Volli Kalm, Horisont 2/2009

Paljude tänapäeval toimuvate ja tulevikku prognoositud nähtuste mõistmiseks annab võtme kliima ajaloo ehk paleokliima tundmine.

Ei möödu päevagi, ilma et me kuuleks arutelusid kliimamuutustest. Enamasti käib jutt globaalsest soojenemisest ja hirmutavast tulevikust. Vanaemad-vanaisad mäletavad veel, kuidas 1939/40. aasta talvel võttis külm ära pirni-, ploomi- ja õunapuud, kuid pärast seda, aastatel 1951-2000, on Eestis aasta keskmine temperatuur klimatoloog Jaak Jaaguse andmetel tõusnud 1-1,7 ºC. Kui mitu Tartu suusamaratoni on lumepuudusel ära jäänud! Nii seostubki kliima kõikumine eelkõige sellega, mis juhtunud otseselt tajutava ajaraami piires. Pikema ajalise toimega looduslike protsesside taust ning osalus selles, mida praegu kliimaga seoses kogeme, jääb tihti arusaamatuks. Kliima ajaloo ehk paleokliima tundmine annab aga võtme paljude nähtuste ning prognooside mõistmiseks.

Kliima muutub kogu aeg

Esimene, mida minevikust õppida võiks, on teadmine: kliima on läbi kogu Maa ajaloo pidevalt muutunud, muutub praegu ning pole teada ühtegi tõsiselt võetavat põhjust, miks ei peaks muutuma ka tulevikus. Enamik teadaolevaid kliimamuutusi on olnud tsüklilised ning tihti on esmapilgul ajas vaibunud või võimendunud tsüklid osutunud hoopis mõne pikemaealise kliimatsükli osaks. Üleskutse võidelda kiimamuutuste vastu on oma olemuselt ettepanek fikseerida Maa kliima niisugusena, nagu see on hetkel, või nagu see oleks õige meie ettekujutuses. Aga miks peaks viie miljardi aastases ja veel miljardeid aastaid jätkuvas ahelas olema õige just see kliima, mida tänapäevast teame? Paraku pole inimene võimeline peatama globaalset kliimat kujundavaid looduslikke protsesse, nagu pole võimalik vältida ka öö ja päeva vaheldumist.

Globaalse soojenemisega seoses on ebaõiglaselt ühekülgselt keskendutud süsinikdioksiidi sisaldusele atmosfääris ja osalusele kasvuhooneefekti tekitamises, seda eriti laiale lugejaskonnale suunatud meedias. Süsihappegaasi probleemi tähtsustamine on kindlasti põhjendatud, pidades silmas atmosfääri olulist reostamist fossiilsete kütuste põlemisjääkidega. Praegu on inimkonna „toodetud" ja atmosfääri paisatav süsinikdioksiidi hulk umbes 26-27 gigatonni aastas (0,9 protsenti atmosfääris olevast 3000 gigatonnist süsihappegaasist) ning otse loomulikult on mõistlik ja loodussäästlik seda hulka vähendada. Vastasel juhul läheneb kiiresti aeg, mil fossiilsete kütuste otsasaamine ise lõpetab antropogeense süsinikdioksiidi reostuse.

Kliima juurde tagasi pöördudes on selge, et ühe ööpäevaga ei saa süsinikdioksiidi sisaldus atmosfääris põhimõtteliselt väga palju muutuda, kui läheduses just mõni vulkaan ei purska. Ometi võib õhutemperatuuri ööpäevas kõikuda näiteks Eestiski üle 20 kraadi. See on vaid üks lihtne näide, mis illustreerib tõsiasja, et kliima ei kujune mitte üks-üheses põhjuse ja tagajärje vahelises seoses, vaid see on kompleksne protsess, kus on palju muutujaid.

Maa-välistest teguritest

Maa kliima sõltuvust Maa-välistest teguritest on inimkond teadnud kogu aeg, sest päeva ja öö, suve ja talve vaheldumine ning nendega seotud ilmamuutused on kõigile silmanähtavad. Aga alles astronoomia areng ning teadmised Päikesesüsteemist ja maailmaruumi ehitusest tegid võimalikuks Maa-väliste põhjustega kliimatsüklite teadusliku seletuse. Šotlane James Croll avaldas 1885. aastal ilmunud raamatus „Kliima ja kosmoloogia" („Climate and Cosmology") teooria, milles seletas globaalseid kliimamuutusi ja eriti nende tsüklilisust Maa orbiidi kuju muutustega ajas. Ta tugines oma kaasaegse, Neptuni avastaja Urban Le Verrier'i andmetele Maa orbiidi kuju muutumisest ning leidis, et perioodilised jäätumised Maal on põhjuslikus seoses Maa orbiidi ekstsentrilisuse perioodilise muutumisega.

Serblane Milutin Milanković arendas 20. sajandil seda teooriat edasi, võttes lisaks orbiidi ekstsentrilisuse muutusele arvesse ka Maa pöörlemistelje kalde muutuse orbiidi tasandi suhtes ning pöörlemistelje orientatsiooni nn kinnistähtede suhtes. Nende astronoomiliste põhjuste kombineerumisest tuletatud kliima perioodilisi muutusi nimetatakse Milankovići tsükliteks. Viimased esinevad ligikaudu 100 000-, 41 000- ja 21 000-aastaste, üksteisega kombineeruvate tsüklitena. Lihtne on näha, kuidas Maa orbiidi ekstsentrilisuse muutumise 100 000-aastane tsükkel korreleerub polaaralade temperatuurimuutuste ning süsinikdioksiidi sisaldusega atmosfääris viimasel 800 000 aastal (jää-puursüdamike andmeil, vt joonis 1 trükinumbris).

Muid seoseid otsides

Peale temperatuurikõvera ja atmosfääris sisalduva süsinikdioksiidi hulga on teisigi esmapilgul üks-üheses seoses olevaid tegureid, mis kliimat mõjutavaid. Näiteks maapinnani jõudva kosmilise kiirguse hulga seos Maa-lähedase pilvkatte tihedusega (vt joonis 2 trükinumbris). Teaduslikku põhjendust, mis selgitab kosmilise kiirguse mõju Maa kliimale, on hakatud nimetama kosmoklimatoloogiaks. Maale jõudnud kosmilise kiirguse intensiivsus on minevikus oluliselt kõikunud ning, arvestades selle osalust atmosfääri aerosoolide ja seeläbi pilvede tekkes, ka oluliselt kliimat mõjutanud. Täpsemalt: mõjutanud aerosoolide hulka atmosfääris ja pilvkatte tihedust, millest omakorda sõltuvad Päikese lühilainelise kiirguse hajumine maailmaruumi ning maapinnani jõudva kiirgusvoo intensiivsus.

Taanlase Henrik Svensmarki arvutuste järgi on viimasel 542 miljonil aastal ehk fanerosoikumis esinenud neli suurt „täisvõnget", mille jooksul kosmilise kiirguse intensiivsus on muutunud suhteliselt kõige madalamast tasemest kõige kõrgemani ja tagasi (vt joonis 3A trükinumbris). Üldjoontes korreleerub see kosmilise kiirguse suhteline intensiivsus hästi maailmamere troopilise osa pinnatemperatuuriga. Küll aga ei lange kosmilise kiirguse ning troopiliste merede temperatuuri kõikumine kokku süsinikdioksiidi sisalduse muutustega fanerosoikumi atmosfääris (vt joonis 3B trükinumbris). Fanerosoikumi kaks kõige suuremat, permi-karboni ja kainosoikumi jäätumine algasid parasjagu siis, kui kosmiline kiirgus oli oma suhtelises miinimumis. Ühtlasi on need perioodid, kus ka süsinikdioksiidi sisaldus atmosfääris oli miinimumis ehk alla 500 ppmv.

Samadest andmetest nähtub aga, et kahel külmaperioodil, hirnantias ja juura-kriidis, mil kosmiline kiirgus oli samuti miinimumis, oli hoopis atmosfäärse süsinikdioksiidi sisalduse kõrgperiood. Seega puudub Maa ajaloo viimases 540miljonilises osas positiivne korrelatsioon globaalsete soojaperioodide ning kõrge atmosfäärse süsinikdioksiidi sisalduse vahel. Aga ka fanerosoikumi jäätumised ei ole vanimad Maa ajaloos. Kindlaid tõendeid jäätumistest, näiteks kivistunud glatsiaalseid setteid ehk tilliite, on teada ka proterosoikumi lõpust krüogeenist ehk ajavahemikust 850-630 miljoni aastat tagasi, kuid selle külmaperioodi seosed Maa atmosfääri koostise, temperatuuride või ka astronoomiliste teguritega on veel ebaselged.

Mandrijää ja merejää

Lisaks Maa-välistele teguritele on paleokliima ja jäätumiste selgitamisel oluline arvestada seda, kuidas paiknesid meid huvitaval perioodil kontinendid polaaralade suhtes. Mandrijäätumine on külmaperioodidel alati lähtunud pooluste piirkondadest, mistõttu kontinentide asendil võib jäätumise toimumise seisukohast olla otsustav roll. Viimast selgitab taas näide tänapäevast - Maa lõunapooluse piirkonnas Antarktikas on praegu kuni 4,7 km paksuselt mandrijääd, aga põhjapooluse ümbruses vaid ujuv merejää. Põhjuseks asjaolu, et esimeses regioonis paikneb Antarktika manner, teises aga sügav Põhja-Jäämeri.

Samamoodi mõjutas mandrite asend jäätumist ka kauges minevikus. Näiteks hirnantia, hilis-devoni - vara-karboni ning karboni-permi jäätumiste ajal paiknes maismaa põhiliselt Maa lõunapoolkeral. Hilis-ordoviitsiumist, mil algas hirnantia jäätumine, paigutus järjest suurem osa mandritest lõunapolaarvööndisse, kus need püsisid kuni Pangaea hiidmandri lagunemise alguseni permi lõpus. Juura-kriidi ning eriti kainosoikumi jäätumised toimusid aga hoopis teistsugustes paleogeograafilistes tingimustes, sest Pangaea hiidmanner oli juba lagunenud osadeks, milles tunneme ära tänaste mandrite kuju, ning mis paigutusid järjest enam tänasesse asendisse.

Kainosoikumi kliimakõikumised

Tänapäevale lähemast ajast on info täpsem ning võimaldab detailsemaid rekonstruktsioone. Kainosoikumi ehk viimase 65,5 miljoni aasta temperatuurikõver on esmapilgul vaid üks „allakäigu trepp" jahenemise suunas (vt joonis 3C trükinumbris). See globaalse temperatuuri langus, mis algas pärast kainosoikumi kliimaoptimumi 50 miljonit aastat tagasi, on tuletatud polaaralade andmestikust ning üldjoontes päris heas positiivses seoses süsinikdioksiidi sisalduse vähenemisega atmosfääris. Mõlemad on kainosoikumis alanenud ligikaudu kolm korda.

Praegu asub kaks kolmandikku maismaast põhjapoolkeral, kuid tänu Antarktika asendile lõunapolaarvööndis algas ka kainosoikumi jäätumine 34-35 miljonit aastat tagasi ikkagi sealt. Edasi läks vaja veel olulist temperatuuri langust, enne kui 2,7 miljonit aastat tagasi algas jäätumine ka põhjapoolkeral, kõigepealt Gröönimaal ning edasi teistel Põhja-Atlandi ümbruse saartel ja mandrialadel. Globaalse jahenemisega seoses alanes ka maailmamere veetase, mis veel kriidi ajastu lõpul ehk 145-65 miljonit aastat tagasi oli 100±50 meetrit praegusest kõrgem. Ühtlasi suurenes Maa kontinentaalalade proportsioon merede-ookeanide pindala suhtes. Samalaadselt muutus maailmamere veetase kõigis fanerosoikumi kliimatsüklites, aga täpsemalt on see teada jällegi viimaste kvaternaari jäätumiste ajast, kus veetase jääajal oli 120-150 meetrit madalamal kui jäävaheajal. Veetaseme kõikumise peapõhjuseks oli loomulikult suure hulga vee sidumine liustikesse külmal ajal ning sulamine temperatuuri tõustes. Lisaks aitas kaasa maailmamere paksu veekihi erinev soojuspaisumine soojal ja külmal perioodil.

Viimasel 800 000 aastal (vt joonis 1A trükinumbris) on tuvastatav selge ja otsene korrelatsioon süsinikdioksiidi sisalduse ja temperatuuri vahel, mis on saadud Antarktika jääsüdamike analüüsimisel. Eespool mainisime, et see korreleerub hästi Milankoviči 100 000-aastase tsükliga (vt joonis 1B). Sama ajalõigu vanemas osas, enam kui 450 000 aastat tagasi, on pikema tsükli sees või kõrval näha ka 41 000aastane tsükkel. Süsinikdioksiidi sisalduse ja temperatuuriandmestiku täpsemal uurimisel - siiski ainult viimase 600 000 aasta kohta - nähtub, et temperatuuri tõus ennetas tihti süsinikdioksiidi sisalduse tõusu ligikaudu 600 aasta võrra. Järelikult võis süsinikdioksiidi sisalduse kõikumine atmosfääris olla nii temperatuuri tõusu põhjus kui ka tagajärg, ning seda loomulikult koostoimes paljude teiste looduslike kliimateguritega.

Täiesti kindel on aga asjaolu, et viimases kaheksas kliimatsüklis on süsinikdioksiidi sisalduse ja temperatuuri tõus olnud alati väga kiire, seevastu järgnev jahenemine, s.h süsinikdioksiidi vähenemine, on olnud aeglasem ning vaheldunud lühikeste soojenemisperioodidega üldise jahenemise taustal. Põhjapoolkera paleogeograafilistesse sündmustesse tõlgituna tähendab soojenemise-jahenemise ebasümmeetrilisus seda, et mandrijäätumistele lõpu teinud soojenemine oli alati järsk ja kiire, kuid järgmise jääaja poole liikumine aeglane ning lühemate soojaintervallidega. Otse lõunapooluse all olev Antarktika on siingi erand ning reageeris kliimatsüklitele vaid jää massi ja pindala vähenemise-suurenemisega.

Lisaks sellele, et Maale jõudvat päikesekiirguse hulka mõjutavad perioodiliselt Maa pöörlemise ja tiirlemise parameetrid, muutub Päikese enda aktiivsus keskmiselt 11-aastase perioodiga. Ka see lühike tsükkel korreleerub hästi Maa pinna temperatuuri muutustega. Näiteks viimase 150 aasta andmed näitavad, et Päikese plekkide arvu suurenemise perioodid kattuvad maailmamere pinna temperatuuri tõusuga (mõõdetud laevadelt). Samuti on selgelt näha, et mida lühemad on olnud Päikese aktiivsuse tsüklid, varieerudes vahemikus 10-12 aastat, seda suuremad on olnud põhjapoolkera maismaa temperatuuri positiivsed anomaaliad. Näiteks 1940.-1950. aastate maapinna temperatuuri tõus (vt joonis 4 trükinumbris) langeb kokku 10-10,5 aastat kestnud Päikese aktiivsuse perioodidega, samas kui enne ja pärast seda esinesid 11-12aastased aktiivsuse tsüklid.

Kohalikud eripärad

Globaalse või ka poolkerade üldise kliimamuutuse taustal esineb alati regionaalseid kõrvalekaldeid, mis torkavad eriti silma siis, kui nende toime on üldisele vastupidine. Näiteks olid juba sissejuhatuses viidatud 1939. ja 1940. aasta talv Eestis eriti karmid, kuigi maapinna temperatuur neil aastail oli selgelt üle keskmise. Ka liustike kasvamine-kahanemine ei ole sageli lineaarses seoses globaalse temperatuuri muutusega, sest liustike käitumist mõjutab ka tahkete sademete kuhjumise ning sulamise vahekord. Lisandub, eriti kasvuperioodil, ka reaktsiooniaeg, mistõttu näeme liustiku kasvamist alles aastaid pärast sademeterikast perioodi (vt joonis 4 trükinumbris). illustreerib ilmekalt Alpi liustike laienemist 1970ndail ja selle sõltumatust globaalse temperatuuri muutusest, aga ka viimase paarikümne aasta kiiret temperatuuri tõusu ja liustike hääbumist.

Tänased andmed kliimamuutustest on sedavõrd täpsed, et võimaldavad püstitada küsimusi, mida varem isegi ei osatud küsida. Nii selgub ÜRO valitsustevahelise kliimamuutuste ekspertpaneeli 2007. aasta aruandest, et 1977.-1978. aastani on Maa mõlemad poolkerad soojenenud võrdselt, kuid pärast 1978. aastat on põhjapoolkera soojenenud kaks korda kiiremini kui lõunapoolkera. Võimalike põhjustena on pakutud õhu suuremat saastatust, suurlinnade-poolset „kütmist" ning maismaa suuremat osatähtsust põhjapoolkeral, kuid viidatud on ka geotermaalsele soojusvoo kasvule Põhja-Jäämere, Atlandi keskaheliku ning Kariibi mere piirkonnas. Fakt, et ka kõige karmimal talvel ei külmu meil maa sügavamalt kui meeter-poolteist, viitab ju otseselt, et Maa sisesoojus ulatub maapinnani ning võib geotermaalselt aktiivsetes piirkondades sulatada nii liustikualuse maa kui jääd ennastki.

*

Maa kliimat tsükliliselt mõjutavaid tegureid on niisiis palju ja mitmed neist Maa-välised - kosmilise ja päikesekiirguse varieeruvus ning Maa tiirlemis- ja pöörlemisparameetrid, mis täiendavalt muudavad saabuva kiirguse hulka. Lisaks mõjutab hulk protsesse kliimat läbi atmosfääri koostise, varieerides selle kaudu kasvuhooneefekti ja albeedot. Atmosfääri ja ookeanide teke iseenesest ning hiljem elu teke ja fotosünteesi perioodilisus on samuti oluliselt mõjutanud Maa kliimat.

VOLLI KALM (1953) on lõpetanud keskkooli Vändras ja ülikooli Tartus. Tartu Ülikooli Loodus- ja Tehnoloogiateaduskonna Ökoloogia- ja Maateaduste Instituudi professor. Teadustöö põhisuunad: loodusteadused ja tehnika ning maateadused, sealhulgas mandrijäätumiste paleogeograafia, kvaternaari kronostratigraafia, pinnakatte setete sedimentoloogia, linnageoloogia, geoarheoloogia. Soome Teaduste Akadeemia geoteaduste ekspert ning aastast 2007 ka Gruusia Teadusfondi geoteaduste ekspert.

LOE VEEL

• Climate Change 2007. The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, 996 lk.
• Endersbee, L. Climate Change is Nothing New! New Concepts in Global Tectonics, 42, 2007, 3-17.
• Haigh, J. jt. Influence of Solar Activity Cycles on Earth's Climate. Danish National Space Center.2005. 
• IGC (Italian Glaciological Committee)
• Jaagus, J. Climatic changes in Estonia during the second half of the 20th century in relationship with changes in large-scale atmospheric circulation. Theoretical and Applied Climatology, 83, 2006, 77-88.
• Lüthi, D. jt. High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000-800,000 years before present. Nature, 453, 2008, 379-382.
• Marsh, N., Svensmark, H.. Cosmic rays, clouds, and climate. Space Science Reviews, 94, 1/2, 2000, 215-230.
• Miller, K. jt. The Phanerozoic Record of Global Sea-Level Change. Science, 310, 2005, 1293-1298.
• Royer, D. CO2-forced climate tresholds during the Phanerozoic. Geochimia et Cocmochimia Acta, 70, 2006, 5665-5675.
• NOAA (US National Oceanic and Atmosphere Administration)
• Shaviv, N., Veizer, J. Celestial driver of Phanerozoic climate? GSA Today, July 2003, 4-10.
• Svensmark, H. Cosmoclimatology: a new theory emerges. Astronomy & Geophysics, 48, 2007, 1, 18-24.
• Yamazaki, T., Oda, H. Orbital Influence on Earth's Magnetic Field: 100,000-year Periodicity in Inclination. Science, 295, 2002, 2435-2438.
• Zachos, J., Pagani, J., Sloan, L., Thomas, E., Billups, K. Trends, Rhytms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present. Science, 292, 2001. 686-693.

ärv