Fyrir rúmum 100 árum sýndi Svíinn Svante Arrhenius fram á að aukinn styrkur koldíoxíðs gæti valdið hlýnun lofthjúpsins, en langur tími leið áður en fólk vaknaði almennt til vitundar um að mannkynið hefði áhrif á loftslag jarðar með athöfnum sínum. Árið 1990 kom út fyrsta úttekt Vísindanefndar Sameinuðu þjóðanna, sem færði sterk rök fyrir því að loftslagsbreytingar af manna völdum ættu sér stað. Fjórða úttektin kom svo út 2007 og þar er tekinn af allur efi: Loftslagsbreytingar af völdum manna eru ótvíræðar og munu valda mikilli röskun á komandi áratugum ef ekki er gripið í taumana. (Úr skýrslunni Hnattrænar loftslagsbreytingar og áhrif þeirra á Íslandi – gefin út af Umhverfisráðuneytinu árið 2008)

Gróðurhúsaáhrifin
Sólin er sá frumkraftur sem eðlilegt er að telja að hafi mest áhrif á loftslagsbreytingar á jörðinni (sjá sólin), sú væri líka raunin nú ef ekki væri fyrir gróðurhúsalofttegundirnar. Sólin hitar jörðina með varmageislun, en ef sólin væri ein um að valda hitabreytingum á jörðinni þá myndi meðalhiti jarðar sveiflast í kringum -18°C (lægra þegar virkni hennar væri lítil, hærri þegar virknin væri mikil). Áhrif gróðurhúsalofttegunda hækka þar með hitastig jarðar um 33° eða upp í 15°C. Á heimasíðu veðurstofunnar er ágætt dæmi sem útskýrir þessi áhrif gróðurhúsalofttegunda á skiljanlegan hátt:

Reikistjarnan Venus er nær Sólu og styrkur varmageislunar Sólarinnar er rúmlega 2600 W/m2 efst í lofthjúpi Venusar. En ólíkt Jörðinni er Venus skýjum hulin og skýin endurvarpa um 80% sólgeislunarinnar. Einungis tæplega 530 W/m2 (um 9 ljósaperur) verða eftir til að hita Venus sem er ríflega helmingur þess sem fer í að hita upp Jörðina.

Ef varminn frá Sólinni réði yfirborðshita ætti Jörðin að vera heitari en Venus. Staðreyndin er samt sú að yfirborðshiti á Jörðinni er um 15°C en rúmlega 400°C á Venusi! Það getur því ekki verið rétt að varmageislunin ein sér ráði yfirborðshitanum.

Munurinn á Jörðinni og Venusi liggur í því að á Venusi eru að verki firna öflug gróðurhúsaáhrif. Þau hækka yfirborðshitann þar um tæplega 450°C. Sams konar áhrif eru miklu veikari í lofthjúpi Jarðar, þar bæta gróðurhúsaáhrif einungis 33°C við meðalhitann. Mikilvægi þessa er samt óumdeilt. Án gróðurhúsaáhrifanna væri -18°C hiti á yfirborði Jarðar og ólíklegt að líf hefði kviknað hér.

Andrúmsloftið á Venus

Samlíkingin við gróðurhús þykir almennt séð villandi, því þau ferli sem hita gróðurhús eru nokkuð önnur en þau sem hita lofthjúpinn – orðið gróðurhúsaáhrifin (e. greenhouse effect) hefur þó verið notað það lengi að því verður varla breytt úr þessu.

Gróðurhúsalofttegundir

Gróðurhúsalofttegundirnar eru margar og þær helstu eru t.d. CO2 (koldíoxíð), N2O (tví-nituroxíð) og metan (mun fleiri eru til, en þær eru í það litlu magni að þær hafa lítil áhrif). Um Vatnsgufu segir heimasíða Veðurstofunnar:

Vatnsgufa (H2O) í lofthjúpnum er einnig öflug gróðurhúsalofttegund. Hún er þó venjulega ekki talin til hefðbundinna gróðurhúsalofttegunda því magn hennar er mjög breytilegt frá einu svæði til annars, ólíkt fyrrgreindum lofftegundum en magn þeirra er mjög álíka alls staðar í lofthjúpnum.

Á flestum stöðum á Jörðinni breytist magn vatnsgufu í lofti líka mjög hratt með tíma. Hringrás vatns í lofthjúpnum er mjög hröð, líftími vatnsgufu er mældur í dögum meðan framantaldar lofftegundir hafa líftíma sem er mældur í árum, áratugum, árhundruðum eða jafnvel árþúsundum.

Þegar vatnsgufa þéttist getur hún myndað ský og þó að ský séu ekki gróðurhúsalofttegund þá geta þau haft sambærileg áhrif. Eftir heiðskíra nótt er að jafnaði mun kaldara í morgunsárið en eftir skýjaða nótt. Munurinn liggur í því að skýin gleypa í sig varmageislun frá Jörðinni og endurgeisla svo hluta hennar til baka að yfirborði jarðar, rétt eins og gróðurhúsalofttegundirnar.

Að auki segir:

Ský hafa einnig mikil áhrif á orkujafnvægi Jarðar með því að spegla sólargeislun til baka út í geiminn. Skýin eiga því stóran hluta í endurspeglunarstuðlinum, sem er 0,3 eða 30% fyrir Jörðina. Fyrir Jörðina í heild vega speglunaráhrif þyngra en „gróðurhúsaáhrif” tengd skýjum, þ.e. skýin lækka yfirborðshita Jarðar.

Vitað er að gróðurhúsalofttegundirnar hafa aukist mikið frá upphafi iðnbyltingunnar (miðað við 1750). Styrkur CO2 er nú 37% meiri en fyrir iðnbyltingu og styrkur CO2 og metans er nú meiri en hann hefur verið í a.m.k. 650 þúsund ár. Ástæða aukningarinnar er að mestu leiti vegna bruna jarðefnaeldsneytis, en að hluta vegna breytinga í landnotkun (eyðing skóga t.d.). CO2 magn hefur verið mælt skipulega frá því á sjötta áratug síðustu aldar (en fyrri tíma gögn fást með óbeinum mælingum – t.d. mælingar á magni CO2 í loftbólum ískjarna).

Breyting í magni CO2 í lofthjúpnum frá lokum sjötta áratugs og til ársíns 2009

CO2 magn úr ískjörnum (Law dome, Antarktíku) og svo samanburð við mæld gildi frá Hawai. Örvarnar sýna hvenæar nokkur stór eldgos urðu.

Aukning CO2 í andrúmsloftinu er að mestu vegna bruna jarðefnaeldsneytis, ljóst er að magn CO2 í andrúmsloftinu er ekki að aukast af náttúrulegum orsökum, eins og t.d. við útblástur eldfjalla – það hefur verið staðfest með svokölluðum samsætumælingum (mælingar á hlutfalli milli C12, C13 og C14), en einnig fer það ekki milli mála ef skoðuð eru línurit sem sýna útblástur vegna bruna jarðefnaeldsneytis:

Útblástur CO2 vegna bruna jarðefnaeldsneytis frá 1800 og fram til ársins 2004.

Geislunarbúskapur

Á einfaldan hátt þá sendir sólin frá sér orkuríka geisla sem skella á lofthjúp jarðar, hluti þeirra endurkastast, aðrir ná að hita upp jörðina sem sendir þá frá sér geisla sem ýmist fer út í geim eða að andrúmsloftið með hjálp gróðurhúsalofttegundanna gleypa þá, magna upp og geisla til jarðar aftur og magna þannig upp hita við jörðina.

Kiehl og Trenberth (1997) reiknuðu út hvernig orka sólar dreifist frá fyrstu snertingu við lofthjúp jarðar ( greinin heitir Earth’s Annual Global Mean Energy Budget og er ein af grundvallargreinum í þessum fræðum og notuð í nýjustu kennslubókum í loftslagsfræðum). Mynd þeirra er svona:

Orka frá sólinni kemur inn í lofthjúpinn, hluti speglast út í geiminn, hluta gleypir lofthjúpurinn og hluta gleypir yfirborðið. Yfirborðið hitar lofthjúpinn með beinni upphitun (Thermals) og uppgufun (Evapo Transpiration). Jörðin sendir einnig frá sér innrauða geisla (Surface Radiation) sem hita lofthjúpinn, sem gleypir geislana og geisla henni að miklu leiti aftur til jarðar. Þetta hitar yfirborðið sem geislar þá meiru til loftshjúpsins. Í heild fær yfirborðið um tvöfalt meiri varma með endurgeislun frá lofthjúpnum en það fær frá sólinni. Mynd úr grein Kiehl og Trenberth 1997.

Aukning á gróðurhúsalofttegundunum eykur geislunina aftur til jarðar – jörðin hitnar. Útreikningar sýna að við tvöföldun á CO2 einu í andrúmsloftinu leiði til þess að hiti hækki um 1,5-4,5°C.

En aðrir þættir hafa breyst frá upphafi iðnbyltingarinnar og í skýrslu IPCC voru teknar saman þær upplýsingar sem til voru um hvað hefði breyst í geislunarbúskap jarðarinnar:

Geislunarálag (í W/m2) frá upphafi iðnbyltingar og helstu orsakaþættir. Rauðar súlur sýna áhrif til hlýnunar jarðar en bláar til kólnunar. Sýnd eru áhrif gróðurhúsalofttegunda, auk beinna og óbeinna áhrifa loftarða. Einnig eru sýnd áhrif ósóns, vatnsgufu í háloftum, áhrif breytinga á yfirborði jarðar á endurskinsstuðul, áhrif flugslóða, og breytinga á sólgeislun. Þriðji dálkurinn sýnir mat á geislunarálagi þessara áhrifavalda. Fjórði dálkurinn sýnir hversu víðfeðm áhrif hvers orsakaþáttar eru, og fimmti dálkurinn gefur til kynna stöðu vísindalegrar þekkingar á hverjum orsakaþætti. Mynd úr skýrslunni Hnattrænar loftslagsbreytingar og áhrif þeirra á Íslandi.

Langmesta breytingin er á geislunaráhrifum frá CO2 og þar er þekkingin mest en einnig er aukning í geislunaráhrifum metans (metan CH4 er þó í mun minna magni en CO2, en áhrif hvers mólikúls eru sterkari). Aðrar breytingar eru minni eða til lækkunar hita.

Gerð hafa verið loftslagslíkön sem endurspegla þekktar breytingar helstu áhrifavalda hitastigs jarðar og hvernig geislunarálag þeirra hefur breyst og niðurstaða þeirra plottað saman við mælt hitastig:

a) Hitafrávik við yfirborð jarðar á síðustu öld. Svarta breiða línan sýnir athuganir, fíndregnu línurnar sýna niðurstöður margra loftslagslíkana þar sem geislunarálagið þróaðist í samræmi við aukningu gróðurhúsalofttegunda og náttúrulegra þátta (s.s. breytinga á sólgeislun og loftarða vegna eldgosa). Breiða rauða línan sýnir meðaltal líkananna. Stærstu eldgos á 20. öldinni eru einnig merkt inn á myndina. b) Eins og í a) - nema í loftslagslíkönunum var ekki tekið tillit til áhrifa gróðurhúsalofttegunda. Mynd og texti af vedur.is - heimild IPCC.

Það er talið að 90-95% líkur séu á því að aukning gróðurhúsalofttegunda vegna athafna mannkyns valdi megninu af þeirri hnattrænu hlýnun sem átt hefur sér stað síðan um miðja síðustu öld. Án kælandi áhrifa loftarða er líklegt að gróðurhúsalofttegundirnar einar sér hefðu valdið enn meiri hlýnun. Einnig er talið að 1-5% líkur séu á því að þessar hnattrænu hlýnun megi útskýra með nátturulegum þáttum. Náttúrlegir þættir hefðu átt að leiða til kólnunar frá því um miðja síðustu öld samkvæmt gögnum vísindamanna.

Samantekt:

Heimildir og frekari upplýsingar
Nánar má fræðast um grunnatriði kenningunnar um gróðurhúsaáhrifin og hlýnun jarðar í Ritinu 2/2008 (og heimasíða Veðurstofunnar). Í raun ættu allir sem hafa áhuga á loftslagsbreytingum að lesa það sem stendur í Ritinu, auk þess sem bókin Gróðurhúsaáhrif og Loftslagsbreytingar eftir Halldór Björnsson (2008) fer ítarlega yfir bakgrunn kenningarinnar.

Grein Kiehl og Trenberth (1997) má lesa hér og skýrsluna Hnattrænar loftslagsbreytingar og áhrif þeirra á Íslandi má lesa hér.