کلیات

تغییرات آب‌وهوایی یا تغییر اقلیم یعنی هر تغییر مشخص در الگو‌های مورد انتظار برای وضعیت میانگین آب‌وهوایی، که در طولانی‌مدت در یک منطقه خاص یا برای کل اقلیم جهانی رخ بدهد. تغییر اقلیم نشان‌دهنده تغییرات غیرعادی در اقلیم درون اتمسفر زمین و پیامد‌های ناشی از آن در قسمت‌های مختلف کره زمین می‌باشد.

برای مثال در یخ‌های قطبی مدت این تغییرات از ده سال تا چند میلیون سال تغییر می‌کند. بخصوص در کاربرد اخیر، در مقوله سیاست محیطی، اصطلاح «تغییر اقلیم» اغلب به تغییراتی که در اقلیم کنونی رخ می‌دهد اطلاق می‌گردد. در برخی موارد، این عبارت با فرض رابطه علت و معلولی بشری نیز بکار می‌رود، همچنان که در کنوانسیون چارچوب تغییر اقلیمی سازمان ملل UNFCCC مورد استفاده قرار گرفت.

کنوانسیون UNFCCC اصطلاح «تغییرات اقلیمی» را برای تغییراتی به کار می‌برد که منشأ غیرانسانی داشته باشند. تغییر اقلیم پدیده‌ای است که در نتیجه فاکتور‌هایی همچون فرایند‌های دینامیکی زمین یا عوامل بیرونی همچون تغییرات در شدت تابش آفتاب یا فعالیت‌های انسانی رخ می‌دهد. عوامل خارجی تأثیرگذار بر اقلیم را اغلب نیرو‌های اقلیمی می‌نامند و شامل فرایند‌هایی همچون نوسانات در شدت نور خورشید، انحراف در مسیر حرکت زمین و افزایش غلظت گاز‌های گلخانه‌ای می‌شود.

بازخورد‌های ناشی از تغییر اقلیم متغیر می‌باشد و ممکن است سبب افزایش یا کاهش این عوامل درونی شوند. بسیاری از تغییرات درونی در سیستم‌های اقلیمی با تأخیر رخ می‌دهند. زیرا سیستم اقلیمی کره زمین بسیار بزرگ است و به کندی حرکت می‌کند و به ورودی‌ها با تأخیر پاسخ می‌دهد.

برای مثال یک سال خشکسالی تنها سبب کاهش آرام سطح دریاچه‌ها یا خشک شدن حاشیه زمین‌های هموار می‌گردد. در سال‌های بعدی این شرایط ممکن است با کاهش بارش منجر شود که احتمالاً به یک سال خشک‌تر دیگر منجر می‌گردد. وقتی که نقطه بحرانی بعد از x  سال فرا می‌رسد، کل سیستم ممکن است به صورت دیگر تغییر کند و این حالت در هر صورت به توقف بارش منجر می‌شود. این نمونه از تغییر اقلیم سریع و برگشت‌پذیر است که به صورت تأخیری رخ می‌دهد.

عوامل تغییر اقلیمی

تغییرات اقلیمی به نوسانات درون محیط زمین، فرایند‌های طبیعی موجود در اطراف آن، و تأثیر فعالیت بشر بر آن برمی‌گردد. عوامل خارجی که می‌تواند اقلیم را شکل دهد اغلب نیرو‌های اقلیمی نامیده می‌شوند شامل فرایند‌هایی همچون نوسانات در تابش خورشیدی، گردش (وضعی) زمین، و مقادیر (تمرکز) گاز گلخانه‌ای‌ می‌باشند.

نوسانات درون اقلیم زمین

آب‌وهوا در آن و به خودی خود، یک سیستم پویای غیرخطی نامنظم| بی نظم است، اما در بسیاری از موارد، مشاهده می‌شود که اقلیم (یعنی وضعیت میانگین آب و هوا) به درستی ثابت و قابل پیش‌بینی است. این مسئله شامل دمای متوسط، میزان بارش، روز‌های آفتابی، و بسیاری متغیر‌های دیگری می‌شود که در هر مکانی می‌توان آن را سنجش نمود. اما، تغییراتی نیز درون محیط زمین وجود دارند که می‌تواند بر اقلیم آن تأثیر بگذارد.

یخبندان

توده‌های یخی به عنوان یکی از حساس‌ترین شاخص‌های تغییر اقلیمی شناخته می‌شوند، که عمدتاً طی دوره سرد شدن اقلیم افزایش می‌یابند (مانند دوره کوتاه یخبندان) و در طول گرم شدن آب و هوا در مقیاس‌های متوسط زمانی شروع به پسرفت می‌کنند. افزایش و فروپاشی توده‌های یخی، هر دو به نوسان پذیری طبیعی و عمدتاً نیرو‌های تشدیدکننده خارجی کمک می‌کند. اما، طی قرن گذشته، توده‌های یخی نتوانسته‌اند به حدکافی لایه‌های یخی را مجدداً تولید کنند تا جبرانی برای یخ‌های از دست رفته طی ماه‌های تابستانی باشد.

مهمترین فرایند‌های اقلیمی چند میلیون سال اخیر چرخه‌های یخبندان و درون یخبندان در دوره یخبندان کنونی می‌باشد. اما واکنش‌های داخلی شکل گرفته در چرخه‌های میلانکوویچ| نوسانات گردشی، شامل صفحات یخی قاره‌ای و m. ۱۳۰ تغییر سطح دریا است که قطعاً نقش کلیدی را درباره تصمیم‌گیری پیرامون این مسئله ایفا می‌کند که چه واکنش اقلیمی در بیشتر مناطق مشاهده خواهد شد. تغییرات دیگر، از جمله وقایع هاینریش، حوادث دانسگار اوشگر و داغ‌گلی نورس نشانگر توان بالقوه نوسانات یخبندان است که حتی در غیاب تغییرات گردشی خاص بر اقلیم تأثیر می‌گذارد.

نوسان پذیری اقیانوس

تقریباً در مقیاس چند دهه، تغییرات اقلیمی نیز می‌تواند از تغییرات درون سیستم‌های اقیانوسی/ جوی حاصل شود. بسیاری از شرایط اقلیمی، مشهود‌تر از همه ENSO| نوسان جنوبی ال نینو، بلکه شامل نوسان دهه‌ای پاسیفیک، نوسانان اقیانوس اطلس شمالی، و نوساناقیانوس منجمد جنوبی بوده که به عنوان شرایطی خاص درون سیستم اقلیمی شناخته شده‌اند، که دست کم در اثر وجود آن‌ها تا حدودی با روش‌های گوناگون گرما توانسته در اقیانوس‌ها ذخیره شده و بین منابع مختلفی جابجا شود. در مقیاس‌های زمانی طولانی‌تر، فرایند‌های اقیانوسی همچون گردش ترمو هالاین نقش کلیدی را در توزیع مجدد گرما ایفا می‌نماید، و در صورت تغییر توانسته به شدت بر اقلیم تأثیر بگذارد.

حافظه (بازگشت) اقلیمی

بیشتر اشکال نوسان پذیری داخل یک سیستم اقلیمی را می‌توان به شکل پسماند محسوب نمود، به این مفهوم که وضعیت جاری اقلیم نه تنها بیانگر ورودی‌های آن بلکه تاریخچه چگونگی پیدایش و رسیدن به این مرحله در آن می‌باشد. مثلاً، یک دهه شرایط خشکسالی می‌تواند موجب نابودی دریاچه‌ها، خشک شدن کامل دشت‌ها و توسعه کویر‌ها شود. در عوض، این شرایط می‌تواند به بارش‌های کمتر در سال‌های جاری بینجامد. بطور خلاصه، تغییر اقلیمی می‌تواند یک فرایند خودجوش دائمی باشد، زیرا جنبه‌های گوناگون محیطی با نسبت‌های متفاوت و به طرق گوناگون نسبت به نوساناتی که ناگزیر روی می‌دهد، پاسخ می‌دهند.

عوامل غیر اقلیمی ایجادکننده تغییر آب و هوایی

مطالعات اخیر، نشان می‌دهد که نیروی تابشی در اثر گاز‌های گلخانه‌ای عامل اصلی گرم شدن جهانی می‌باشد. گاز‌های گلخانه‌ای نیز نقش مهمی در درک تاریخچه اقلیمی زمین دارند. بر طبق این مطالعات،  اثر گلخانه‌ای که در اثر به دام انداختن حرارت از سوی گاز‌های گلخانه‌ای، تولید گرما می‌کند، نقشی کلیدی در تنظیم دمای زمین دارد.
در طول ۶۰۰ میلیون سال اخیر، مقادیر دی‌اکسید کربن احتمالاً از بیش از ۵۰۰۰ ppm تا کمتر از ۲۰۰ ppm تغییر کرده که عمدتاً به خاطر تأثیر فرایند‌های زمین‌شناسی و ابداعات زیست‌شناسی بوده‌است. با دقتی بیشتر، این مسئله (توسط وایزر و دیگران ۱۹۹۹) مورد بحث قرار گرفت که نوسانات در مقادیر گاز‌های گلخانه‌ای به ازای ده‌ها میلیون تن در سال به خوبی با تغییر اقلیمی همبستگی ندارد که احتمالاً در این موردتکتونیک صفحه‌ای نقش غالب تری را ایفا می‌کند. اما، نمونه‌های متعددی از تغییرات سریع در مقادیر گاز‌های گلخانه‌ای در جو زمین وجود دارند که ظاهراً با گرم شدن شدید رابطه تنگتنگی دارند از جمله دوره حداکثر سوزان پالئوسن- ایوسن| دوران پالئوسن- ایوسن، دوران انقراض پرمین- ترازئیک| دوران انقراض خزندگان و دایناسور‌ها و پایان دوره یخبندان زمین در ناحیه اسکاندیناوی (وارانجیان).
طی دوران جدید، بالا رفتن سطوح دی‌اکسید کربن به عنوان عامل اصلی محسوب می‌شود که موجب گرم شدن جهان از سال ۱۹۵۰ تاکنون شده‌است.

تکتونیک (زمین ساختی) صفحه‌ای

در طولانی‌ترین مقیاس‌های زمانی، تکتونیک صفحه‌ای قاره‌ها را جابجا کرده،  اقیانوس‌ها را شکل داده، و کوه‌ها را تشکیل داده و از هم جدا می‌سازد و کلاً به عنوان فرایندی تعریف شده که اقلیم در آن پدید می‌آید. در زمان اخیر، حرکات صفحه‌ای در مورد تشدید روند دوره یخبندان کنونی بیان شده‌اند زمانی در حدود ۳ میلیون سال قبل، که در آن صفحات (قاره‌ای) آمریکای شمالی و جنوبی با یکدیگر برخورد نمودند تا باریکه پاناما را تشکیل داده و به درهم آمیختگی میان اقیانوس‌های اطلس و آرام پایان دهند.

نوسان خورشیدی

خورشید، به عنوان یک منبع فناپذیر است تقریباً تمام انرژی سیستم اقلیمی را تأمین می‌نماید، و یک بخش کامل در شکل‌گیری آب و هوای زمین می‌باشد. درطولانی‌ترین مقیاس‌های زمانی، خورشید هم‌زمان با این که به روند اصلی تکامل خود ادامه می‌دهد، درخشانتر هم می‌شود. در ابتدای پیدایش تاریخ زمین| تاریخ زمین، تصور بر این بود که آن خیلی سرد بوده تا بتواند مایع آب را بر روی سطح زمین حفظ نماید، که این به موضوعی منجر شد که تحت عنوانپارادوکس خورشید جوان بی‌حال شناخته می‌شود.

در مقیاس‌های جدیدتر زمانی، اشکال متفاوتی از نوسان خورشیدی نیز وجود دارند از جمله چرخه خورشیدی ۱۱ ساله و دوره تغییرات طولانیتر. اما، چرخه ۱۱ ساله لکه خورشیدی به روشنی و به خودی خود در داده‌های اقلیم‌شناسی ظهور نمی‌کند. این نوسانات در پیدایش دوره کوتاه یخبندان و برخی موارد مشاهده گرم شدن زمین از سال ۱۹۰۰ تا ۱۹۵۰ تأثیرگذار به حساب آمده‌اند.

تغییرات گردشی

نوسانات گردشی در برخی موارد در تأثیرشان بر اقلیم (زمین)، موجب توسعه نوسان پذیری خورشیدی می‌شوند، زیرا نوسانات جزئی در گردش وضعی زمین سبب تغییراتی در توزیع و فراوانی نور خورشید می‌شود که به سطح زمین می‌رسد. یک چنین نوسانات گردشی، تحت عنوان چرخه‌های میلانکویچ، روند کاملاً قابل پیش‌بینی بر اساس اصول علم فیزیک و در اثر تعاملات دوجانبه زمین و خورشید و سایر سیارات می‌باشند. این نوسانات به عنوان نیرو‌های محرک موجود در چرخه‌های یخبندان و درون یخبندان از دوره یخبندان کنونی محسوب می‌شوند. نوسانات پیچیده تری نیز وجود دارند، همچون پیشروی و پسروی مکرر بیابان صحرا در واکنش نسبت به انحراف مسیر گردش (وضعی زمین).

فوران آتشفشان

هر نوع فوران آن که در زمان‌های مختلف در هر قرن به وجود می‌آید، می‌تواند بر آب و هوا تأثیر بگذارد، که دوره چند ساله‌ای طول می‌کشد تا سرد شود. مثلاً فوران کوه پیناتوبو در سال ۱۹۹۱، که اثر آن به ندرت در نمای دمای جهانی قابل مشاهده‌است. فوران‌های عظیم که تحت نام حوزه‌های بزرگ آتشفشانی شناخته می‌شوند، تنها چند بار در هر صد میلیون سال رخ می‌دهند، اما قادر است اقلیم زمین را برای میلیون‌ها سال تغییر داده و موجب انقراض‌های دسته جمعی شود. در ابتدا، دانشمندان تصور می‌نمودند که غبار پراکنده شده در جو در اثر فوران‌های بزرگ آتشفشانی از طریق مسدود کردن جزئی انتقال تابش خورشیدی به سطح زمین، مسئول سرد شدن آن بوده‌اند. اما، سنجش‌ها نشان می‌دهد که بیشتر غبار پراکنده شده در جو ظرف شش ماه به سطح زمین بازمی‌گردد.

تأثیرات انسانی بر اقلیم

عوامل مؤثر انسانی، فعالیت‌هایی هستند که به وسیله آن انسان‌ها محیط را تغییر داده و بر اقلیم تأثیر می‌گذارند. بزرگترین عامل مورد نظر کنونی افزایش سطح CO ۲ در اثر برونده‌های مربوط به احتراق سوخت فسیلی است که در نتیجه آن‌ها ذرات معلق| آئروسل‌ها (ذرات معلق در جو) موجب اعمال اثر سرد سازی (بر اقلیم) می‌شود. عوامل دیگر، از جمله استفاده از زمین، استهلاک ازن، و تخریب جنگل‌ها نیز بر اقلیم تأثیرگذار هستند.

سوخت‌های فسیلی

با آغاز انقلاب صنعتی در دهه ۱۸۵۰ و شتابگیری آن تاکنون، مصرف سوخت‌های فسیلی توسط بشر موجب بالا رفتن سطح CO ۲ از مقادیر ppm ۲۸۰~ تا بیش از ppm ۳۷۰ تا امروز شده‌است. این میزان در حال افزایش است تا به بیش از ppm ۵۶۰ پیش از پایان قرن ۲۱ ام برسد. در کنار سطوح فزاینده متان، برای این تغییرات پیش می‌شود که باعث افزایش دمایی حدود c. ° ۶/۵–۴/۱ بین سال‌های ۱۹۹۰و ۲۱۰۰ شود. (نگاه کنید به گرم شدن جهانی)

بهره‌برداری از زمین

پیش از استفاده گسترده از سوخت فسیلی، بزرگترین تأثیر بشری بر اقلیم محلی احتمالاً از استفاده از زمین حاصل می‌شده‌است. آبیاری، تخریب جنگلها، و کشاورزی اصولاً باعث تغییر محیط می‌شود. مثلاً، آن‌ها میزان آب ورودی و خروجی از یک مکان خاص را تغییر می‌دهند. آن‌ها همچنین می‌توانند با تأثیرگذاری بر پوشش زمین و تغییر مقدار نور خورشید که جذب می‌شود، بازتابش ناحیه‌ای آن را دستخوش تغییر سازند. مثلاً شواهدی موجود است که تأیید می‌کند اقلیم یونان و دیگر کشور‌های حوزه مدیترانه دائماً دراثر تخریب جنگل‌ها بین سال ۷۰۰ قبل از میلاد تا زمان میلاد تغییر کرده‌است (چوب این جنگل‌ها برای ساختن کشتی، ساختمان و به عنوان سوخت استفاده می‌شد)، که در نتیجه آن اقلیم جدید در منطقه عمدتاً داغ‌تر و خشک‌تر شده و گونه‌های درختی که در دنیای باستان برای ساختن کشتی بکار می‌رفته دیگر در این ناحیه یافت نمی‌شوند. فرضیه جنجالی ویلیام رودیمن فرضیه آنترو پوسن اولیه /‌ می‌گوید افزایش کشاورزی و به همراه آن تخریب جنگل‌ها موجب افزایش دی‌اکسید کربن و متان طی دوره ۸۰۰۰–۵۰۰۰ سال گذشته شده‌است. این افزایش‌ها که به تنزل‌های گذشته بر می‌گردد، می‌تواند مسئول تأخیر در آغاز دوره یخبندان بعدی بر طبق فرضیه رودیمن شود.

تأثیر متقابل عوامل

اگر یک عامل خاص (مثلاً نوسان خورشیدی) در جهت تغییر اقلیم عمل کند، پس ساز و کار‌هایی می‌تواند وجود داشته باشند که سبب تشدید یا کاهش اثرات (آن) شوند. این موارد را نیز بازخورد مثبت| مثبت و بازخورد منفی| منفی می‌نامند. تا آنجا که معلوم است، کلاً سیستم اقلیمی با توجه به این بازخورد‌ها پایدار است: بازخورد‌های مثبت مهار نشدنی نیستند. بخشی از دلیل آن، مربوط به وجود یک بازخورد قدرتمند منفی بین دما و تابش پراکنده شده‌است: تابش متناسب با توان چهارم دمای مطلق افزایش می‌یابد.

اما، تعدادی از بازخورد‌های مهم مثبت نیز وجود دارند. چرخه‌های یخبندادن و درون یخبندان از دوره یخبندان فعلی بیانگر یک نمونه مهم می‌باشد. باور بر این است که نوسانات گردشی (زمین) برای پیشروی و پسروی صفحات یخی زمان‌بندی ایجاد می‌کند. اما، خود این لایه‌ها نور خورشید را به فضا منعکس می‌کنند و از این رو باعث ارتقاء سرد شدن و رشد خود می‌شوند، که تحت عنوان بازخورد بازتابش- یخ شناخته می‌شود. علاوه بر این، پایین آمدن سطوح دریا و گسترش یخ رشد گیاهی را کاهش داده و به‌طور غیر مستقیم باعث افت میزان دی‌اکسید کربن و متان می‌شود. این عامل سبب سرد شدن بیشتر می‌شود. همین‌طور، به عنوان مثال، بالا رفتن دما‌ها در اثر برونده‌های انسانی گاز‌های گلخانه‌ای می‌تواند به پسروی لایه‌های یخی بینجامد که سطح تیره‌تر زیرین زمین را آشکار می‌نماید، و در نتیجه به جذب بیشتر نور خورشید منجر خواهد گردید.

بخار آب، متان، و دی‌اکسید کربن نیز می‌توانند به عنوان بازخورد‌های مهم مثبت عمل نمایند، و با بالا رفتن سطوح خود در پاسخ به روند گرم شدن، بدینوسیله آن روند را شتاب بخشند. بخار آب قطعاً به عنوان یک بازخورد (به استثنای مقادیر اندک آن در استراتوسفر) بر خلاف دیگر گاز‌های گلخانه‌ای اصلی می‌تواند به عنوان عوامل مؤثر عمل کند.

بازخورد‌های پیچیده‌تر شامل احتمال تغییر الگو‌های گردشی در اقیانوس یا جو می‌باشند. مثلاً، نگرانی مهم در دوران جدید، ذوب شدن توده یخی گرینلند است که همراه با تن نشست آب‌ها در قطب شمال و ایجاد مانع بر سر گردش ترموهالاین خواهد بود. این مسئله می‌توانست بر جریان خلیج و توزیع گرما به اروپا و ساحل شرقی ایالات متحده اثر بگذارد. دیگر بازخورد‌های بالقوه به خوبی قابل درک نمی‌باشند و ممکن است موجب جلوگیری یا افزایش روند گرم شدن بشوند. مثلاً، معلوم نیست که آیا بالا رفتن دما‌ها موجب افزایش یا جلوگیری رشد گیاهی (نباتی) می‌شود که این در عوض می‌تواند کمابیش میزان دی‌اکسید کربن را تنزل دهد. همچنین، افزایش دما می‌تواند کمابیش باعث ایجاد پوشش ابر شود. چون این موضوع در پوشش متوازن ابری دارای اثر سردکنندگی می‌باشد، هرگونه تغییری در افزایش ابر‌ها نیز می‌تواند بر آب و هوا اثر بگذارد.

شواهد برای تغییر اقلیمی

این شواهد از دسته‌ای از منابع به دست می‌آید که می‌توان برای بازسازی اقلیم‌های قدیمی بکار برد. بیشتر این شواهد تغییرات غیر مستقیم آب و هوایی هستند که از نوسانات موجود در شاخص‌هایی استنباط می‌شود بر اقلیم تأثیر می‌گذارند، همچون رویش گیاهان، دانش تعیین سن گیاهان با شمارش حلقه‌های رشد، لایه‌های یخی، تغییر سطح دریا، پسروی (لایه) یخی.

تحلیل گرده افشانی

برخی گونه‌ها دارای الزامات خاص اقلیمی هستند که بر پراکندگی‌های جغرافیایی آن‌ها اثر می‌گذارد. هر گونه گیاهی دارای دانه گرده‌ای شکل بارزی می‌باشد و در صورتی که این دانه‌ها در محیط‌های عاری از اکسیژن همچون نقاط گندابی، در برابر تخریب از خود مقاومت نشان می‌دهند. تغییرات موجود در دانه گرده در سطوح مختلف از این محیط گندابی با بیان تغییرات اقلیمی نشان داده می‌شود.
یک محدودیت در این روش این حقیقت است که دانه گرده می‌تواند از طریق باد یا گاهی اوقات حیات وحش به فواصل عمدتاً دوری منتقل شود.

تغییر اقلیمی و اقتصاد

بحثی درباره این موضوع که چگونه تغییر اقلیمی بر اقتصاد جهان اثر می‌گذارد، وجود داشته‌است. درگزارش مورخه ۲۹ اکتبر۲۰۰۶، از سوی نیکولاس استرن، اقتصاد دان برجسته بانک جهانی| مدیراقتصادی و معاون بلندپایه ریاست بانک جهانی، او اظهار می‌دارد که تغییر آب و هوائی توانسته بر رشد اقتصادی| رشد اثر بگذارد به نحوی که می‌توان تا یک پنجم اقتصاد آن را دچار ورشکستی نماید مگر آن که یک اقدام کارآمد نسبت به آن اتخاذ گردد.  (گزارش هشدار در مورد تغییرات اقلیم)