Klimatsystem - Climate system

De fem komponenterna i klimatsystemet samverkar alla.

Jordens klimat uppkommer från interaktionen av fem stora klimatanläggning komponenter: atmosfären (luft), den hydrosfären (vatten), den kryosfären (is och permafrost), den litosfären (jordens övre steniga skikt) och biosfären (levande saker). Klimatet är det genomsnittliga vädret , vanligtvis under en period av 30 år, och bestäms av en kombination av processer i klimatsystemet, såsom havsströmmar och vindmönster. Cirkulationen i atmosfären och haven drivs främst av solstrålning och transporterar värme från tropiska regioner till områden som tar emot mindre energi från solen. Vattencykeln flyttar också energi genom klimatsystemet. Dessutom återvinns ständigt olika kemiska element, som är nödvändiga för livet, mellan de olika komponenterna.

Klimatsystemet kan förändras på grund av intern variation och yttre tvinganden . Dessa yttre tvång kan vara naturliga, till exempel variationer i solintensitet och vulkanutbrott, eller orsakade av människor. Ackumulering av värmefångande växthusgaser , som främst släpps ut av människor som förbränner fossila bränslen , orsakar global uppvärmning . Mänsklig aktivitet släpper också ut kylande aerosoler , men deras nettoeffekt är mycket mindre än för växthusgaser. Förändringar kan förstärkas genom feedbackprocesser i de olika klimatsystemkomponenterna.

Komponenter i klimatsystemet

Den atmosfär omsluter jorden och sträcker sig hundratals kilometer från ytan. Den består mestadels av inert kväve (78%), syre (21%) och argon (0,9%). Vissa spårgaser i atmosfären, såsom vattenånga och koldioxid , är de gaser som är viktigast för klimatsystemets funktion, eftersom de är växthusgaser som gör att synligt ljus från solen kan tränga in i ytan, men blockerar några av den infraröda strålningen som jordens yta avger för att balansera solens strålning. Detta gör att yttemperaturen stiger. Den hydrologiska cykeln är vattnets rörelse genom atmosfären. Inte bara bestämmer den hydrologiska cykeln nederbördsmönster , den har också inflytande på energin i hela klimatsystemet.

Den hydrosfären innehåller korrekta all vätska vatten på jorden, med de flesta av det som finns i världshaven. Havet täcker 71% av jordens yta till ett medeldjup på nästan 4 kilometer (2,5 miles) och kan hålla betydligt mer värme än atmosfären. Den innehåller havsvatten med en salthalt på cirka 3,5% i genomsnitt, men detta varierar rumsligt. Bräckt vatten finns i flodmynningar och vissa sjöar, och det mesta av sötvattnet , 2,5% av allt vatten, finns i is och snö.

Den kryosfären innehåller alla delar av klimatsystemet där vatten är solid. Detta inkluderar havsis , inlandsisar , permafrost och snötäcke . Eftersom det finns mer mark på norra halvklotet jämfört med södra halvklotet , är en större del av det halvklotet täckt av snö. Båda halvklotet har ungefär lika mycket havsis. Mest fruset vatten finns i isskikten på Grönland och Antarktis , som i genomsnitt är cirka 2 kilometer höga. Dessa isark flödar långsamt mot sina marginaler.

Den jordskorpan , speciellt berg och dalar, formar globala vindmönster: stora bergskedjor bildar en barriär mot vindar och påverkan var och hur mycket det regnar. Land närmare öppet hav har ett mer måttligt klimat än land längre från havet. För att modellera klimatet anses landet ofta vara statiskt eftersom det förändras mycket långsamt jämfört med de andra elementen som utgör klimatsystemet. Kontinenternas position avgör havens geometri och påverkar därför havsmönster. Placeringen av haven är viktig för att kontrollera överföringen av värme och fukt över hela världen, och därför för att bestämma det globala klimatet.

Slutligen interagerar biosfären också med resten av klimatsystemet. Vegetation är ofta mörkare eller ljusare än jorden nedanför, så att mer eller mindre av solens värme fastnar i områden med vegetation. Vegetation är bra på att fånga vatten, som sedan tas upp av sina rötter. Utan växtlighet hade detta vatten runnit till de närmaste floderna eller andra vattendrag. Vatten som tas upp av växter förångas istället, vilket bidrar till den hydrologiska cykeln. Nederbörd och temperatur påverkar fördelningen av olika vegetationszoner. Kolassimilering från havsvatten genom tillväxt av små växtplankton är nästan lika mycket som markväxter från atmosfären. Medan människor tekniskt sett är en del av biosfären, behandlas de ofta som en separat komponent i jordens klimatsystem, antroposfären , på grund av människans stora påverkan på planeten.

Flöden av energi, vatten och grundämnen

Jordens atmosfäriska cirkulation drivs av energibalansen mellan ekvatorn och polerna. Det påverkas ytterligare av jordens rotation runt sin egen axel.

Energi och allmän cirkulation

Klimatsystemet tar emot energi från solen, och i mycket mindre utsträckning från jordens kärna, samt tidvattenenergi från månen. Jorden avger energi till yttre rymden i två former: den reflekterar direkt en del av solens strålning och den avger infraröd strålning som svartkroppsstrålning . Balansen mellan inkommande och utgående energi, och energins passage genom klimatsystemet, bestämmer jordens energibudget . När den totala inkommande energin är större än den utgående energin är jordens energibudget positiv och klimatsystemet värms upp. Om mer energi går ut är energibudgeten negativ och jorden upplever kylning.

Mer energi når tropikerna än polarregionerna och den efterföljande temperaturskillnaden driver den globala cirkulationen av atmosfären och haven . Luft stiger när den värmer, flyter polewards och sjunker igen när den svalnar, återvänder till ekvatorn. På grund av bevarandet av vinkelmoment avleder jordens rotation luften till höger på norra halvklotet och till vänster på södra halvklotet och bildar därmed distinkta atmosfäriska celler. Monsuner , säsongsförändringar i vind och nederbörd som förekommer mestadels i tropikerna, bildas på grund av att landmassor värms upp lättare än havet. Temperaturskillnaden inducerar en tryckskillnad mellan land och hav, vilket driver en jämn vind.

Havsvatten som har mer salt har en högre densitet och skillnader i densitet spelar en viktig roll i havscirkulationen . De termocirkulations transporterar värme från tropikerna till polarområdena. Havscirkulationen drivs vidare av interaktionen med vinden. Saltkomponenten påverkar också fryspunktstemperaturen . Vertikala rörelser kan ta upp kallare vatten till ytan i en process som kallas uppväxt , vilket kyler ned luften ovanför.

Hydrologisk cykel

Den hydrologiska cykeln eller vattencykeln beskriver hur den ständigt flyttas mellan jordens yta och atmosfären. Växter evapotranspirate och solljus avdunstar vatten från haven och andra vattenförekomster och lämnar efter salt och andra mineraler. Det avdunstade sötvattnet regnar senare tillbaka på ytan. Nederbörd och avdunstning är inte jämnt fördelat över hela världen, med vissa regioner som tropikerna har mer nederbörd än avdunstning, och andra har mer avdunstning än nederbörd. Förångning av vatten kräver betydande mängder energi, medan mycket värme frigörs under kondensering. Denna latenta värme är den primära energikällan i atmosfären.

Biokemiska cykler

Kol transporteras ständigt mellan de olika elementen i klimatsystemet: fixeras av levande varelser och transporteras genom havet och atmosfären.

Kemiska element, livsviktiga, cyklas ständigt genom de olika komponenterna i klimatsystemet. Det kol cykeln är direkt viktigt för klimatet som den bestämmer koncentrationerna av två viktiga växthusgaser i atmosfären: CO
2och metan . I den snabba delen av kolcykeln tar växter upp koldioxid från atmosfären med hjälp av fotosyntes ; detta sänds senare ut igen genom andning av levande varelser. Som en del av den långsamma kolcykeln släpper vulkaner ut CO
2genom avgasning, frigör koldioxid från jordskorpan och manteln. Som CO
2i atmosfären gör regnet lite surt , detta regn kan långsamt lösa upp några stenar, en process som kallas vittring . De mineraler som frigörs på detta sätt, transporteras till havet, används av levande varelser vars rester kan bilda sedimentära bergarter , vilket leder kolet tillbaka till litosfären.

Den kvävecykel beskriver flödet av aktivt kväve. Eftersom atmosfäriskt kväve är inert måste mikroorganismer först omvandla detta till en aktiv kväveförening i en process som kallas fixerande kväve , innan det kan användas som byggsten i biosfären. Mänsklig verksamhet spelar en viktig roll i både kol- och kvävecykler: förbränning av fossila bränslen har förskjutit kol från litosfären till atmosfären, och användningen av gödningsmedel har ökat mängden tillgängligt fast kväve kraftigt.

Förändringar inom klimatsystemet

Klimatet varierar ständigt, på tidsskalor som sträcker sig från årstider till jordens livstid. Förändringar orsakade av systemets egna komponenter och dynamik kallas intern klimatvariation . Systemet kan också uppleva yttre tvingande från fenomen utanför systemet (t.ex. en förändring i jordens bana). Längre förändringar, vanligtvis definierade som förändringar som kvarstår i minst 30 år, kallas klimatförändringar , även om denna fras vanligtvis hänvisar till den nuvarande globala klimatförändringen . När klimatet förändras kan effekterna bygga på varandra och kaskadera genom systemets andra delar i en rad klimatåterkopplingar (t.ex. albedoförändringar ), vilket ger många olika effekter (t.ex. havsnivåhöjning ).

Intern variation

Skillnad mellan normal havstemperatur [° C] i december och temperaturer under den starka El Niño 1997. El Niño ger vanligtvis fuktigare väder till Mexiko och USA.

Komponenter i klimatsystemet varierar kontinuerligt, även utan yttre tryck (yttre tvingande). Ett exempel i atmosfären är den nordatlantiska oscillationen (NAO), som fungerar som en såg för atmosfäriskt tryck. De portugisiska Azorerna har vanligtvis högt tryck, medan det ofta är lägre tryck över Island . Skillnaden i tryck oscillerar och detta påverkar vädermönster över Nordatlanten upp till centrala Eurasien . Till exempel är vädret i Grönland och Kanada kallt och torrt under en positiv NAO. Olika faser av den nordatlantiska oscillationen kan upprätthållas i flera decennier.

Havet och atmosfären kan också samverka för att spontant generera inre klimatvariationer som kan bestå i år till decennier åt gången. Exempel på denna typ av variabilitet inkluderar El Niño – Southern Oscillation , Pacific decadal oscillation och Atlantic Multidecadal Oscillation . Dessa variationer kan påverka den globala genomsnittliga yttemperaturen genom att omfördela värme mellan djuphavet och atmosfären; men också genom att ändra distributionen av moln, vattenånga eller havsis, vilket kan påverka jordens totala energibudget.

De oceaniska aspekterna av dessa svängningar kan generera variation på hundraåriga tidsskalor på grund av att havet har hundratals gånger mer massa än atmosfären , och därför mycket hög termisk tröghet. Till exempel spelar förändringar i havsprocesser som termohalincirkulation en nyckelroll vid omfördelning av värme i världens hav. Att förstå den interna variationen hjälpte forskare att tillskriva de senaste klimatförändringarna till växthusgaser.

Externt klimattvingande

På långa tider bestäms klimatet mestadels av hur mycket energi som finns i systemet och vart det går. När jordens energibudget ändras följer klimatet. En förändring av energibudgeten kallas en forcing, och när förändringen orsakas av något utanför klimatsystemets fem komponenter kallas det en extern forcering . Vulkaner, till exempel, härrör från djupa processer inom jorden som inte anses vara en del av klimatsystemet. Förändringar utanför planeten, såsom solvariationer och inkommande asteroider, är också "externa" för klimatsystemets fem komponenter, liksom mänskliga handlingar.

Huvudvärdet för att kvantifiera och jämföra klimatkrafter är strålande kraft .

Inkommande solljus

Den Solen är den dominerande källan till energitillförseln till jorden och driver atmosfäriska cirkulationen. Mängden energi som kommer från solen varierar på kortare tidsskalor, inklusive den 11-åriga solcykeln och längre tidsskalor. Även om solcykeln är för liten för att direkt värma och kyla jordens yta, påverkar den ett högre lager av atmosfären direkt, stratosfären , vilket kan ha en effekt på atmosfären nära ytan.

Små variationer i jordens rörelse kan orsaka stora förändringar i säsongens fördelning av solljus som når jordens yta och hur det fördelas över hela världen, men inte till det globala och årliga genomsnittliga solljuset. De tre typerna av kinematisk förändring är variationer i jordens excentricitet , förändringar i lutningsvinkeln på jordens rotationsaxel och precession av jordens axel. Tillsammans producerar dessa Milankovitch -cykler , som påverkar klimatet och är kända för sin korrelation till is- och interglaciala perioder .

Växthusgaser

Växthusgaser fångar upp värme i nedre delen av atmosfären genom att absorbera långvågig strålning. I jordens förflutna bidrog många processer till variationer i växthusgaskoncentrationer. För närvarande är utsläpp från människor orsaken till ökade koncentrationer av vissa växthusgaser, till exempel CO
2, metan och N
2O . Den dominerande bidragsgivaren till växthuseffekten är vattenånga (~ 50%), med moln (~ 25%) och CO
2(~ 20%) spelar också en viktig roll. När koncentrationer av långlivade växthusgaser som CO
2ökas och temperaturen stiger, mängden vattenånga ökar också, så att vattenånga och moln inte ses som yttre tvång, utan istället som återkopplingar. Berg vittring är en mycket långsam process som tar bort koldioxid från atmosfären.

Aerosoler

Flytande och fasta partiklar i atmosfären, som tillsammans kallas aerosoler , har olika effekter på klimatet. Vissa sprider främst solljus och kyler därigenom planeten, medan andra absorberar solljus och värmer atmosfären. Indirekta effekter inkluderar det faktum att aerosoler kan fungera som molnkondensationskärnor , vilket stimulerar molnbildning. Naturliga källor till aerosoler inkluderar havsspray , mineraldamm , meteoriter och vulkaner , men människor bidrar också som mänsklig aktivitet som att orsaka bränder eller förbränning av fossila bränslen släpper ut aerosoler i atmosfären. Aerosoler motverkar en del av uppvärmningseffekterna av utsläppta växthusgaser, men bara tills de faller tillbaka till ytan om några år eller mindre.

I atmosfärstemperaturen från 1979 till 2010, bestämd av MSU NASA -satelliter, uppträder effekter från aerosoler som släpps ut av stora vulkanutbrott ( El Chichón och Pinatubo ). El Niño är en separat händelse, från havets variation.

Även om vulkaner tekniskt sett är en del av litosfären, som i sig är en del av klimatsystemet, definieras vulkanism som ett externt tvingande medel. I genomsnitt finns det bara flera vulkanutbrott per århundrade som påverkar jordens klimat under längre tid än ett år genom att mata ut massor av SO ₂ i den stratosfären . Svaveldioxiden omvandlas kemiskt till aerosoler som orsakar kylning genom att blockera en bråkdel av solljus till jordens yta. Små utbrott påverkar atmosfären endast subtilt.

Markanvändning och täckningsbyte

Förändringar i marktäckning, såsom förändring av vattentäckning (t.ex. stigande havsnivå , torkning upp av sjöar och utbrott översvämningar ) eller skogsskövling , särskilt genom mänsklig användning av marken, kan påverka klimatet. Områdets reflektivitet kan förändras, vilket får regionen att fånga mer eller mindre solljus. Dessutom interagerar vegetation med den hydrologiska cykeln, så att nederbörd också påverkas. Landskapsbränder släpper ut växthusgaser i atmosfären och släpper ut svart kol , vilket mörknar snö vilket gör det lättare att smälta.

Svar och feedback

De olika elementen i klimatsystemet reagerar på yttre tvång på olika sätt. En viktig skillnad mellan komponenterna är hastigheten med vilken de reagerar på en tvingning. Atmosfären svarar vanligtvis inom ett par timmar till veckor, medan det djupa havet och isen tar århundraden till årtusenden för att nå en ny jämvikt.

En komponents inledande svar på en extern tvingning kan dämpas av negativa återkopplingar och förbättras av positiva återkopplingar . Till exempel skulle en betydande minskning av solintensiteten snabbt leda till en temperaturminskning på jorden, vilket sedan skulle tillåta is och snötäcke att expandera. Den extra snön och isen har en högre albedo eller reflektivitet och reflekterar därför mer av solens strålning tillbaka till rymden innan den kan absorberas av klimatsystemet som helhet; detta får i sin tur jorden att svalna ytterligare.

Anteckningar och källor

Anteckningar

Källor