Κλιματικό σύστημα

Το κλιματικό σύστημα είναι ένα διαδραστικό σύστημα που αποτελείται από πέντε βασικά συστατικά: την ατμόσφαιρα, την υδρόσφαιρα, την κρυόσφαιρα, τη λιθόσφαιρα και τη βιόσφαιρα. Το κλίμα, από την άλλη πλευρά, είναι ο μέσος καιρός για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα και σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Ποικίλλει από τόπο σε τόπο, ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος, την απόσταση από τη θάλασσα, τη βλάστηση, την παρουσία ή την απουσία βουνών ή άλλους γεωγραφικούς παράγοντες. Ποικίλλει επίσης στο χρόνο, από εποχή σε εποχή, από έτος σε έτος, από δεκαετία σε δεκαετία ή σε πολύ μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες, όπως η Εποχή των Παγετώνων.

Το κλιματικό σύστημα μπορεί να επηρεάζεται τόσο από την εσωτερική μεταβλητότητα όσο και από εξωτερικούς μηχανισμούς, ο σημαντικότερος εκ των οποίων είναι ο Ήλιος. Αυτές οι εξωτερικές δυνάμεις μπορεί να είναι φυσικές, όπως διακυμάνσεις στην ηλιακή ένταση ή ηφαιστειακές εκρήξεις ή να προκαλούνται από ανθρώπινες δραστηριότητες. Η συσσώρευση των αερίων του θερμοκηπίου που παγιδεύει τη θερμότητα, που εκπέμπεται κυρίως από ανθρώπους που καίνε ορυκτά καύσιμα, προκαλεί την υπερθέρμανση του πλανήτη. Η ανθρώπινη δραστηριότητα απελευθερώνει επίσης ψυκτικά αερολύματα, αλλά η καθαρή τους επίδραση είναι πολύ μικρότερη από αυτή των αερίων του θερμοκηπίου."IPCC, 2013: Annex III: Glossary [Planton, S. (ed.)]". In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. Οι αλλαγές μπορούν να ενισχυθούν με διαδικασίες ανατροφοδότησης στα διάφορα στοιχεία του κλιματικού συστήματος.

 Συστατικά του κλιματικού συστήματος 
μικρογραφία|300x300εσ|Δορυφορική εικόνα των αλληλεπιδρώμενων συστατικών του κλιματικού συστήματος. Τέσσερις διαφορετικοί δορυφόροι συνέβαλαν στη δημιουργία αυτής της εικόνας (GOES 8 and 9, ΜΕΤΕΟSAT, GMS 5). Ο αισθητήρας Wide Field-of-view με θέα στη θάλασσα (SeaWiFS) παρείχε το στρώμα εικόνας εδάφους και είναι ένα πραγματικό σύνθετο χρώμα της βλάστησης της γης σε συνθήκες χωρίς σύννεφα από τις 18 Σεπτεμβρίου έως τις 3 Οκτωβρίου 1997. Κάθε κόκκινη κουκκίδα πάνω από τη Νότια Αμερική και την Αφρική αντιπροσωπεύει μια πυρκαγιά που ανιχνεύτηκε από το προηγμένο ραδιόμετρο υψηλής ανάλυσης. Το ωκεάνιο στρώμα αερολύματος βασίζεται σε δεδομένα της NOAA και προκαλείται από την καύση βιομάζας και σκόνης που μεταφέρεται απο τον άνεμο πάνω από την Αφρική. Το στρώμα από σύννεφα είναι ένα σύνολο υπέρυθρων εικόνων από τέσσερις γεωστατικούς δορυφόρους καιρού.
Τα συστατικά του κλιματικού συστήματος είναι τα εξής:

 Ατμόσφαιρα 
Η ατμόσφαιρα είναι το πιο ασταθές και ταχέως μεταβαλλόμενο μέρος του συστήματος. Η σύνθεσή της έχει αλλάξει με την εξέλιξη της Γης. Η ξηρή ατμόσφαιρα της Γης αποτελείται κυρίως από άζωτο (λόγος ανάμειξης όγκου N2, 78,1%), οξυγόνο (λόγος ανάμειξης όγκου O2, 20,9%) και αργό (λόγος ανάμειξης όγκου Ar, 0,93%). Αυτά τα αέρια έχουν περιορισμένη αλληλεπίδραση με την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία και δεν αλληλεπιδρούν με την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από τη Γη. Ωστόσο, υπάρχει ένας αριθμός ιχνοστοιχείων, όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), το μεθάνιο (CH4), το υποξείδιο του αζώτου (N2O) και το όζον (O3), τα οποία απορροφούν και εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία. Αυτά τα λεγόμενα αέρια του θερμοκηπίου, με συνολική αναλογία ανάμειξης όγκου σε ξηρό αέρα μικρότερο από 0,1% κατ' όγκο, παίζουν ουσιαστικό ρόλο στο ενεργειακό ισοζύγιο της Γης. Η ατμόσφαιρα περιέχει επίσης υδρατμούς (H2O), οι οποίοι είναι το ισχυρότερο αέριο του θερμοκηπίου. Εκτός από αυτά τα αέρια, η ατμόσφαιρα περιέχει επίσης στερεά και υγρά σωματίδια (αερολύματα) και σύννεφα, τα οποία αλληλεπιδρούν με την εισερχόμενη και εξερχόμενη ακτινοβολία με πολύπλοκο και χωρικά ευμετάβλητο τρόπο.

 Υδρόσφαιρα 
Η υδρόσφαιρα είναι το συστατικό που περιλαμβάνει όλα τα υγρά επιφανειακά και υπόγεια νερά, τόσο γλυκό νερό, όπως ποτάμια, λίμνες και υδροφορείς, όσο και αλμυρό νερό των ωκεανών και των θαλασσών. Οι ωκεανοί καλύπτουν περίπου το 70% της επιφάνειας της Γης. Αποθηκεύουν και μεταφέρουν μεγάλη ποσότητα ενέργειας και διαλύουν και αποθηκεύουν μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα. Η κυκλοφορία τους, που καθοδηγείται από τον άνεμο και από τις αντιθέσεις πυκνότητας που προκαλούνται από την αλατότητα και τις θερμικές βαθμίδες (η λεγόμενη θερμάλινη κυκλοφορία), είναι πολύ πιο αργή από την ατμοσφαιρική κυκλοφορία. Κυρίως λόγω της μεγάλης θερμικής αδράνειας, μειώνουν τις τεράστιες και ισχυρές μεταβολές της θερμοκρασίας και λειτουργούν ως ρυθμιστές του κλίματος της Γης και ως πηγή φυσικής κλιματικής μεταβλητότητας.

 Κρυόσφαιρα 
Η κρυόσφαιρα περιλαμβάνει τους παγετώνες της Γροιλανδίας και της Ανταρκτικής, τους ηπειρωτικούς παγετώνες, τους θαλάσσιους πάγους και το μόνιμα παγωμένα έδαφη (permafrost). Η κρυόσφαιρα είναι σημαντική για το κλιματικό σύστημα για λόγους υψηλής ανακλαστικότητας (albedo) της ηλιακής ακτινοβολίας, χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας, μεγάλης θερμικής αδράνειας και, ιδιαίτερα, για τον κρίσιμο ρόλο της στην προώθηση της κυκλοφορίας των υδάτων βαθέων ωκεανών. Επειδή τα φύλλα πάγου αποθηκεύουν μεγάλη ποσότητα νερού, οι μεταβολές στον όγκο τους αποτελούν πιθανή πηγή μεταβολών στη στάθμη της θάλασσας.

 Λιθόσφαιρα 
Η βλάστηση και τα έδαφος στην επιφάνεια της Γης συμβάλλουν ώστε η ενέργεια που λαμβάνεται από τον Ήλιο να επιστρέφει στην ατμόσφαιρα. Ορισμένη ενέργεια επιστρέφει ως ακτινοβολία μεγάλου κύματος (υπέρυθρη), θερμαίνοντας την ατμόσφαιρα και μαζί και την επιφάνεια του εδάφους. Ένα άλλο μέρος χρησιμεύει για την εξάτμιση του νερού, το οποίο βρίσκεται στο έδαφος και στα φύλλα των φυτών. Η εξάτμιση της υγρασίας του εδάφους επηρεάζει σημαντικά και τη θερμοκρασία της επιφάνειας επειδή απαιτεί ενέργεια. Τέλος, η υφή της επιφάνειας του εδάφους (η τραχύτητά της), η οποία καθορίζεται τόσο από την τοπογραφία όσο και από τη βλάστηση, παίζει ρόλο στην αλληλεπίδραση με την ατμόσφαιρα. Επειδή φυσούν άνεμοι στην επαφάνειά της, μεταφέρεται σκόνη στην ατμόσφαιρα, η οποία αλληλεπιδρά με την ατμοσφαιρική ακτινοβολία.

 Βιόσφαιρα 
Η θαλάσσια και χερσαία βιόσφαιρα έχει σημαντικό αντίκτυπο στη σύνθεση της ατμόσφαιρας. Η χλωρίδα και η πανίδα επηρεάζουν την πρόσληψη και την απελευθέρωση αερίων του θερμοκηπίου. Μέσω της φωτοσυνθετικής διαδικασίας, τόσο τα θαλάσσια όσο και τα χερσαία φυτά (ειδικά τα δάση) αποθηκεύουν σημαντικές ποσότητες άνθρακα από διοξείδιο του άνθρακα. Έτσι, η βιόσφαιρα παίζει κεντρικό ρόλο στον κύκλο του άνθρακα, καθώς και στους κύκλους πολλών άλλων αερίων, όπως το μεθάνιο και το διοξείδιο του αζώτου. Άλλες εκπομπές της βιόσφαιρας είναι οι λεγόμενες πτητικές οργανικές ενώσεις (VOC) που μπορεί να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην ατμοσφαιρική χημεία, στον σχηματισμό αερολυμάτων και συνεπώς στο διαμόρφωση του κλίματος. Επειδή η αποθήκευση άνθρακα και η ανταλλαγή ιχνοστοιχείων επηρεάζονται από το κλίμα, μπορεί να προκύψουν ανατροφοδοτήσεις μεταξύ της κλιματικής αλλαγής και των ατμοσφαιρικών συγκεντρώσεων ιχνοστοιχείων. Η επίδραση του κλίματος στη βιόσφαιρα συντηρείται σε μορφή απολιθωμάτων, δακτύλων δέντρων, γύρης και άλλων στοιχείων, έτσι ώστε πολλές από τις γνώσεις για τα κλίματα των παρελθόντων χρόνων να προέρχονται από τέτοιους βιοτικούς δείκτες.

 Ροή ενέργειας, νερού και στοιχείων 
αριστερά|μικρογραφία|300x300εσ|Η απεικόνιση από τη NASA της παγκόσμιας ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας της Γης, η οποία καθοδηγείται από την ενεργειακή ανισορροπία μεταξύ του ισημερινού και των πόλων. Επηρεάζεται περαιτέρω από την περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της.

 Ενέργεια και γενική κυκλοφορία 
Το κλιματικό σύστημα λαμβάνει ενέργεια από τον Ήλιο, και σε πολύ μικρότερο βαθμό από τον πυρήνα της Γης, καθώς και παλιρροιακή ενέργεια από τη Σελήνη. Η Γη εκπέμπει ενέργεια στο διάστημα σε δύο μορφές: αντανακλά άμεσα ένα μέρος της ακτινοβολίας του Ήλιου και εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία ως ακτινοβολία μέλανος σώματος. Η ισορροπία της εισερχόμενης και εξερχόμενης ενέργειας και η μετάβαση της ενέργειας μέσω του κλιματικού συστήματος, καθορίζει το ενεργειακό ισοζύγιο της Γης. Όταν το σύνολο της εισερχόμενης ενέργειας είναι μεγαλύτερο από την εξερχόμενη ενέργεια, το ενεργειακό ισοζύγιο της Γης είναι θετικό και το κλιματικό σύστημα θερμαίνεται. Εάν εξαντληθεί περισσότερη ενέργεια, το ενεργειακό ισοζύγιο είναι αρνητικό και η Γη αντιμετωπίζει ψύξη.Barry, Roger G.; Hall-McKim, Eileen A. (2014). Essentials of the Earth's Climate System. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-03725-0.

Περισσότερη ενέργεια φτάνει στις τροπικές από τις πολικές περιοχές και η επακόλουθη διαφορά θερμοκρασίας οδηγεί στην παγκόσμια κυκλοφορία της ατμόσφαιρας και των ωκεανών.Bridgman, Howard A.; Oliver, John. E. (2014). The Global Climate System: Patterns, Processes, and Teleconnections. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-66837-9. Ο αέρας ανεβαίνει όταν θερμαίνει, ρέει προς του πόλους και βυθίζεται ξανά όταν κρυώσει, επιστρέφοντας στον ισημερινό. Λόγω της διατήρησης της γωνιακής ορμής, η περιστροφή της Γης εκτρέπει τον αέρα προς τα δεξιά στο Βόρειο Ημισφαίριο και προς τα αριστερά στο Νότιο Ημισφαίριο, σχηματίζοντας έτσι ξεχωριστά ατμοσφαιρικά κύτταρα. Οι μουσώνες, οι εποχιακές αλλαγές στον άνεμο και οι βροχοπτώσεις που εμφανίζονται κυρίως στις τροπικές περιοχές, σχηματίζονται γιατί οι μάζες της γης θερμαίνονται πιο εύκολα από τον ωκεανό. Η διαφορά θερμοκρασίας προκαλεί διαφορά πίεσης μεταξύ γης και ωκεανού, οδηγώντας σε έναν σταθερό άνεμο.Gruza, George Vadimovich (2009). Environmental Structure And Function: Climate System - Volume I. EOLSS Publications. ISBN 978-1-84826-738-1.

Το νερό των ωκεανών που έχει περισσότερο αλάτι έχει μεγαλύτερη πυκνότητα και οι διαφορές στην πυκνότητα παίζουν σημαντικό ρόλο στην κυκλοφορία των ωκεανών. Η θερμόαλη κυκλοφορία μεταφέρει θερμότητα από τις τροπικές στις πολικές περιοχές. Η κυκλοφορία του ωκεανού καθοδηγείται περαιτέρω από την αλληλεπίδραση με τον άνεμο. Το συστατικό του άλατος επηρεάζει επίσης τη θερμοκρασία του σημείου πήξης. Κάθετες κινήσεις του νερού μπορούν να φέρουν πιο κρύο νερό στην επιφάνεια, το οποίο με τη σειρά του δροσίζει τον αέρα πάνω.Goosse, Hugues (2015). Climate System Dynamics and Modelling. New York: Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-08389-9.

 Υδρολογικός κύκλος 
μικρογραφία|584x584εσ|Βιογεωχημικοί κύκλοι.
Ο υδρολογικός κύκλος ή ο κύκλος του νερού είναι η συνεχής ανακύκλωση του νερού μεταξύ της επιφάνειας της Γης και της ατμόσφαιρας. Τα φυτά απελευθερώνουν νερό μέσω διαπνοής και το ηλιακό φως εξατμίζει νερό από τους ωκεανούς και άλλα υδάτινα σώματα, αφήνοντας πίσω αλάτι και άλλα μέταλλα. Το νερό που έχει εξατμιστεί επανέρχεται στην επιφάνεια της Γης μέσω βροχής.Brengtsson, L.; Bonnet, R.-M.; Calisto, M.; Destouni, G. (2014). The Earth's Hydrological Cycle. ISSI. ISBN 978-94-017-8788-8. Η βροχόπτωση και η εξάτμιση δεν κατανέμονται ομοιόμορφα σε ολόκληρο τον κόσμο, με ορισμένες περιοχές όπως οι τροπικές να έχουν περισσότερες βροχοπτώσεις από την εξάτμιση και άλλες να έχουν περισσότερη εξάτμιση από τις βροχοπτώσεις.Peixoto, José P. (1993). "Atmospheric energetics and the water cycle". In Raschke, Ehrhard; Jacob, Jacob (eds.). Energy and Water Cycles in the Climate System. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-642-76957-3. Η εξάτμιση του νερού απαιτεί σημαντικές ποσότητες ενέργειας, ενώ πολλή θερμότητα απελευθερώνεται κατά τη συμπύκνωση. Αυτή η λανθάνουσα θερμότητα είναι η κύρια πηγή ενέργειας στην ατμόσφαιρα.

 Βιοχημικοί κύκλοι 
Τα χημικά στοιχεία, ζωτικής σημασίας για τη ζωή, ανακυκλώνονται συνεχώς στα διάφορα συστατικά του κλιματικού συστήματος. Ο κύκλος του άνθρακα είναι άμεσα συνδεδεμένος με το κλίμα καθώς καθορίζει τις συγκεντρώσεις δύο σημαντικών αερίων θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα: του διοξειδίου του άνθρακα και του μεθανίου. Στο γρήγορο μέρος του κύκλου του άνθρακα, τα φυτά απορροφούν το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα μέσω της φωτοσύνθεσης, το οποίο εκπέμπεται αργότερα μέσω της αναπνοής των ζώντων οργανισμών.Möller, Detlev (2010). Chemistry of the Climate System. de Gruyter. ISBN 978-3-11-019791-4. Στο αργό μέρος του κύκλου του άνθρακα, τα ηφαίστεια απελευθερώνουν CO2 από τον φλοιό και τον μανδύα της Γης στην ατμόσφαιρα, το οποίο κάνει τη βροχή λίγο όξινη. Αυτή η βροχή μπορεί αργά αλλά σταθερά να διαλύσει βράχους μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται διάβρωση. Τα ορυκτά που απελευθερώνονται με αυτόν τον τρόπο, μεταφέρονται στη θάλασσα και χρησιμοποιούνται από ζώντες οργανισμούς των οποίων τα υπολείμματα μπορούν να σχηματίσουν ιζηματογενή πετρώματα, φέρνοντας τον άνθρακα πίσω στη λιθόσφαιρα.

Ο κύκλος του αζώτου περιλαμβάνει τη συνεχή ροή του ενεργού αζώτου μέσα στο κλιματικό σύστημα. Καθώς το ατμοσφαιρικό άζωτο είναι αδρανές, οι μικροοργανισμοί πρέπει πρώτα να το μετατρέψουν σε δραστική ένωση αζώτου σε μια διαδικασία που ονομάζεται αζωτοδέσμευση (σταθεροποίηση του αζώτου), προτού χρησιμοποιηθεί ως δομικό στοιχείο στη βιόσφαιρα. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο τόσο στον κύκλο του άνθρακα όσο και στον κύκλο του αζώτου: η καύση των ορυκτών καυσίμων έχει μετατοπίσει τον άνθρακα από τη λιθόσφαιρα στην ατμόσφαιρα και η χρήση των λιπασμάτων έχει αυξήσει σημαντικά την ποσότητα του διαθέσιμου σταθερού αζώτου.

 Αλλαγές στο κλιματικό σύστημα 
Το κλίμα αλλάζει συνεχώς, σε χρονικά διαστήματα που κυμαίνονται από εποχές έως τη διάρκεια ζωής της Γης. Οι αλλαγές που προκαλούνται από τα συστατικά στοιχεία και τη δυναμική του συστήματος ονομάζονται εσωτερική κλιματική μεταβλητότητα. Το σύστημα μπορεί επίσης να αντιμετωπίσει εξωτερική κλιματική μεταβλητότητα (ή πίεση) από φαινόμενα εκτός του συστήματος (π.χ. αλλαγή στην τροχιά της Γης). Οι μεγαλύτερες αλλαγές, που συνήθως ορίζονται ως αλλαγές που διατηρούνται για τουλάχιστον 30 χρόνια, αναφέρονται ως κλιματικές αλλαγές, αν και αυτή η φράση χρησιμοποιείται συνήθως για την τρέχουσα παγκόσμια κλιματική αλλαγή. Όταν το κλίμα αλλάζει, οι επιδράσεις μπορεί να διαδέχονται η μία την άλλη, περνώντας από διάφορα μέρη του συστήματος σε μια σειρά από κλιματικές ανατροφοδοτήσεις (π.χ. αλλαγές albedo), προκαλώντας πολλά διαφορετικά αποτελέσματα (π.χ. αύξηση της στάθμης της θάλασσας).

 Εσωτερική μεταβλητότητα 
αριστερά|μικρογραφία|300x300εσ|Η εικόνα δείχνει τρία παραδείγματα εσωτερικής κλιματικής μεταβλητότητας μεταξύ 1950 και 2012: Tη Νότια Ταλάντωση El Niño (ENSO), την Αρκτική Ταλάντωση (ΑΟ) και την Ταλάντωση του Βόρειου Ατλαντικού (ΝΑΟ). Η ENSO είναι ένα επαναλαμβανόμενο κλίμα που περιλαμβάνει αλλαγές στη θερμοκρασία των υδάτων στον κεντρικό και ανατολικό τροπικό Ειρηνικό Ωκεανό. Η ΑΟ αναφέρεται σε ένα μοτίβο ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας στα μεσαία έως υψηλά γεωγραφικά πλάτη του Βόρειου Ημισφαιρίου. Η NAO είναι ένα εξέχον πρότυπο της μεταβλητότητας του κλίματος που έχει ισχυρή επίδραση στον καιρό της βορειοανατολικής Αμερικής, της Γροιλανδίας και της Ευρώπης.
Τα συστατικά του κλιματικού συστήματος μεταβάλλονται συνεχώς, ακόμη και χωρίς εξωτερικές πιέσεις (εξωτερική μεταβλητότητα). Ένα παράδειγμα στην ατμόσφαιρα είναι η ταλάντωση του Βόρειου Ατλαντικού (NAO), η οποία λειτουργεί ως το πριόνι της ατμοσφαιρικής πίεσης. Οι πορτογαλικές Αζόρες έχουν συνήθως υψηλή πίεση, ενώ συχνά υπάρχει χαμηλότερη πίεση στην Ισλανδία. Η διαφορά στην πίεση κυμαίνεται και αυτό επηρεάζει τα καιρικά φαινόμενα σε όλη την περιοχή του Βόρειου Ατλαντικού έως την Κεντρική Ευρασία. Για παράδειγμα, ο καιρός στη Γροιλανδία και στον Καναδά είναι κρύος και ξηρός κατά τη διάρκεια ενός θετικού NAO. Διαφορετικές φάσεις της ταλάντωσης του Βόρειου Ατλαντικού μπορούν να διατηρηθούν για πολλές δεκαετίες.

Ο ωκεανός και η ατμόσφαιρα μπορούν επίσης να συνεργαστούν για να δημιουργήσουν αυθόρμητα εσωτερική μεταβλητότητα του κλίματος που μπορεί να παραμείνει για χρόνια έως δεκαετίες κάθε φορά. Παραδείγματα αυτού του τύπου μεταβλητότητας περιλαμβάνουν η Νότια Ταλάντωση El Niño, η Δεκαετής Ταλάντωση του Ειρηνικού και η Πολυδεκαετής Ταλάντωση του Ατλαντικού. Αυτές οι διακυμάνσεις μπορούν να επηρεάσουν την παγκόσμια μέση θερμοκρασία της επιφάνειας αναδιανέμοντας τη θερμότητα μεταξύ του βαθέος ωκεανού και της ατμόσφαιρας, αλλά επίσης ν' αλλάξουν και την κατανομή των σύννεφων, υδρατμών ή θαλάσσιου πάγου, τα οποία μπορούν να επηρεάσουν το συνολικό ενεργειακό ισοζύγιο της Γης.

Οι ωκεάνιες πτυχές αυτών των ταλαντώσεων μπορούν να προκαλέσουν μεταβλητότητα σε εκατονταετή χρονική κλίμακα, λόγω του ότι ο ωκεανός έχει εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη μάζα από την ατμόσφαιρα και συνεπώς πολύ υψηλή θερμική αδράνεια. Για παράδειγμα, οι μεταβολές στις διαδικασίες των ωκεανών, όπως η θερμόαλη κυκλοφορία διαδραματίζουν βασικό ρόλο στην ανακατανομή της θερμότητας στους ωκεανούς του κόσμου. Η κατανόηση της εσωτερικής μεταβλητότητας βοηθά τους επιστήμονες να κατανοήσουν τους μηχανισμούς της πρόσφατης κλιματικής αλλαγής στα αέρια του θερμοκηπίου.

 Εξωτερική μεταβλητότητα 
Σε μεγάλα χρονικά διαστήματα, το κλίμα καθορίζεται κυρίως από το πόση ενέργεια υπάρχει στο σύστημα και πού πηγαίνει. Όταν αλλάζει το ενεργειακό ισοζύγιο της Γης, ακολουθεί η κλιματική αλλαγή. Μια αλλαγή στο ενεργειακό ισοζύγιο ονομάζεται εξαναγκασμός και όταν η αλλαγή προκαλείται από εξωτερικό μηχανισμό εκτός των πέντε συστατικών του κλιματικού συστήματος, ονομάζεται εξωτερική μεταβλητότητα. Τα ηφαίστεια, για παράδειγμα, προκύπτουν από βαθιές διεργασίες εντός της γης που δεν θεωρούνται μέρος του κλιματικού συστήματος. Οι αλλαγές εκτός πλανήτη, όπως η ηλιακή διακύμανση και οι εισερχόμενοι αστεροειδείς, είναι επίσης «εξωτερικοί» παράγοντες σε σχέση με τα πέντε συστατικά του κλιματικού συστήματος, όπως επίσης και οι ανθρώπινες ενέργειες.

 Εισερχόμενο φως του ήλιου 
μικρογραφία|300x300εσ|Kύκλοι Μιλάνκοβιτς.
Ο Ήλιος είναι η κυρίαρχη πηγή ενέργειας της Γη και οδηγεί στην ατμοσφαιρική κυκλοφορία. Η ποσότητα ενέργειας που προέρχεται από τον Ήλιο ποικίλλει σε βραχυπρόθεσμα χρονικά διαστήματα, συμπεριλαμβανομένου του 11ετούς ηλιακού κύκλου, και σε μακροπρόθεσμα χρονικά διαστήματα. Ενώ ο ηλιακός κύκλος είναι πολύ μικρός για να ζεστάνει και να δροσίσει άμεσα την επιφάνεια της Γης, επηρεάζει άμεσα ένα υψηλότερο στρώμα της ατμόσφαιρας, τη στρατόσφαιρα, η οποία μπορεί να επηρεάσει την ατμόσφαιρα κοντά στην επιφάνεια.Roy, Idrani (2018). Climate Variability and Sunspot Activity: Analysis of the Solar Influence on Climate. Springer. ISBN 978-3-319-77106-9.

Μικρές μεταβολές στην κίνηση της Γης μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες αλλαγές στην εποχιακή κατανομή του ηλιακού φωτός που φτάνει στην επιφάνεια της Γης και στον τρόπο με τον οποίο με τον οποίο κατανέμεται σε ολόκληρο τον κόσμο. Οι τρεις τύποι της κινηματικής αλλαγής είναι οι παραλλαγές στην τροχιακή εκκεντρότητα της Γης (eccentricity), οι αλλαγές στην αξονική κλίση της Γης (axial tilt) και η μετάπτωση του άξονα περιστροφής της Γης (precession). Μαζί παράγουν τους κύκλους Μιλάνκοβιτς, οι οποίοι επηρεάζουν το κλίμα και είναι αξιοσημείωτοι για τη συσχέτιση τους με τις παγετώδεις και τις διακλαδικές περιόδους.

 Αέρια του θερμοκηπίου 
Τα αέρια του θερμοκηπίου παγιδεύουν τη θερμότητα στο κάτω μέρος της ατμόσφαιρας μέσω της απορρόφησης της ακτινοβολίας μακρών κυμάτων. Στο παρελθόν, πολλές διαδικασίες συνέβαλαν σε διακυμάνσεις στις συγκεντρώσεις των αερίων του θερμοκηπίου. Επί του παρόντος, οι εκπομπές που προκαλούνται από τον άνθρωπο είναι η βασική αιτία των αυξανόμενων συγκεντρώσεων ορισμένων αερίων του θερμοκηπίου, όπως το CO2, το μεθάνιο και το Ν2O. Το κυρίαρχο αέριο που προκαλεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι οι υδρατμοί (~ 50%), με τα σύννεφα (~ 25%) και το CO2 (~ 20%) να παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο. Όταν οι συγκεντρώσεις των αερίων του θερμοκηπίου όπως το CO2 αυξάνονται και αυξάνεται και η θερμοκρασία, τότε αυξάνεται και η ποσότητα των υδρατμών, έτσι ώστε οι υδρατμοί και τα σύννεφα να μη θεωρούνται πια ως εξωτερικές πιέσεις, αλλά ως ανατροφοδοτήσεις.

 Αερολύματα και ηφαιστειακή δραστηριότητα 
μικρογραφία|300x300εσ|Αερολύματα που εκλύονται από μεγάλες ηφαιστειακές εκρήξεις (El Chichón και Pinatubo). Το El Niño είναι ένα ξεχωριστό γεγονός, το προκύπτει από τη εσωτερική μεταβλητότητα των ωκεανών.
μικρογραφία|300x300εσ|Αναπαράσταση της άμεσης και της έμμεσης επίδρασης των αερολυμάτων στο ενεργειακό ισοζύγιο της Γης.
Τα υγρά και στερεά σωματίδια στην ατμόσφαιρα, τα οποία ονομάζονται αερολύματα, έχουν διαφορετικές επιδράσεις στο κλίμα. Ορισμένα κυρίως αντανακλούν το φως του ήλιου και έτσι ψύχουν τον πλανήτη, ενώ άλλα απορροφούν το φως του ήλιου και θερμαίνουν την ατμόσφαιρα. Οι έμμεσες επιπτώσεις περιλαμβάνουν το γεγονός ότι τα αερολύματα μπορούν να δράσουν ως πυρήνες συμπύκνωσης νέφους, προκαλώντας το σχηματισμό του.Lohmann, U.; Feichter, J. (2005). "Global indirect aerosol effects: a review" (PDF). Atmospheric Chemistry and Physics. 5 (3): 715–737. doi:10.5194/acp-5-715-2005. Οι φυσικές πηγές αερολυμάτων περιλαμβάνουν τα θαλάσσια σωματίδια που προκαλούνται από το χρύπημα των κυμάτων, τα μεταλλικά εναιωρήματα των ορυκτών και τα ηφαίστεια, αλλά και από τις ανθρώπινες δραστηριότητες από την καύση των ορυκτών καυσίμων. Τα αερολύματα αντισταθμίζουν ένα μέρος των θερμαντικών επιπτώσεων των εκπεμπόμενων αερίων του θερμοκηπίου, αλλά μόνο μέχρι να πέσουν πίσω στην επιφάνεια μετά από κάποια χρόνια.

Παρόλο που τα ηφαίστεια είναι στην πραγματικότητα μέρος της λιθόσφαιρας, η οποία από μόνη της είναι μέρος του κλιματικού συστήματος, ο ηφαιστειακός χαρακτήρας ορίζεται ως εξωτερικός παράγοντας. Κατά μέσο όρο, υπάρχουν μόνο αρκετές ηφαιστειακές εκρήξεις ανά αιώνα που επηρεάζουν το κλίμα της Γης για περισσότερο από ένα χρόνο, εκτοξεύοντας τόνους SO2 στη στρατόσφαιρα. Το διοξείδιο του θείου μετατρέπεται χημικά σε αερολύματα που προκαλούν ψύξη εμποδίζοντας μέρος του ηλιακού φωτός να φτάσει στην επιφάνεια της Γης. Από την άλλη πλευρά, οι μικρές εκρήξεις επηρεάζουν την ατμόσφαιρα μόνο ελάχιστα.

 Αλλαγή στη χρήση γης 
Η αποψίλωση των δασών ή άλλες αλλαγές στη χρήση της γης από τον άνθρωπο μπορούν να επηρεάσουν το κλίμα. Κι αυτό γιατί η ανακλαστικότητα της περιοχής αλλάζει με το να συλλαμβάνεται περισσότερο ή λιγότερο ηλιακό φως. Επιπλέον, η βλάστηση αλληλεπιδρά με τον υδρολογικό κύκλο, έτσι ώστε η βροχόπτωση να επηρεάζεται. Τέλος, οι τοπικές πυρκαγιές απελευθερώνουν αέρια του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα και άνθρακα, ο οποίος προκάλει ευκολότερη τήξη.

 Ανατροφοδοτήσεις 
Τα διαφορετικά στοιχεία του κλιματικού συστήματος αποκαθιστούν την ισορροπία από τις εξωτερικές πιέσεις με διαφορετική ταχύτητα. Η ατμόσφαιρα αποκρίνεται συνήθως μέσα σε λίγες ώρες έως εβδομάδες, ενώ ο βαθύς ωκεανός και τα φύλλα πάγου χρειάζονται αιώνες έως χιλιετίες για να φτάσουν σε μια νέα ισορροπία.Ruddiman, William F. (2001). Earth's Climate: Past and Future. W. H. Freeman and Company. ISBN 0-7167-3741-8.

Η αρχική απόκριση ενός συστατικού σε μια εξωτερική πίεση μπορεί να μετριαστεί από την αρνητική ανατροφοδότηση και να ενισχυθεί από τη θετική ανατροφοδότηση. Για παράδειγμα, μια σημαντική μείωση της ηλιακής έντασης θα οδηγούσε γρήγορα στη μείωση της θερμοκρασίας της Γης, η οποία θα επέτρεπε στη συνέχεια την επέκταση του πάγου και του χιονιού. Το επιπλέον χιόνι και ο πάγος επειδή έχουν υψηλότερο Albedo ή ανακλαστικότητα, θα αντανακλούσαν περισσότερη ακτινοβολία του Ήλιου πίσω στο διάστημα προτού απορροφηθεί από το κλιματικό σύστημα στο σύνολό της. Αυτό με τη σειρά του θα ανάγκαζε τη Γη να κρυώσει ακόμα περισσότερο.

 Παραπομπές 

Κατηγορία:Γεωεπιστήμες
Κατηγορία:Κλιματολογία
Κατηγορία:Κλιματική αλλαγή