Dabar populiaru
15min be reklamos
Publikuota: 2021 gegužės 11d. 07:39

Kaip mokslininkai perskaito klimato istoriją ir kaip kuriami klimato modeliai?

Beveik kasdien girdime bauginamų naujienų apie klimatą: stiprėjančios audros, potvyniai, sausros, beprecedentė kaitra, miškų gaisrai ir kitokios negandos alina pasaulį. Žmonių sukelta klimato kaita neretai vadinama didžiausia grėsme žmonijai per artimiausią šimtmetį, juolab kad pastaruosius 11 tūkstančių metų vidutinė Žemės paviršiaus temperatūra nekilo taip sparčiai, kaip dabar.

Tačiau kaip žinome, kokia temperatūra ir klimato sąlygos apskritai buvo praeityje? Termometras išrastas tik XVII amžiuje, o nuolat matuoti temperatūrą daugelyje pasaulio vietų pradėta tik XVIII amžiaus pabaigoje.

Lietuvoje temperatūra sekama nuo 1770-ųjų.

Pavyzdžiui, Lietuvoje temperatūra sekama nuo 1770-ųjų, Vilniaus universiteto astronomijos observatorijoje prof. M. Počobuto iniciatyva pradėjus pirmuosius instrumentinius meteorologinius stebėjimus. Įdomu, kad ši nenutrūkstamų meteorologinių stebėjimų seka – viena ilgiausių Europoje. Tačiau didžiojoje pasaulio dalyje temperatūrą stebėti pradėta tik XIX amžiaus viduryje. Per šį laikotarpį temperatūra tikrai pakilo. Tačiau kaip suprasti, ar tai pavojingas pokytis? Atsakymas aiškus: reikia ištirti Žemės klimato istoriją.

Būtent tokius tyrimus atlieka mokslo šaka, vadinama paleoklimatologija. Ja užsiimantys mokslininkai gali nustatyti, kuo skiriasi šiandienės Žemės paviršiaus sąlygos nuo tų laikų, kai temperatūra buvo daug aukštesnė ar žemesnė už dabartinę. Klimato istorijos nustatymo metodų yra ne vienas, kaip ir mokslų, kurie paleoklimatologijoje susipina. Tai geologija ir paleobotanika, taip pat astronomija, atmosferos fizika, meteorologija ir geofizika.

Duomenų apie skirtingus laikotarpius suteikia medžių, koralų, ledynų, nuosėdų ar nuosėdinių uolienų tyrimai. Visi šie objektai savyje koduoja informaciją apie aplinkos sąlygas ir kasmečius jų pokyčius. Mokėdami šią informaciją perskaityti, galime susidaryti įspūdį apie Žemės klimatą per daugiau nei milijono metų laikotarpį.

Medžiai ir koralai

Kiekvienas gyvas medis kasmet auga. Ne tik į aukštį, bet ir į plotį – storėja jo šakos ir kamienas. Jo dydžio pokytis priklauso nuo temperatūros, gaunamos saulės šviesos ir drėgmės. Visa tai ir dar kelios kitos aplinkos ypatybės atsispindi medžio rievėse, kurias galima pamatyti skersai perskrodus kamieną arba išpjovus iš jo cilindrinį mėginį.

Medžio rievėse įspaustas augimo sąlygas dar XV amžiuje aprašė Leonardas da Vinčis. Tiesa, rimčiau jas tyrinėti mokslininkai pradėjo tik XVIII amžiuje. Netrukus išsiaiškinti ir pagrindiniai principai: šaltos žiemos sukuria tamsesnes rieves, šiltos vasaros – šviesesnes. Kuo augimo sąlygos geresnės, tuo rievė platesnė. Žinoma, kiekvienas medis auga savaip. Tačiau kelių skirtingų to paties regiono medžių analizė leidžia gana patikimai nustatyti vidutines augimo sąlygas. Palyginus gyvų medžių mėginius su kadaise nukirstaisiais, galima sutapatinti jų rieves ir sudaryti sekas, siekiančias kelerių, o kartais net ir dešimties tūkstančių metų praeitį.

Medžių rievės nėra tobuli klimato sąlygų indikatoriai. Temperatūra, drėgmė, šviesa, netgi medžio rūšis – tik dalis veiksnių, galinčių įnešti savitų paklaidų, tad aiškesnį vaizdą susidaryti nėra taip paprasta. Visgi tą padaryti įmanoma. Visų pirma, rekomenduojama tinkamai parinkti medžius, iš kurių imami mėginiai – geriausia tirti medžius, augančius savo ruožo pakraštyje, nes jie labiausiai reaguoja į klimato pokyčius. Taip pat svarbu analizuoti ne tik rievių plotį, bet ir kitas ypatybes, pavyzdžiui, kuo vasara šiltesnė, tuo tankesnė mediena užauga rudenį.

Kartais medžiuose atsispindi ir kitokie svarbūs įvykiai. Tarkim, jei medis išgyveno gaisrą, jo rievėse bus apdegimo požymių – tai leidžia datuoti senovinius miškų gaisrus. Kai kurių cheminių elementų izotopų skirtumai nurodo, kada medžio aplinkoje buvo vulkaninių pelenų, nes juose izotopų santykis skiriasi nuo įprastos dirvos.

Medžiai padeda klimato istoriją tyrinėti sausumoje, o koralai pagelbėja atliekant tyrimus vandenynuose.

Medžiai padeda klimato istoriją tyrinėti sausumoje, o koralai pagelbėja atliekant tyrimus vandenynuose. Koralai susideda iš daugybės polipų – mažyčių gyvūnėlių, kurie maitindamiesi nuolat augina į kaulą panašius darinius, formuojančius koralo struktūrą. Šis koralo skeletas pasižymi panašiomis rievėmis kaip ir medžiai, nes jo augimas priklauso nuo įvairiausių vandenyno ypatybių. Tyrinėdami koralus, mokslininkai gali apskaičiuoti vandens temperatūros, druskingumo, rūgštingumo ir net banguotumo istoriją.

Juliaus Kalinsko / 15min nuotr./Glitiškių ąžuolas
Juliaus Kalinsko / 15min nuotr./Glitiškių ąžuolas

Ledo kernai

Ne tik gyvi organizmai auga priklausomi nuo aplinkos sąlygų. Panašiu principu storėja ir ledynai: kasmet ant jų pasninga, vėliau sniegas suspaudžiamas į vis standesnį sluoksnį ir pagaliau virsta ledu. Išgręžus ir išėmus cilindrinį ledo mėginį, vadinamą kernu, įmanoma išvysti netgi tuos sluoksnius, kurie žymi atskirus metus. Net jei sluoksnių ir nematyti, įvairiame gylyje aptinkamas skirtingu metu susiformavęs ledas, o jo amžių nustatyti – įmanoma.

Ledo kernai, pirmą kartą sėkmingai išgręžti 1956 metais, naudingi dėl įvairių priežasčių. Visų pirma, paties ledo ypatybės šiek tiek priklauso nuo temperatūros. Ledą sudarančios vandens molekulės – dviejų vandenilio ir vieno deguonies atomo junginiai. Deguonis turi kelis izotopus. Dažniausiai pasitaikantis deguonis-16 (aštuoni protonai ir aštuoni neutronai branduolyje) yra lengvesnis už deguonį-18 (aštuoni protonai ir dešimt neutronų), todėl vanduo su deguonies-16 atomu garuoja ir kondensuojasi esant žemesnei temperatūrai.

Vadinasi, kuo vidutinė temperatūra žemesnė, tuo krituliuose santykinai mažiau deguonies-18, ir atvirkščiai. Išmatavę šį santykį, mokslininkai gali apytikriai nustatyti praeities temperatūrą. Jei lede išryškėja sluoksniai, susidarantys nevienodai nuslūgus sniegui, galima įvertinti ir kritulių kiekį: kuo daugiau kritulių, tuo storesnis sniego patalas, taigi storesnis ir ledo sluoksnis.

Antras naudingas aspektas – sniege būna oro tarpų, ir jie lede pavirsta oro burbuliukais. Pastarieji leidžia išmatuoti tuometės atmosferos sudėtį. Aišku, reikia nepamiršti, kad kai kurios dujos ištirpsta vandenyje, tad burbuliuke aptinkama jų gausa nebūtinai atitinka tuometę atmosferą. Vis dėlto šiuos skirtumus galima kompensuoti. Išsiaiškinę atmosferos sudėties ir temperatūros kitimą laiko tėkmėje, mokslininkai gali ieškoti priežastinio ryšio, pavyzdžiui, ar anglies dioksido padidėjimas pakelia vidutinę temperatūrą, ir panašiai.

Lede pasitaiko ir kitokių priemaišų. Pavyzdžiui, žiedadulkės leidžia suprasti, kokie augalai vešėjo atitinkamu metu. Sekdami jų kiekio pokyčius laike, mokslininkai nustato ir augalų kiekio pokyčius. Taip galima daryti ir daugiau išvadų – augalų kiekis ir įvairovė suteikia žinių apie klimato sąlygas.

Žinoma, šių duomenų interpretacija sudėtingesnė nei ledo ar oro. Kita priemaiša – vulkaniniai pelenai – leidžia nustatyti, kada vyko dideli ugnikalnių išsiveržimai ir padeda sukalibruoti ledo mėginių datas susiejant skirtingus mėginius tiek tarpusavyje, tiek su kitais laiko tėkmės indikatoriais.

Seniausią šiuo metu egzistuojantį ir ledo mėginiu paremtą praeities klimato tyrimą atliko jungtinė Europos šalių mokslininkų komanda.

Išgręžę daugiau nei trijų kilometrų gylio ledo kerną Antarktidoje, pačioje apačioje, jie atrado ledą, susiformavusį prieš 800 tūkstančių metų.

Išgręžę daugiau nei trijų kilometrų gylio ledo kerną Antarktidoje, pačioje apačioje, jie atrado ledą, susiformavusį prieš 800 tūkstančių metų. Nuo tada Žemę ištiko aštuoni ledynmečiai ir juos keitę atšilimai – šios istorijos pėdsakai regimi ir šiame mėginyje. Bet ir tai – ne riba. Šiuo metu planuojama išgręžti ir gilesnį kerną, kuriame būtų užfiksuota pastarųjų pusantro milijono metų istorija.

Nuosėdos

O kas, jeigu ledynai ištirpę? Tuomet klimato istoriją galima atsekti nagrinėjant ežerų dugne nugulusias nuosėdas. Gyvieji organizmai paklūsta cikliškiems procesams, sluoksnis po sluoksnio paliekantiems savąsias žymes organinių atliekų pavidalu. Principas panašus į medžių rievių tyrimus – storesni sluoksniai reiškia tinkamesnes gyvybei sąlygas. Vadinasi, daugiau mikroorganizmų ir spartesnė jų medžiagų apykaita palieka daugiau nuosėdų.

Nuosėdose galima aptikti ir augalų liekanų, o šios padeda įvertinti klimato sąlygas. Galima nustatyti, kada ežeras atsirado ir kaip keitėsi aplinkinė augmenija – žiedadulkės ir kitos augalų liekanos nuosėdose išlieka panašiai, kaip ir ledo sluoksniuose. Kiekviena augalų rūšis auga tik esant tam tikroms aplinkos sąlygoms – temperatūrai, drėgmei ir kitiems parametrams. Apdoroję įvairių rūšių duomenis, mokslininkai gali gana patikimai nustatyti praeities temperatūros pokyčius.

Praeities klimatą ištirti padeda ir cheminių elementų gausos analizė. Jei vandens telkinyje kadaise gyveno kriaukles auginantys organizmai, jose galima ieškoti temperatūros paliktų pėdsakų. Dažniausiai kriaukles sudaro kalcito arba aragonito mineralai, tačiau kartais pasitaiko šiek tiek magnio priemaišų. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo magnio daugiau. Taigi šių elementų gausos santykis taip pat padeda aptikti šiltesnius ir šaltesnius periodus.

Būtent nuosėdų tyrimai padeda išsiaiškinti ir pastarųjų dešimties tūkstančių metų Lietuvos klimato istoriją.

Būtent nuosėdų tyrimai padeda išsiaiškinti ir pastarųjų dešimties tūkstančių metų Lietuvos klimato istoriją – tada, kai nuslinko kadaise šalį dengę ledynai. Iš platesnių visą Europą ar pasaulį apimančių klimato tyrimų žinome, kad per pastaruosius 1,6 milijono metų Lietuvą ledynai buvo užkloję šešis kartus. Paskutinis, vadinamas Nemuno ledynmečiu, Lietuvą uždengė kiek daugiau nei prieš 20 tūkstančių metų. Jis pradėjo slinkti prieš 16⎯18 tūkstančių metų, ir klimatas Lietuvoje po truputį šiltėjo. To laikmečio ežerų nuosėdų sluoksniuose randama arktinių augalų liekanų. Vėliau per dar kelis tūkstančius metų klimatas šilo toliau, į Lietuvos teritoriją atkeliavo geriau pažįstami augalai ir gyvūnai. Šį bendrą Lietuvos klimato istorijos vaizdą nuolat papildo tyrimai, atliekami Lietuvos hidrometeorologijos tarnyboje, VU Geomokslų institute ir kitose institucijose.

Visa tai, ką aptarėme, bendrai vadinama pakaitiniais rodikliais. Paimti atskirai nė vienas jų – nei žiedadulkės, nei cheminiai elementai, nei izotopų duomenys, nei kiti parametrai – negali suteikti labai tikslios informacijos apie praeities klimatą. Svarbu įsidėmėti, kad kiekvienas rodiklis priklauso nuo įvairių aplinkos parametrų. Tad norint susidaryti visavertį vaizdą, reikia pasitelkti kuo daugiau rodiklių.

Luko Balandžio / 15min nuotr./Žalieji ežerai
Luko Balandžio / 15min nuotr./Žalieji ežerai

Klimato modeliai

Istoriniai ir priešistoriniai klimato pokyčiai padeda suprasti, kaip vystėsi Žemės paviršius ir kaip jame plito įvairios gyvybės rūšys. Tačiau ne ką mažiau svarbu numatyti, kaip klimatas keisis ateityje. Būtent tam reikalingi klimato modeliai. Praeities klimato pokyčiai gali būti naudojami norint patikrinti šiuos modelius ir juos patobulinti, kad prognozės taptų patikimesnės.

Klimato modelis įprastai paremtas matematinėmis lygtimis ⎯ jomis aprašomi veiksniai, lemiantys sistemos pokyčius. Veiksnių gali būti labai daug: nuo astronominių, tokių kaip Saulės šviesio ar Žemės orbitos pokyčiai, iki geologinių, kaip šiluma iš Žemės gelmių, ir žmogiškųjų – pramonės ar transporto išmetamųjų dujų poveikis atmosferai. Be to, veiksniai dažnai siejasi tarpusavyje, egzistuoja įvairūs grįžtamieji ryšiai: vieno reiškinio pokytis atsiliepia kitam, todėl suminis efektas klimatui gali būti stipresnis arba silpnesnis nei abiejų reiškinių atskirai.

Pirmieji klimato modeliai imti taikyti XX amžiaus antroje pusėje. Jie buvo arba labai grubūs, arba labai trumpalaikiai. Tačiau jų pagrindu ilgainiui išsivystė ir šiandienis orų prognozavimas, ir ilgalaikiai klimato kaitos modeliai.

Šiandieniai klimato modeliai aprėpia spinduliuotės judėjimą Žemės atmosferoje ⎯ čia galima prisiminti, kad fizikine prasme klimato sistema gali būti suprantama kaip šiluminis variklis, galintis radiacijos šilumą paversti mechanine energija. Be to, klimato modeliams svarbu anglies dioksido ir kitų reikšmingų dujų apykaitos ciklai, vandens apytakos ratas, augmenijos poveikis atmosferai ir dirvožemiui, žmonių veiklos poveikis ir daugybė kitų efektų. Paprastai visi efektai skaičiuojami padalijus Žemės paviršių į maždaug šimto kilometrų dydžio kvadratus. Tuomet vertikalia kryptimi sekami dešimtys atmosferos sluoksnių, o visi šie skaičiavimo elementai tarpusavyje susiejami.

Atidaus dėmesio vertas ir lietuvių mokslininkų indėlis į klimato modelių kūrimą: keli iš 12 autorių kolektyvo iš Lietuvos kilę mokslininkai – dr. Jurgita Ovadnevaitė ir Vilniaus universiteto absolventas Darius Čeburnis ⎯ įvykdė itin svarbų tyrimą apie debesis ir kaip jie formuojasi.

Debesys, kuriuos matome danguje, nesusidaro vien iš vandens garų.

Kaip interviu teigia D. Čeburnis, „debesys, kuriuos matome danguje, nesusidaro vien iš vandens garų. Yra vadinamoji mažytė vandens dulkelė ar dalelė, ant kurios gali kondensuotis vandens garai. Nuo tos dulkelės ypatybių daug kas priklauso – ar susiformuos debesų lašelis, ar ne. Kai užslenka debesys, prie Žemės paviršiaus patenka mažiau saulės, tai reguliuoja klimatą.“ Iki šiol analogų neturintis tyrimas puikavosi ir ant žurnalo „Nature“ viršelio, tad tikimasi, kad aiškesnis debesų formavimosi supratimas svariai prisidės prie klimato modelių kūrimo.

Susipažinus su efektų gausa, nenuostabu, kad klimato modeliams skaičiuoti reikia didžiulių skaitmeninių resursų. Tam pasitelkiami superkompiuteriai: tūkstančius procesorių turinčios mašinos, leidžiančios palyginti greitai apskaičiuoti modeliuojamos sistemos evoliuciją. Modeliai parodo prognozę, kokie orai Žemėje turėtų būti po pusvalandžio, po savaitės, po dešimtmečio ar net po šimtmečio. Savaime suprantama, kuo toliau į ateitį, tuo prognozė tampa prastesnė. Tačiau bendras klimato pokyčių tendencijas identifikuoti įmanoma.

Nors pagrindiniai klimato modeliai yra visuotiniai, nes kitaip nebūtų įmanoma įvertinti svarbiausių visą Žemę veikiančių veiksnių, detalizuoti juos galima smulkesniems regionams. Tuo paremti ir Lietuvos klimato modeliai, kuriuos daugiausia skaičiuoja VU Chemijos ir geomokslų fakulteto padalinio, Hidrologijos ir klimatologijos katedros mokslininkai.

Kaip patikrinti, ar modelio rezultatai teisingi? Būtent čia praverčia žinios apie praeities klimatą. Tarkim, sukuriamas modelis, ir jis, pasitelkus ankstesnių metų duomenis, leidžia atkurti Žemės klimato raidą 1980⎯2000 metų laikotarpiu. Tuomet galime tikėtis, kad 2020⎯2040 metų laikotarpio prognozės taip pat bus teisingos. Kitas būdas – lyginti daug nepriklausomų modelių ir taip patikrinti, kiek sutampa jų prognozės. Jei šios panašios, galima teigti, kad tokiais rezultatais galima pasitikėti labiau nei pavienio modelio.

Mūsų gyvenimai ypač priklauso nuo orų: lietūs ir sausros gali sunaikinti derlių, potvyniai paskandinti ištisus miestus, karščio bangos pražudyti žmones. Tad patikimos klimato pokyčių prognozės išlieka nepamainoma pagalba.

Modeliai padeda nustatyti numanomą poveikį net per kelias valandas ar dienas.

Žmogaus veiksmų įtaka klimatui dažnai išryškėja tik per kelis dešimtmečius. O modeliai padeda nustatyti numanomą poveikį net per kelias valandas ar dienas. Jie leidžia spręsti, kokie veiksniai – anglies dioksido išmetimo sumažinimas, ledynų baltinimas, debesų formavimosi skatinimas, miškų kirtimo sustabdymas, o gal net atsakingesnis vartojimas – padėtų sulėtinti ar sustabdyti dabartinį klimato atšilimą. Tai supratę, galime imtis konkrečių veiksmų: mokslo žinios apie klimato kaitą gali pavirsti didesne kiekvieno atsakomybe.

Šaltiniai:


Daugiau apie IPhO 2021 informacijos rasite ČIA.

Norėdamas tęsti – užsiregistruok

Partnerio turinys

Pranešti klaidą

Sėkmingai išsiųsta

Dėkojame už praneštą klaidą

Vardai

Metas rinktis

Mėgaukis šiandien

Rūpintis aplinka – paprasta

Video

00:40
00:49
00:10

Esports namai

Sveikos ir gražios kojos

URBAN˙/

Parašykite atsiliepimą apie 15min