Czynniki naturalne odpowiedzialne za zmiany klimatycznych
Istnieje wiele czynników kształtujących naturalną zmienności klimatyczną. Możemy je podzielić ze względu na skalę oddziaływania na krótko- i długookresowe. Do czynników krótkookresowych zaliczamy: zmiany aktywności słonecznej, wybuchy wulkanów, zmiany cyrkulacji oceanicznej w szczególności cyrkulacji termohalinowej. Do czynników długookresowych zaliczamy: zmiany parametrów orbity ziemskiej, ewolucja składu atmosfery, dryf kontynentów, trend aktywności słonecznej. Czynniki te są jak się powszechnie uważa odpowiedzialne za zmiany klimatyczne jakie miały miejsce w historii a niektóre z nich w pewnej części odpowiedzialne za zmiany klimatyczne obserwowany obecnie na Ziemi.
Aktywność Słońca
Słońce jest praktycznie jedynym źródłem energii w systemie klimatycznym dlatego fluktuacje energii emitowanej przez niego są istotne z punktu widzenia zmian klimatycznych. Precyzyjne obserwacje stałej słonecznej prowadzone przy użyciu detektorów satelitarnych są dopiero od około 30 lat co pozwoliło przestudiować zaledwie 3 cykle 11 letnie. Wcześniejsze dane obarczone są dużo większymi błędami gdyż opierają się na metodach pośrednich np. obserwacjach plam słonecznych czy badaniach izotopowych. Wszystkie te metody potwierdzają cykliczność aktywności słonecznej z podstawowym okresem 11 lat ale badania długookresowe cykliczność w skali rzędu 80 lat. Badania satelitarne pozwoliły stwierdzić, że aktywność Słońca w cyklu 11 letnim zmienia się na poziomie zaledwie 0.1%. Przy czym największe zmiany występują w zakresie UV i dochodzą nawet do kilkunastu procent. Jednak całkowita ilość energii otrzymywana przez Ziemie w tym zakresie jest w zasadzie zaniedbywana z punktu widzenia bilansu energetycznego. Konkluzja z badań satelitarnych jest taka, że zmiany aktywności słonecznej obserwowane w ostatnich 30 latach są zbyt małe aby można nimi było wytłumaczyć obserwowane ocieplanie klimatu. Sporo kontrowersji budzą jednak zmiany stałej słonecznej w dłuższej perspektywie np. w okresie tzw. minimum Maudera. Brak bezpośrednich pomiarów z tamtego okresu sprawia, że błędy oszacowania są duże jednak prawdopodobnie Słonce w tym okresie było słabsze o około 0.5-0.6%. Wartość ta jest już znacznie większa w stosunku do cyklu 11 letniego i aktywność słoneczna może być jednym z głównych powodów tego silnego ochłodzenia zwanego małą epoką lodowcową. Więcej na temat wpływu Słońca znajduje się w materiałach do wykładu z Procesów radiacyjnych w atmosferze.
Wybuchy wulkanów
Podczas wybuchów wulkanów do atmosfery dostają się aerozole oraz gazy cieplarniane. Pierwsze z nich prowadzą jak wiadomo do ochładzania klimatu, zaś drugie do ocieplania. W skali kliku lat efekt chłodzenia jest zdecydowanie dominujące za sprawa wyniesienia aerozolu do górnych granic troposfery lub stratosfery, gdzie czas ich życia określany jest w skali od miesięcy do lata. Aerozole w postaci pyłów i związków siarki skutecznie ograniczają promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi. Nie ma dziś żadnych wątpliwości, że aktywność wulkaniczna wpływa na klimat. Jednak wybuchy wulkanów pojawiają się w sposób kompletnie dla nas nieprzewidywalny i ich wpływ np. w XXI wieku jest bardzo trudny do określenia.
Cyrkulacja oceaniczna
Oceany stanowi olbrzymi rezerwuar energii w systemie klimatycznym. Całą energia atmosfery może być zmagazynowane w jedynie kilku metrach wody oceanicznej co dobitnie pokazuje skalę wielkości oceanów w systemie klimatycznym. Oceany poza tym ze magazynują energię stanowią ważną element w cyrkulacji i transporcie energii od niskich do wysokich szerokości geograficznych. Odbywa się to główne za pośrednictwem prądów oceanicznych, które w większości przypadków mogą być traktowane jako quasi stałe procesy klimatyczne. Pomimo, że znaczna część prądów oceanicznych nie wykazuje dużych zmian w cyklu rocznym i międzyrocznym to kilka z nich charakteryzuje się dużą zmiennością. Przykładem może być tu strefa monsunu indyjskiego i prądu somalijskiego czy prąd peruwiański, którego zmienność związana jest ze oscylacjami południowo pacyficzni i zjawiskiem El' Nino/La Nina. W szczególności prąd peruwiański ma istotne znaczenie klimatyczne gdyż oscylacje południowo pacyficzne charakteryzują się dużym zasięgiem przestrzenny a zaburzenia w cyrkulacji mają skalę 3-5 letnią. Oceany ze względu na dużą pojemność cieplną przyczyniają się do długiej skali czasowej zmian klimatycznych. Gdyby na Ziemie nie było oceanów lub ich powierzchnia byłaby dużo mniejsza skala czasowa zmian klimatycznych określona była by w główne mierze przez atmosferę, która odpowiada na wymuszenia klimatyczne w skali miesięcy a nie dziesiątek czy setek lat jak to ma miejsce w przypadku oceanów oceany. Dzisiejszy stan wiedzy na temat skali czasowej zmian klimatycznych jest ciągle bardzo niski ze względu na słabą znajomość globalnej cyrkulacji oceaniczne. Cyrkulacja ta zwana jest termohalinowa gdyż jest wynikiem różnic gęstości wód oceanicznych związanych z jej temperaturą i zasoleniem. Obecnie uważa się, że woda oceaniczna krąży w obrębie wielkie pętli (ocean conveyor belt) oplatającej trzy oceany. Niestety bardzo słabo poznana jest skala czasowa tej cyrkulacji. Szacuje się, że może ona wynosić od kiluset do kilku tysięcy lat. Wnosi to istotny wkład do niepewności związanych z prognozowaniem zmian klimatycznych. Z punktu widzenia klimatu Europy najważniejszą rolę odgrywa tu cyrkulacja termohalinowa w północnym Atlantyku. Transport ciepłych wód powierzchniowych z obszarów tropikalnych przynosi ogromne ilości energii północnym rejonom Europy. W wodach arktycznych energia ta oddawana jest do atmosfery. Ciepłe początkowo wody Atlantyku szybko wychładzają się stając się gęściejsze od otoczenia. W konsekwencji prowadzi to do zapada się wód powierzchniowych, które stają się początkiem cyrkulacji zwrotnej. Istotnym z punku widzenia zapadania wody jest jej wysokie zasolenie. Zmniejszeniem zasolenia wody w tym rejonie może skutkować osłabieniem cyrkulacji. Może być to związane z topniejącymi lodowcami, które są w tym rejonie poza opadami głównymi źródłami słodkiej wody. Wyniki badań pokazują, że siła Golfstromu wolno obniża się jednak mało prawdopodobny jest scenariusz jaki miał miejsce około 8 tyś lat temu gdy po wpłynięciu słodkiego jeziora Ameryki Północnej cyrkulacja ta zmniejszyła się gwałtownie przynosząc silne zlodowacenie w Europie.
Źródło, wikipedia (Robert Simmon, NASA. and Robert A. Rohde)
Zmiany parametrów orbity ziemskiej
Zmiany parametrów orbity ziemskiej są z cała pewnością przyczyną wielu zmian klimatycznych na Ziemi. Skala tych zmian jest jednak pisana w dziesiątkach tysięcy lat a ich skutki nie mogą być przyczyną obserwowanych obecnie zmian klimatycznych. Zmiany w kształcie orbity i nachyleniu osi obrotu Ziemi to ekliptyki prowadzą do zróżnicowania ilości promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni Ziemi oraz jej dystrybucji w różnych szerokościach geograficznych. Zmiany te opisywane są przez tzw. cyklu Milankovica. Więcej na temat tych zmian znajduje się w materiałach do wykładu z Procesów radiacyjnych w atmosferze.
