Klimato kaitaA. Bukantis. Klimatologija_12a Slide 7 Praeities klimato indikatoriai • Drusk ųir gipso nuogulos, eolin ės reljefo formos, liekaniniai kalnai – karštas ir sausas

A. Bukantis. Klimatologija_12a

Slide 1

Klimato kaita

Slide 2

Atmosfera Hidrosfera Litosfera Kriosfera Biosfera

Klimatosferos (klimato sistemos) vidiniai elementai

Vidiniams klimato elementams nuolatos daro poveikįišoriniai veiksniai

Žemės klimatas – labai sudėtinga ir teritoriškai marga, dinamiška fizikinių ir cheminių procesų sistema. Ilgalaikių ir lėtų klimato svyravimų, kuriuos sukelia determinuoti veiksniai (Žemės orbitos parametrų ir atmosferos cheminės sudėties kitimas, kalnodara, litosferos plokščių dreifas), fone veikia daug atsitiktini ų jėgų (Saulės aktyvumo pulsacija, geomagnetinio lauko įtampa, vulkanizmas ir kt.), sukeliančių trumpalaikių klimato svyravimų ir fluktuacijų. Kisdamas klimatas, savo ruožtu, veikia kitų gamtos procesų vyksmą. Apie tai žino ne tik klimatologai. Atlikdami tyrimus į klimato nepastovumą nuolat turi atsižvelgti hidrologai, glaciologai, geologai, geografai, biologai ir kitų sričių mokslininkai. Klimato sistemos (klimatosferos) atžvilgiu visas klimato svyravimo priežastis galima suskirstyti į išorines ir vidines.

Slide 3

Klimato sistemai darantys poveik į išoriniai veiksniai

1. Astronominiai:• Saulės ir galaktikos

spindėjimo intensyvumas,• Žemės orbitos padėtis

Saulės sistemoje,• Žemės judėjimo savo

orbitoje rodikliai (ekscentricitetas ir precesija),

• Žemės ašies polinkis įorbitos plokštumą,

• Žemės apsisukimo greitis aplink savo ašį.

2. Geofiziniai:• Žemės dydis ir masė,• gravitacinis ir magnetinis

Žemės laukai,• globalinė tektonika,• geoterminė šiluma ir

vulkanizmas.

Išorės veiksniai lemia energijos prietaką į klimatosferą. Šiai veiksnių grupei priklauso astronominės (Saulės ir galaktikos spindėjimo intensyvumas, Žemės orbitos forma ir Žemės judėjimo savo orbita parametrai, Žemės ašies polinkis į orbitos plokštumą, Žemės sukimosi aplink savo ašį greitis) ir išorės geofizikinės (gravitacinis ir magnetinis Žemės laukai, vulkanizmas ir geoterminė šiluma) klimato svyravimo priežastys. Vidin ės klimato svyravimo priežastys kyla ir veikia vienos kurios klimato sistemos dalies viduje, bet jos gali paveikti ir kitas klimato sistemos dalis. Vidiniams klimato svyravimo veiksniams priskiriama: atmosferos dujų sudėtis ir aerozolių kiekis, sausumos reljefas ir paklotinio paviršiaus struktūra. Klimato svyravimus kuriame nors regione gali sukelti ir atmosferos bei vandenyno cirkuliacijos pokyčiai.


Slide 4 Kaip atskirti klimato pasikeitimus

nuo svyravimų?Du kriterijai:• periodo su pakitusiu klimatu trukmė,• grįžtamasis ar negrįžtamasis pakitimas.

Klimato pasikeitimas – tai ilgiau kaip 30 m. (gali būti iki kelių mln. metų) trunkantis negrįžtamas klimato pakitimas (angl. climate change).

Klimato svyravimas – tai ilgiau kaip 30 m. trunkantys grįžtamieji klimato kitimai (angl. climate variations).

Klimato fluktuacijos – tai trumpiau kaip 30 m. trunkantys grįžtamieji klimato sistemos būvio kitimai (angl. climate fluctuation).

Visus tris terminus apima s ąvoka – klimato kaita (climate variability ).

Slide 5

Paleoklimatologija – mokslas, tiriantis klimatą ir jo kintamumą praeityje.

Klimato kaitos tyrimo metodai:• metodai, paremti instrumentinių meteorologinių

stebėjimų rezultatais (pradedant XVIII a.);• metodai, paremti netiesiogine informacija (iki

XVIII a.).

Dabartinę klimato kaitą ir jos priežastis taip pat tyrinėja dinamin ė klimatologija.

Slide 6

Netiesiogin ės informacijos šaltiniai ir praeities klimato indikatoriai

• Istorinės kronikos, metraščiai ir literatūros veikalai;• nuosėdinės uolienos (litogenetinės formacijos) ir

dūlėjimo produktai;• hidrologinių ir geomorfologinių procesų pėdsakai;• iškastinių augalų ir gyvūnų liekanos (žiedadulkės,

medžių rievės ir t.t.);• ledynai;• stabilių deguonies izotopų 16O ir 18O santykis (izotopinės

paleotermijos metodas);• paleomagnetiniai duomenys.

Šie indikatoriai padeda apib ūdinti įvairias praeities klimato savybes:oro ir vandens telkini ų temperat ūrą, humidiškum ą, ekstremalum ą ir t.t.


Slide 7

Praeities klimato indikatoriai• Druskų ir gipso nuogulos, eolinės reljefo

formos, liekaniniai kalnai – karštas ir sausas klimatas.

• Kaolinas, boksitai ir aliuminio rūda (Al2O3), Fe2O3 (lateritiniai dirvožemiai), didelėpaleofloros įvairovė nuosėdinėse uolienose, intensyvus cheminis dūlėjimas– karštas ir drėgnas klimatas.

• Kalcito (CaCO3) ir dolomito nuogulos, fosforitai, koralų rifai vandens telkiniuose –šiltas tropikų ir subtropikų klimatas.

Slide 8

Praeities klimato indikatoriai (tęsinys)

• Durpių ir akmens anglies klodai, tankus upių tinklas, aukštas ežerų vandens lygis – drėgnas klimatas.

• Morenos, rieduliai, juostuotieji moliai, šalčio dūlėjimas, flora ir fauna skurdi – šaltas klimatas.

• Medžių rievės – vidutinis klimatas su vegetacijos pertrauka.

Mamutas

Slide 9

Stabilių deguonies izotopų(16O ir 18O) santykis

jūrinėse karbonatinėsenuosėdose

Tyrimai atliekami farominiferuose

Izotopinės paleotermijos metodas pagristas tuo, kad stabilių deguonies izotopų 16O ir 18O santykis kriauklių kalcituose gali būti nevienodas priklausomai nuo to, kokios t-ros vandenyje jie susidarė. Metodo tikslumas +/-2°C. ”Normalus” deguonies atomas (16O) turi 8 protonus ir 8 neutronus. Maža dalis (~ viena iš tūkstančio) deguonies atomų turi 8 protonus ir 10 neutronų – tai deguonies 18O izotopas. Jis yra sunkesnis, todėl iš šilto vandens 16O gali išgaruoti greičiau. Kuo žemesnė t-ra, tuo vandens garuose ir krituliuose mažiau 18O. Dėl to šaltaisiais periodais santykinis 18O/16O kiekis vandenyje ir kalcituose padidėja (nes dalis 16O pasilieka ledynuose), o šiltaisiais – 18O/16O sumažėja, nes 16O grižta su nuotėkiu. Šis metodas taip pat taikomas nustatant kritulių temperatūrą formuojantis ledynams.


Slide 10a

Paleomagnetiniai duomenys

• Paleomagnetinis metodas pagrįstas liekamuoju uolienų įsimagnetinimo reiškiniu: auštant lavai, kai jos t-ra nukrinta iki Kiuri taško (630-450°C)feromagnetiniai mineralai įsimagnetina pagal tuo metu esantį magnetinį lauką ir daugiau nekinta.

• Metodas leidžia nustatyti magnetinių ir geografinių ašigalių padėtį, žemynų išsidėstymągeologinėje praeityje.

Magnetinį lauką indukuoja skystos geležies masių judėjimas išorinėje Žemės branduolio dalyje. Liekamasis uolų magnetizmas rodo, kad vidutiniškai kartą per 700 000 metų Žemės magnetinis laukas keičia kryptį (susikeičia vietomis š. ir p. poliai). 2005 m. Š. magnetinio polius buvo 83.21° š. pl. ir 118.32° v. ilg, o P. polius - 64.53° p. pl. Ir 137.86° r. ilg.

Slide 10b

Šiaurės magnetinio

poliaus judėjimas nuo

1900 m.

http://gsc.nrcan.gc.ca/geomag/nmp/long_mvt_nmp_e.php

1900 m.

2010 m.

Magnetinių polių vieta nuolat kinta. Per XX a. Šiaurės polius pasislinko 1100 km. Š. magnetinio poliaus judėjimas 2001-2005 m.*:

Metai Platuma (šiaur÷s) Ilguma (vakarų)

2001 81.3 110.8

2002 81.6 111.6

2003 82.0 112.4

2004 82.3 113.4

2005 82.7 114.4

*Pagal http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/, http://gsc.nrcan.gc.ca/geomag/nmp/long_mvt_nmp_e.php http://www.appinsys.com/GlobalWarming/EarthMagneticField.htm

Slide 11

Kampas tarp krypties į geografinį, arba tikrąjį šiaurinįašigalį ir atitinkamąšiaurinį magnetinįpolių vadinamasdeklinacija.Jis priklauso nuoilgumos.

Kampas tarp tiesės, jungiančios Žemės magnetinius polius ir Žemės sukimosi ašies yra 11,4o. Šis kampas geologinėje praeityje keitėsi, todėl geografinių ašigalių padėtis (t.y., Žemės sukimosi ašis) keisdavosi daug lėčiau.


Slide 12

Šiaurės geografinio ašigalio vietos kaita per 300 mln. metų

Pagal M. E. Evanshttp://www.springerlink.com/content/q12u658627323740/

Slide 13

Pangėjos skilimas

Pangėja - superkontinento egzistavusio paleozojaus ir mezozojaus erose pavadinimas. Pangėja susiformavo prieš 300 mln. metų ir skilo prieš 200-180 mln. metų juros periode (skilo į Gondvaną ir Lauraziją). Kol buvo vienintelis kontinentas gyvūnai galėjo laisvai migruoti jo viduje. Klimatas, dėl didelių sausumos plotų žemyno viduje, turėjo būti labai sausas ir kontinentinis. Pangėja nebuvo pirmasis superkontinentas. Prieš ją egzistavo Rodinijos ir Panotijos kontinentai. Dar po 30 mln. metų pati Gondvana pradėjo skilti į šiuolaikinius kontinentus.

Slide 14

Geochronologijos metodai

• Stratigrafinis• Paleontologinis• Pirminės substancijos radioaktyviojo

skilimo

Tarptautinė geochronologinė - stratigrafinė skalė lietuviškai:

http://lt.wikipedia.org/wiki/Geologin%C4%97_laiko_skal%C4%97

Geochronologija - geologijos šaka, tirianti Žemės plutos uolienų susidarymo chronologinę seką ir amžių. Tarptautinė geochronologinė - stratigrafinė skalė lietuviškai: http://lt.wikipedia.org/wiki/Geologin%C4%97_laiko_skal%C4%97

Stratigrafija - geologijos mokslo šaka, nagrinėjanti uolienų sluoksniavimosi dėsningumus ir nustato jų amžių. Stratigrafija nagrinėja dažniausiai nuosėdines ir vulkanines uolienas. Nesuardytose nuosėdinių uolienų sluoksnių storymėse jaunesnės uolienos slūgso virš senesnių uolienų (superpozicijos principas). Paleontologija - biologijos mokslas, tiriantis geologinės praeities organinį pasaulį. Kaip ir bet koks savarankiškas mokslas, paleontologija turi savo tyrimo objektus, uždavinius ir metodus, tačiau yra glaudžiai susijusi su kitais biologijos mokslais ir geologija.


Šis mokslas nagrinėja priešistorinių laikų organinį pasaulį pagal įvairių organizmų iškasenas ar jų veiklos pėdsakus. Iškastinės organizmų liekanos ar jų veiklos pėdsakai vadinami fosilijomis. Jei nuosėdinėse uolienose randama plačiai paplitusi ir vienalaikė (geologinio amžiaus prasme) fauna ir flora, tai šios uolienos taip pat susiformavo vienu metu. Pirmin ės substancijos radioaktyvusis skilimas - tai spontaniškas nestabilių kurio nors cheminio elemento izotopų virsmas kito elemento izotopais, išspinduliuojant elementarias daleles arba branduolius. Vykstant radioaktyviam skilimui, radioaktyvaus elemento atomų skaičius laipsniškai mažėja. Negalima tiksliai pasakyti, kada ir kuris branduolys skils, tačiau egzistuoja tam tikra tikimybė kiekvieno branduolio skilimui per tam tikrą laiką. Laikas, per kurį susklyla pusė radioaktyvaus izotopo branduolių, vadinamas radioaktyvaus skilimo pusperiodžiu.

Trumpa Žemės, jos paviršiaus ir gyvybės evoliucijos charakteristika (pagal http://astronomija.lt/enciklopedija/index.php/Astro nomija)

• Prieš 4.6-4.7 mlrd. m. iš Saulę supusio dujų ir dulkių disko susidaro planetos, tarp jų ir Žemė. • Prieš 4.5 mlrd. m. dėl gravitacijos ir radioaktyvumo ima skystėti gelmių medžiaga - prasideda medžiagos diferenciacija -

geležis, nikelis ir kiti sunkieji elementai grimzta gilyn link Žemės centro, silikatai ir vanduo kyla aukštyn, į paviršių. Tęsiasi stiprus meteoritų kritimas, dėl to didėja Žemės masė. Į Žemę smogia Marso dydžio planetoidas. Po smūgio aplink Žemę atsiranda uolų ir dulkių žiedas, iš kurio po 100 mln. m. susiformuoja Mėnulis.

• Prieš 4.2 mlrd. m. medžiagos diferenciacija ir meteoritų kritimas tęsiasi, susidaro vandenilio ir helio atmosfera ir vandenynai. • Prieš 4.0 mlrd. m. meteoritų kritimas liaujasi, susiformuoja granitinė pluta ir žemynų platformos. • Prieš 3.8 mlrd. m. pasirodo pirmieji vienaląsčiai gyvieji organizmai. • Prieš 3.5 mlrd. m. išsisklaido pirminė Žemės atmosfera. Ugnikalniai iš vandens garų ir anglies dioksido formuoja antros

kartos atmosferą. • Prieš 2.5-3.0 mlrd. m. dumbliai formuoja trečios kartos deguoningą atmosferą. Anglies dioksidas ištirpsta vandenynuose ir

virsta klintimis. • Prieš 2.0 mlrd. m. vandenyse gyvena dumbliai, kirmėlės, medūzos, vėžiagyviai. Sausumose šėlsta ugnikalniai. • Prieš 1.0 mlrd. m. vandenyse gyvena dumbliai, bestuburiai, moliuskai. • Prieš 0.5 mlrd. m. prasideda paleozojinė era. Jūrose gyvena dumbliai, trilobitai, koralai. Sausumose tęsiasi aktyvus

vulkanizmas, žemynų platformų judėjimas, kalnodara. Pietų pusrutulyje susidaro Gondvanos žemynas. • Prieš 0.4 mlrd. m. Gyvybė išeina į sausumą: atsiranda pirmieji augalai, dvikvapės žuvys, stegocefalai. • Prieš 0.3 mlrd. m. Sausumoje klesti sporiniai, pasirodo sėkliniai augalai, spygliuočiai. Iš augmenijos liekanų susidaro akmens

anglies klodai. Atsiranda ropliai. Jūrose atsiranda pirmieji stuburiniai, žuvys. • Prieš 0.2 mlrd. m. prasideda mezozojinė era. Gondvanos žemynas suskyla į gabalus - formuojasi dabartinių žemynų kontūrai.

Sausumoje klesti vešli augmenija. Prasideda dinozaurų epocha. Atsiranda pirmieji paukščiai archeopteriksai ir skraidantys driežai pterodaktiliai.

• Prieš 0.1 mlrd. m. didžiųjų roplių (dinozaurų) klestėjimo laikas. Atsiranda smulkūs žinduoliai. • Prieš 70 mln. m. staiga išmiršta visi dinozaurai. To priežastis - 10 km skersmens asteroido kritimas ties Jukatano pusiasaliu

(žr. Čiksulubo asteroidas). Prasideda kainozoinė era - žinduolių suklestėjimas ir žmogaus atsiradimas. Slide 15

Klimato kaitos priežastys ir teorijos

• Astronominė teorija

• Litosferos plokščių mobilizmo teorija• Heliogeofizinių faktorių teorija

• Atmosferos sudėties ir antropogeniniųfaktorių teorija


Slide 16

Astronominė klimato svyravimųteorija

Šios teorijos autorius - serb ų astrofizikas Milutin Milankovitch (1879-1598)

Teorijos esm ė: Saulės insoliacija ties viršutine atmosferos riba nėra pastovi.

Jos svyravimai siejami su Žemės orbitos trimis parametrais:• ekscentriciteto kaita,• Žemės ašies precesija,• Žemės sukimosi ašies polinkio į orbitos plokštumą kaita.

Slide 17 Ekscentriciteto (e) kaita

Mažas e

Didelis e

e = c/a

Dabar Žem ės e = 0,017

Kitimo periodai: 100 000, 425 000, 1,2 mln. m.

e svyruoja 0,0163 – 0,0658

Šiuo metu e mažėja ir dar mažės apie 25 000 m., kol pasieks minimuma 0,016.

Slide 18

Ekscentriciteto (e) poveikis klimatui

I Ie

I ep*

( )( )=

−= −

−

0 2 021

11

e = 0 e > 0I Ie

I ea*

( )( )=

+= +

−

0 2 021

11

= 1420 W/m²

= 1328 W/m²

Perihelis

Afelis

Ip* – Ia* = ∆I*

∆I* gali sudaryti nuo 7 iki 26 % Saulės konstantos.

e pasikeitimas nulemia Žemės atstumo iki Saulės pasikeitimus ir tuo pačiu energijos prietaką į ploto vnt. ties viršutine atmosferos riba, esant Žemei įvairiuose orbitos taškuose.


Slide 19

Žemės ašies precesija

Tai Žemės ašies sukimasis apie statmenį įorbitos plokštumą

Precesijos periodas ~ 21 000 m.

Dėl Žemės ašies precesijos keičiasi žiemos ir vasaros saulėgrįžų vieta vieta orbitoje perihelio atžvilgiu. Pvz., žiemos saulėgrįža nuo perihelio nutolsta per 57,5 metus viena diena.

Slide 20

Žiemos ir vasaros saulėgrįžų kaita orbitoje dėl precesijos

Dabartinė padėtis

Padėtis po (prieš) ~11 000 m.

PerihelisXII-I mėn.Afelis

VI-VIIImėn.

PerihelisVI-VIII mėn.Afelis

XII-IImėn.

Datų judėjimo kryptis

Kaip žinoma, perihelio trajektorijos dalyje Žemė skrieja greičiau, o Saulės energijos gauna daugiau. Afelyje Žemė skrieja lėčiau, o Saulės energijos gauna mažiau (J. Keplerio antrasis dėsnis). Todėl, kai Žemė XII-II m ėn. perihelyje, Š. pusr. trumpesnė ir šiltesnė žiema, o vasara vėsesnė ir ilgesnė (lyg. su P. pusr. atitinkamais sezonais). Kai Žemė perihelyje VI-VIII m ėn., atvirkščiai – Š. pusr. šiltesnė trumpesnė vasara, o žiema ilgesnė ir vėsesnė; P. pusr. - trumpesnė ir šiltesnė žiema, o vasara vėsesnė ir ilgesnė. Saulės energijos prietakos ir t-ros pokyčiai tuo ryškesni, kuo didesnis ekscentricitetas.

Slide 21 Žemės sukimosi ašies polinkio į orbitos

plokštumą kaita (arba kampas tarp statmens į orbitos plokštum ą ir sukimosi ašies)

Dabar: 23°26’ (~23,5°)

Kinta nuo 22,1 iki 24,5 °°°°

Kitimo priodas41 000 m.


Slide 22

Žemės sukimosi ašies polinkio į orbitos plokštumą kaitos poveikis klimatui

Padid ėjus polinkio kampui:• vasarą poliarinėse ir vidutinėse platumose padidėja

saulės h virš horizonto bei spinduliuotės prietaka, pakyla t-ra;

• žiemą – atvirkščiai: sumažėja saulės h, žiema tampa šaltesnė;

• vidutinėse ir poliarinėse platumose padidėja tarpsezoniniai spinduliuotės ir t-ros skirtumai;

• tarpplatuminiai spinduliuotės ir t-ros skirtumai vasarąsumažėja, o žiemą – padidėja;

• poliariniai ratai (jų platuma) pasislenka link pusiaujo, o tropik ų ratai – link ašigalių.

Pavyzdžiui, padidėjus Žemės ašies polinkio kampui 1°, Lietuvos platumose Saulės radiacijos prietaka vasarą išaugtų 1,5–2%, o žiemą sumažėtų 3,5–4%. Taigi padidėjęs Žemės ašies polinkis į orbitos plokštumą išryškina sezoninius, bet sušvelnina tarpplatuminius Saulės spinduliuotės ir oro temperatūros Žemėje skirtumus.

Slide 23 Žemės ašies polinkio kampas

23°26’ (~23,5°)

Š. poliarinis ratas (90 - 23°26’= 66°34’ š. pl.)

Š. tropikų ratas 23°26’ š. pl.

Pusiaujas

P. tropikų ratas 23°26’ p. pl.

P. poliarinis ratas (90 - 23°26’= 66°34’ p. pl.)

Uždavinys. Apskaičiuokite, kokia bus poliarinių ir tropikų ratų platuma padidėjus ir sumažėjus Žemės ašies polinkio kampui 1°.

Slide 24

Žemės sukimosi ašies polinkio į orbitos plokštumą kaitos poveikis klimatui

Sumažėjus polinkio kampui:• vasarą poliarinėse ir vidutinėse platumose sumažėja

saulės h virš horizonto bei spinduliuotės prietaka, vasara tampa vėsesnė;

• žiemą – atvirkščiai: padidėja saulės h, žiema tampa šiltesnė;

• vidutinėse ir poliarinėse platumose sumažėja tarpsezoniniai spinduliuotės bei t-ros skirtumai;

• tarpplatuminiai spinduliuotės ir t-ros skirtumai vasarąpadidėja, o žiemą – sumažėja;

• poliariniai ratai (jų platuma) pasislenka link ašigalių, o tropik ų ratai – link pusiaujo.

Dėl poliarinių ir tropikų ratų platumos pasikeitimų keičiasi teritorijų, kur susidaro poliarinės dienos ir naktys, plotai. Atitinkamai keičiasi pusiaujo konvergencijos zonos (PKZ) judėjimas abipus pusiaujo: pvz., padidėjus ašies polinkiui, PKZ gali labiau nutolti nuo pusiaujo, prasiplečia zona, kurioje iškrinta jos lemiami krituliai (mažėjant ašies polinkiui, ši zona siaurėja).


Slide 25

Žemės orbitos trijų parametrų kaitaP

rece

sija

Eks

cent

ricite

tas Žemė

s aš

ies

polin

kis

Laikas t ūkst. met ų

Čia pavaizduota atstumo tarp Saulės ir Žemės pokyčiai dėl precesijos birželį

Dabar Žemės orbitos parametrai yra apskaičiuoti 30x106 metų į praeitį ir 1x106 metų į ateitį.

Slide 26 Vasaros insoliacijos svyravimai dėl Žemės

orbitos parametrų nepastovumo(bendras visų trijų parametrų poveikis)

Šiame pav. parodyta visų trijų orbitos parametrų bendra įtaka Saulės insoliacijos intensyvumui. Silpnos insoliacijos laikotarpiai sutampa su senaisiais Europos apledėjimais. Saulės insoliacija aukštosiose platumose vasarą svyravo 30% diapazone, o tai prilygsta Saulės konstantos 10–15% pokyčiui. Todėl toks insoliacijos susilpnėjimas galėjo būti apledėjimo priežastis. Papildoma literatūra: http://www.scotese.com/

Climate Forcing Data. http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/forcing.html

Documents

Klimato kaitaA. Bukantis. Klimatologija_12a Slide 7 Praeities klimato indikatoriai • Drusk ųir gipso nuogulos, eolin ės reljefo formos, liekaniniai kalnai – karštas ir sausas