonationer (HCO₃-).
Elver bringer leirslam og ioner ut i havet. Leire blir avsatt på havbunnen mens kalsium- og karbonationene blir opptatt av havlevende organismer som lager kalkskall: skjell, snegler, koraller, plankton osv. Når organismene dør, synker de. Skallene vil danne lag på havbunnen og med tiden bli til kalkstein. Resultatet av det hele er at CO₂ blir fjernet fra atmosfæren og lagret på havbunnen bundet i kalkstein (CaCO₃).
Jorden er dynamisk. Sentralt i alle havområder skapes ny havbunnsskorpe som skyves utover til begge sider. Samtidig går eldre havbunn til grunne i dyphavsgrøfter som dannes der havbunnsskorpe kolliderer med kontinenter. På sin vei fra dannelse til undergang, blir havbunnsskorpen tilført et stadig tykkere lag av leirstein og kalkstein. Disse sedimentære bergartene blir presset ned i dyphavsgrøften, sammen med havbunnsskorpen. De krølles sammen, omdannes og blir etter hvert en del av den tykke kontinentskorpen. Høyt trykk og høy temperatur gjør at disse lette og vannholdige bergartene smelter. Smelten, kalt magma, er lettere enn omkringliggende bergarter. Langsomt, over millioner av år, arbeider den seg opp mot overflaten og spruter eller velter ut som aske, lava og gass, blant annet CO₂. For karbonet sin del er sirkelen sluttet.

Den geologiske karbonsyklusen som termostat

Hvis jorden blir varmere, vil den kjemiske bergartsforvitringen over hele jorden gå hurtigere (alle kjemiske reaksjoner får økt hastighet når temperaturen stiger). Da blir CO₂ fjernet raskere fra atmosfæren. Drivhuseffekten vil avta. Mer jordvarme blir strålt ut i rommet. Ytterligere oppvarmingen blir bremset og til slutt stoppet.
Hvis jorden blir kaldere, vil den kjemiske forvitringen gå langsommere og da vil CO₂-innholdet i atmosfæren stige, for vulkanene sender ut like mye karbondioksid som elles. Drivhuseffekten øker, avkjølingen bremses, stoppes og så blir atmosfæren varmere igjen inntil forvitringen igjen skyter fart og det skapes balanse på nytt.
Karbonsyklusen skulle altså kunne holde en ganske konstant temperatur på jorden hvis solstråling, utstrømming av karbondioksid fra vulkaner og forvitring av bergarter med påfølgende sedimentasjon av kalkstein i havene var konstante størrelser. Men det er de tydeligvis ikke, siden temperaturen har variert i løpet av jordhistorien. 
Den geologiske karbonsyklusen er nemlig ingen perfekt termostat. Det er fordi den reagerer langsomt, over millioner av år. I løpet av denne tiden kan jordens klima komme på avveier. Men før eller siden vil den geologiske karbonsyklusen sørge for at temperaturen blir brakt tilbake til et, for jorden, normalt nivå.

Kryogen

Istiden Kryogen (850 - 635 millioner år siden) var antakelig den hardeste istiden i jordens historie. Hele jorden var dekket av is, både på land og hav, og fra pol til pol. Vi vet ikke hva som kan ha startet en så omfattende istid. Men det er klart at når nedkjølingen først har kommet så langt at snø og is la seg på store deler av jord- og havoverflaten, ble nesten all varmen fra solstrålingen reflektert tilbake til rommet. En slik situasjon kunne ikke jorden komme ut av hvis det ikke var for den geologiske karbonsyklusen.
Når all jordoverflate var dekket av is, stoppet forvitring av bergartene helt opp. I stedet ble landområdene gnagd ned av isbreenes mekaniske skuring. Men vulkanene, derimot, sendte ut sine gasser uforstyrret av dette. Dermed økte atmosfærens CO₂-innhold helt til drivhuseffekten var stor nok til å drive temperaturen opp, til tross for isdekkets høye refleksjon. Når så isen begynte å trekke seg tilbake, blottla den åpent hav og fri landoverflate med mye mørkere farge. Mer av solstrålingen ble absorbert og oppvarmingen akselererte. Det unormalt høye CO₂-innholdet førte jorden over i en kortvarig, svært varm periode. En periode med intens bergartsforvitring. Karbondioksid ble tatt ut av atmosfæren i stor hastighet og avsatt på havbunnen som kalkstein. Dermed ble oppvarmingen bremset og til slutt oppsto en balanse omkring et normalt temperaturnivå.
Karakteristisk for avsetninger fra denne perioden er forsteinet morene (tillitt) med et overliggende, tykt kalksteinslag. Morenen representerer istiden, kalksteinen den alt for varme perioden etterpå da jorden jobbet med å gjenopprette balansen.

Huron

Den eldste istiden vi kjenner til, og den som ser ut til å ha vart lengst, er Huron (2400-2100 millioner år siden). Også i denne istiden kan jorden ha vært totalt nedfrosset, slik som i kryogen.
Her mener vi å kjenne årsaksforholdet. På denne tiden var atmosfæren oksygenfri. Istiden startet på grunn av framveksten av cyanobakterier, de første organismene som skaffet seg energi ved fotosyntese. Fotosyntesens avfallsprodukt er fritt oksygen, O₂.
Cyanobakteriene levde i havet. I første omgang reagerte det frie oksygenet med jern i hav og havbunnsavsetninger, jernet et. Jernoksider ble avsatt som fast stoff på havbunnen, mineralene hematitt, Fe₂O₃, og magnetitt, Fe₃O₄. Oksygenet kom derfor ikke ut i atmosfæren. Denne prosessen foregikk i mange millioner år og skapte de fleste av dagens store jernforekomster.
Til slutt var det ikke mer ikke-oksidert jern igjen. Oksygenet fra cyanobakteriene kom nå ut i atmosfæren. Ut i en atmosfære der det ikke fantes gass som kunne stoppe UV-stråling fra solen og som blant annet inneholdt den sterke drivhusgassen metan, som til da hadde holdt temperaturen på et normalt nivå.
UV-strålingen fikk oksygen, 0₂, til å reagere med metan, CH₄, slik at det ble dannet karbondioksid, CO₂, og vann, H₂0. Karbondioksid overtok nå for metan som drivhusgass. Men metan er en mye sterkere drivhusgass enn karbondioksid. Derfor avtok drivhuseffekten, varmetapet fra jorden til verdensrommet steg, klimaet ble kaldere og jorden gikk inn i den lange huron-istiden.
Jorden kom ut av istiden, 300 millioner år seinere, som beskrevet for kryogen.

Kvartæristiden

Kvartæristiden startet for fullt for 2,5 millioner år siden og varer fortsatt. Det er istid når minst en av polene har permanent isdekke. Men selv om det er istid kan temperaturen gå en del opp og ned, blant annet på grunn av Milanković-syklusen. I varmere perioder, som den vi har nå, trekker isdekket seg en del tilbake i noen titusen år, for så å gjøre nytt framstøt når klimaet blir kaldere igjen. Det har vært minst 30 slike skiftninger i kvartær. Den en vi nå er inne i begynte for 11 000 år siden. Om noen tusen år vil isen igjen rykke fram, hvis forholdene får utvikle seg naturlig.

Mesozoikum - varmetid

Istiden Karoo varte i 100 millioner år (360 - 260 millioner år siden). Store landområder omkring sørpolen var dekket av is. Istiden tok slutt ved overgangen til mesozoikum (251 millioner år siden). Fra da av ble jorden stadig varmere. I eocen, for 50 millioner år siden, var CO₂-innholdet i atmosfæren 500 milliondeler mot ca. 400 i dag. Det var krokodiller i Arktis og furuskog i Antarktis. Havnivået var 100 meter høyere enn nå og temperaturen i dyphavene var 12 grader celsius, mot 2 grader i dag.

Jordskorpebevegelser påvirker CO2-innholdet i atmosfæren

For 150 millioner år siden, i perioden kritt, lå det et stort og frodig hav mellom det eurasiske kontinent og det som siden er blitt til Afrika, India og Australia. Dette havet kalles Tethyshavet. Det yrte av plante- og dyreliv. Havet var omgitt av store landområder, og disse tømte sine elver ut i Tethyshavet. Med elver fulgte sedimenter, leire og kalk, og Tethyshavets bunn ble dekket av tykke avsetninger av leir- og kalkstein.
I løpet av mesozoikum og første del av cenozoikum ble hele dette havområdet klemt sammen mellom de omliggende landområdene. India løsrev seg fra Antarktis og beveget seg nordover mot det eurasiske kontinent, og åpnet samtidig opp for Det indiske hav bak seg. Også Afrika beveget seg nordover. Tethyshavet ble skjøvet mot Eurasia der det oppsto en dyphavsgrøft som havbunn med sedimenter langsomt ble skjøvet ned i. Vulkanene langs denne kollisjonssonen fikk rikelig tilgang på kalkstein, som i neste omgang ble til karbondioksid. I hele tiden mens Tethyshavet ble lukket hadde vi et vulkanbelte som sendte ekstra mye CO₂ ut i atmosfæren. CO₂-innholdet steg og klimaet ble varmere.
For 35 millioner år siden var Tethyshavet praktisk talt lukket. Vulkanene hadde ikke lenger så mye CO₂ å by på. Samtidig var Atlanterhavet i ferd med å åpne seg. Nord- og Sør-Amerika beveget seg vestover og la under seg havbunnen i Stillehavet. Men Stillehavet hadde, og har, forholdsvis tynne kalksteinsavleiringer, slik at vulkanene i kollisjonssonen langs vestkanten av disse kontinentene sendte ut relativt lite karbondioksid. CO₂-innholdet i atmosfæren sank og verden ble langsomt kjøligere. Alt for 20 millioner år siden ble polene dekket av is, i alle fall i vinterhalvåret. Den nåværende istiden, kvartæristiden, satte inn for full styrke for ca. 2,5 millioner år siden.
Kvartæristiden vil fortsette så lenge Atlanterhavet åpner seg. De aller fleste vulkaner knyttet til kollisjonssoner befinner seg nå i ildringen i Stillehavet. Stillehavsbunnen er kalkfattig og vulkanene i her gir et lavt tilskudd av CO₂ til atmosfæren. Men en gang i framtiden vil platebevegelsene skifte og Atlanterhavet vil lukke seg igjen. Atlanterhavsbunnen har mye kalk. Når dette skjer, om mange millioner år, vil jorden gå inn i en ny varmetid.