Klimaet har endret seg drastisk de siste årene. At disse endringene skyldes menneskelig påvirkning er det bred enighet om i de vitenskapelige miljøene, men i media fremstår det ikke alltid slik. Som utenforstående kan det virke vanskelig å skille det som er riktig fra det som er feil, og spesielt det å finne ut hvordan forskningsresultatene er blitt til. Metodene som anvendes i klimaforskning er omfattende og mange, og resultatene kan virke overveldende av den grunn. I denne teksten skal vi se nærmere på disse metodene klimaforskerne bruker når de analyserer klimaet, og hvordan de kan fortelle oss noe om klimaet.

Klimaforskning startet med den franske matematikeren Joseph Fourier rundt 1820-tallet. Han observerte gjennom utregninger at hvis det eneste som varmet opp jorda var strålingen fra sola, burde jorda vært mye kaldere (Lynch, 2019). Selv om han til slutt landet på at å tro at den ekstra varmen kom fra strålingen fra andre stjerner, så var han inne på tanken om at jordas atmosfære oppførte som en slags isolator. Dette kjenner vi i dag til som drivhuseffekten – et begrep meteorologen Nils Gustaf Ekholm introduserte rundt år 1900 (Lynch, 2019). Rundt år 1850 utføre den irske forskeren John Tyndall en rekke eksperimenter for å se hvordan gasser fanget opp infrarød stråling. Han observerte at vanndamp, \(\text{H}_2\text{O}\); karbondioksid, \(\text{CO}_2\); og ozon, \(\text{O}_3\) er blant de gassene som fanger opp varme best. Omtrent 50 år senere ble dette arbeidet videreført av den svenske kjemikeren Svante Arrhenius, som foreslo at det er en direkte relasjon mellom \(\text{CO}_2\) og temperatur. Nesten 90 år senere begynte nyheter om menneskeskapte klimaendringer å se dagslyset. Samtidig ble IPCC (FNs klimapanel) etablert for å få et vitenskapelig standpunkt til klimaendringene, samt drøfte politiske og økonomiske konsekvenser som klimaendringene kunne bringe med seg (History.com, 2018). Siden har klimapanelet publisert flere rapporter; alle tyder på at klimaendringene er reelle, at de er menneskeskapte, og at de kan ha fatale konsekvenser.

Hva vet vi om hvordan klimaet har vært før og hvordan?

Kontinuerlige målinger av andelen \(\text{CO}_2\) i atmosfæren går tilbake til rundt 1950. For å se enda lengre bak i tid ser klimaforskere på iskjerner. En iskjerne er en sylinder av is som er drillet ut av innlandsis eller isbreer. Grunnen til at forskere velger å se på disse, er at de inneholder informasjon om temperatur og andre aspekter ved klima. Kanskje viktigst av alt så gir de oss muligheten til å måle tidligere konsentrasjoner av ulike gasser i atmosfæren – for eksempel \(\text{CO}_2\). Faktisk så kan vi se så langt tilbake som 800 000 år med enkelte iskjerner fra Antarktis (British Antarctic Survey, 2014). Hvordan kan en sylinder med is si oss så mye?

En isbre er et resultat av mange år med snø som legger seg lagvis oppå hverandre. Over lengre tidsperioder vil snøen som ligger nederst bli presset mer og mer sammen som følge av at flere snølag legger seg ovenfor. Denne prosessen gjør at de nederste lagene med snø komprimeres til is. I hvert lag med snø har vi forskjellige klimaavtrykk; for eksempel vil snø som faller på sommeren ha en annen kjemisk sammensetning enn den som faller på vinteren. Etter hvert som flere og flere lag med snø legger seg oppå hverandre vil disse klimaavtrykkene komprimeres og lagres i isen. Kjemikalier blir en del av isen og luft som har blitt fanget under snøen blir lagret som små luftbobler. Isen fungerer dermed som et slags tidsarkiv som lagrer informasjon om hvordan klimaet har vært før. Når vi borer opp iskjerner borer vi dermed opp et arkiv av hvordan klimaet engang har vært på isbreens lokasjon. De “beste” iskjernene har så god “oppløsning” at vi kan skille mellom årstider (About Ice Cores, 2019).

For å kartlegge når hvert lag i iskjernene ble til, studerer man forholdet mellom to ulike isotoper av oksygen i isen. I atmosfæren finnes det mest \(^{16}\text{O}\), en liten andel \(^{18}\text{O}\), og en enda mindre andel \(^{17}\text{O}\). \(^{18}\text{O}\) har to nøytroner mer enn \(^{16}\text{O}\), noe som gjør denne isotopen tyngre og derfor også vannet som inneholder \(^{18}\text{O}\) tyngre enn vann med \(^{16}\text{O}\). Siden vannmolekylet blir tyngre, kreves det mer energi å fordampe vannet, og det frigis en tilsvarende større mengde energi når dampen kondenserer. Det er altså lettere å kondensere vann med \(^{18}\text{O}\) enn vann med \(^{16}\text{O}\). Vann som er kondensert fra vanndamp vil derfor inneholde en større andel \(^{18}\text{O}\) ved høye temperaturer enn ved lave. Ved å analysere forholdet mellom \(^{18}\text{O}\) og \(^{16}\text{O}\) i vannet som er fryst i iskjernene kan man derfor si noe om temperaturen i atmosfæren på det tidspunktet vannet frøs. Siden temperaturen varierer med årstidene kan man bruke dette til å anslå hvor gammelt hvert lag i iskjernene er. De lagvise og periodiske variasjonene av andelen \(^{18}\text{O}\)-innhold i isen tjener derfor omtrent samme formål som årringene til et tre.

Iskjerner kan bores over hele verden, men stort sett kommer de fra indre områder av Antarktika eller Grønland. Grunnen til dette er at disse stedene er kjølige året rundt, og luften der inneholder få urenheter som kan forurense iskjernene. I tillegg holder strukturen til innlandsisen her seg mer intakt over mange år enn de ytre områdene på grunn av bevegelse i isen (Nesje, 2015). Studier av luftbobler i de eldste iskjernene viser at konsentrasjonen av \(\text{CO}_2\) har endret seg i takt med det antarktiske klimaet. I kalde perioder har det vært lave konsentrasjoner av \(\text{CO}_2\), og vice versa i varmere perioder – akkurat som Arrhenius foreslo! (British Antarctic Survey, 2014)

Keeling-kurven og dens samspill med iskjerner

Det er riktignok flere måter vi observer klimaforandringer på Jorda utover iskjerner. En sentral del av dette i nyere tid er Keeling-kurven – den regnes som starten på kontinuerlig måling av \(\text{CO}_2\), og dermed en pekepinn på at vi mennesker har en innvirkning på \(\text{CO}_2\)-nivået i atmosfæren. Den amerikanske oseanograf Charles David Keeling startet målinger av \(\text{CO}_2\) ved Mauna Loa observatoriet i Hawaii i 1958. Grunnen til at målingene på Hawaii er representative for resten av verden, er at \(\text{CO}_2\) sprer seg raskt i atmosfæren. Til å starte med viste kurven en periodisk variasjon, med lavest konsentrasjon av \(\text{CO}_2\) i oktober og høyest konsentrasjon i mai. Grunnen til denne varierende konsentrasjonen har en naturlig forklaring; på vinteren visner planter og dermed slipper de ut sin lagrede \(\text{CO}_2\). Når våren kommer igjen blomstrer nye planter og setter i gang fotosyntese der \(\text{CO}_2\) forbrukes, se vår tekst om fotosyntese.

Etter hvert gikk det noen år og Keeling så at \(\text{CO}_2\) konsentrasjonen hadde økt betraktelig. Dette var rart, da den naturlige \(\text{CO}_2\)-syklusen med visning og oppblomstring i praksis ikke skal tilføre mer \(\text{CO}_2\). Dette er altså ikke tilfellet som vist på Keeling-kurven under. På Keeling-kurven ser vi \(\text{CO}_2\)-konsentransjon som en funksjon av år.

Det mest skremmende bildet får vi når vi sammenligner Keeling-kurven med iskjernedata fra før 1958. Resultatet er den såkalte hockey-kurven (navnet har den fått fra sin form). Den viser klart og tydelig at noe har skjedd siden 1700-tallet – starten på den industrielle tidsperioden.

Som nevnt tidligere i teksten kan vi se langt tilbake i tid med iskjerner. Under har vi gått 10 000 år tilbake i tid, altså nåværende mellomistid. Dette gjør endringen enda tydeligere.

Som vist på grafen fra EPICA Dome C tidligere i teksten har jordas klima variert med lange kalde perioder (også kalt istid) og lange varme perioder. Kan det ikke bare hende at vi er på vei inn i en periode med høy konsentrasjon av \(\text{CO}_2\) nå? På bildet under ser vi \(\text{CO}_2\)-konsentrasjonen (som vi vet fra de eldste iskjernedataene fra Antarktia) og den voldsomme økningen helt til slutt er hockey-kurven.

Dette tyder på at \(\text{CO}_2\)-konsentrasjonen i atmosfæren øker som aldri før. Samspillet mellom data fra iskjernene og Keeling-kurven viser veldig godt hvordan klimaforskningen er avhengig av flere forskjellige resultat for å gi et helhetlig bilde. Det er først når vi ser på Keeling-kurven sammen med dataene fra våre eldste iskjerner at den store sammenhengen kommer til syne.

Klimamodeller

Når det snakkes om jordas klimaframtid hører vi ofte utsagn som “hvis ikke vi gjøre noe drastisk med \(\text{CO}_2\)-utslippene før (…) så (…)”. Hvordan kommer klimaforskerne fram til disse utsagnene? Det hele koker ned til ganske sofistikerte klimamodeller – simulasjoner som blir utført på (super)datamaskiner. Hvorfor skal vi tro på slike simulasjoner?

Klimamodeller er basert på matematiske likninger og fysiske lover. I prinsippet funker det nesten likt som en værmodell – den store forskjellen er at en klimamodell modellerer over et mye større tidsspenn. For å validere en klimamodell er iskjerner veldig viktig. For å teste en klimamodell prøver forskere å simulere tidligere klima, og iskjernene er som nevnt tidligere et arkiv av klimadata (Stoller-Conrad, 2017). Hvis simulasjonene og dataen fra iskjernen stemmer dårlig overens er ikke klimamodellen god nok til å bli brukt. Data fra studier av iskjerner tjener som et indirekte mål på temperatur og andre værforhold. Siden man på starten av 1900-tallet begynte å overvåke værforhold mye mer systematisk enn tidligere har vi nå et mye større og dyptgående dataarkiv som beskriver utviklingen fra det siste århundret, sammenlignet med tidligere. Det gjøres derfor mye grundigere kontroll av klimamodellene overfor de siste 100 årene enn tidligere. For å kunne lage klimamodeller for framtiden er også forskere avhengig av å bygge inn alt vi vet om tidligere klima i modellen – her gir også iskjerner oss mye nyttig info.

Mange forskjellige klimamodeller finnes, og de fokuserer alle på forskjellige ting. Noen fokuserer mer på atmosfæren, mens andre fokuserer mer på havet. Allikevel må alle ha med de samme grunnleggende parametriseringene. Beregningene er tunge og må kjøres på superdatamaskiner. Simuleringene som inngår i FNs klimarapport kan ta opptil ett år å fullføre! Da det er forskjellig fokus i de forskjellige klimamodellene gir de alle forskjellige resultat, men allikevel gjengir alle de samme tendensene: klimaendringene har aldri skjedd så fort før, og den eneste forklaringen er at de er menneskeskapte.

Avsluttende ord

Det vi har presentert i denne teksten utgjør bare en liten brøkdel av det gigantiske fagfeltet tilknyttet klimaforskning. Blant annet har vi ikke nevnt noe om bruken av satellitter i klimaforskning – en sentral del av dagens moderne klimaforskning og -overvåkning.