Rein Vaikmäe ja Tarmo Soomere: kliimamuutuste mehhanismid selgumas

jaga E-post prindi artikkel saada vihje Loe ja lisa kommentaare

FOTO: graafika: Eero Barndõk

Hüppeliste kliimamuutuste tagajärgede mõju inimkonnale on üks keskseid globaalprobleeme. Euroopa Akadeemia (Academia Europaea) liikmed, tehnikaülikooli professorid Rein Vaikmäe ja Tarmo Soomere kirjutavad hiljutisest läbimurdest Maa kliimasüsteemi mõistmises.

Winston Churchill märkis kord, et paljud komistavad tõe otsa, kuid enamik kiirustab edasi ja ei saa arugi, mis on juhtunud. Eks igasuguseid konarusi tuleb eluteel ette ja kellel on siis aega iga kivikesega tõtt vahtida. Märksa lihtsam on teistega sammu pidada ja takistustest üle astuda või mööda minna. Pealegi on päris uute teadmiste juurde, mis meie maailmapilti oluliselt avardavad, esimesest komistamisest sageli pikk ja okkaline tee. See on sageli sillutatud parimate kavatsustega ja ääristatud juba tuntud asjadega, millel ei paista otsa ega äärt olevat. Alles selle lõpus võib leida materjali, millel on püsiv väärtus.

Üks selline pikk ja käänuline tee on samm-sammult rajatud, püüdes mõista, kuidas toimib maailma kliimasüsteem ja milliseks võiks kujuneda maailm lähemas ja kaugemas tulevikus. Õhusoojus, lumi või selle puudumine, mage vesi või selle nappus, tormide kangemaks muutumine, jõgede-järvede kuivamine või üle kallaste tõusmine lähevad korda väga paljudele inimestele.

Viimastel aastatel on eriti popiks muutunud maailmamere veetaseme problemaatika. Eestis tuletas meri end meelde 2001. ja 2005. aasta tormide kaudu, kus vesi kerkis ootamatult kõrgele ja tegi palju pahandust. Tollal tõusis vesi Tallinnas poolteist ja Pärnus isegi 2,75 meetrit üle tavalise taseme.

Toodud arvud on päris tagasihoidlikud nende kõrval, millega spekuleeritakse kliima muutumise kontekstis. Ei pea olema geenius, et jagada Antarktika või Gröönimaa liustike kogumaht ookeani pindalaga ja saada tulemuseks mitukümmend meetrit veetaseme tõusu (summaarne potentsiaal on ligikaudu 70 m) ning sellega poliitikuid ja rannaäärsete alade asukaid hirmutada. Mitmed teised autoriteedid kõnelevad hoopis kohe saabuda võivast uuest jääajast.

Tegelikult on kliimauuringutesse professionaalselt süvenenud tuhanded helged pead väga erinevatelt erialadelt kogu maailmas ning sellesse on viimaste aastakümnete jooksul paigutatud astronoomilised summad. Veetaseme ja õhutemperatuuri uuringud moodustavad neist tühise murdosa. Kaasa on haaratud atmosfäärifüüsikud, okeanoloogid, geokeemikud, bioloogid ja paljude teiste loodusteaduste spetsialistid ning loomulikult modelleerijad.

Progress selles valdkonnas on aga väga vaevarikas, sest kliimasüsteem on äärmiselt keerukas. Selles põimuvad tuhanded mõjutegurid ja nendevahelised seosed. Pildi on veel keerulisemaks muutnud inimtegevus, mille mõju ulatuses on praegu veel väga palju ebaselget.

Minevikus toimunu kohta saadakse informatsiooni väga erinevatest looduslikest kliimamuutuste arhiividest (ookeanide põhjasetted, polaaralade jääkilbid, korallid, puude aastaringid jne). Tulevikus toimuva prognoosimiseks on ainus võimalus kliima modelleerimine.

See on tõsine väljakutse ka nüüdisaegsetele superarvutitele. Kui suhteliselt aeglaselt ja pikema perioodi jooksul toimuvaid muutusi on viimasel paaril aastakümnel suudetud juba päris usaldusväärselt modelleerida, siis enamasti on arvutid jänni jäänud kiiremate muutuste reprodutseerimisega.

Loomulikult on sõnadel «aeglane» ja «kiire» kliima kontekstis tavaelust mõnevõrra erinev tähendus: kiired muutused toimuvad üldjuhul aastakümnetega ning aeglasi mõõdetakse astronoomiliselt pikkade ajavahemikega – tuhandete ja kümnete tuhandete aastatega.
Aeglaste muutustega suudab inimkond loodetavasti suurel määral kohaneda, isegi kui need on päris suured.

Märksa keerukam on olukord kiirete kliimamuutustega. Pikka aega arvati, et selliseid järske lühiajalisi muutusi võivad põhjustada vaid looduskataklüsmid. Maa kliimasüsteem on lihtsalt nii suur ja inertne ning selle osiste absorbeerimisvõime nii ulatuslik, et selle muutmiseks on üldiselt vaja väga tugevat tõuget, nagu Maad tabav suur asteroid või kui hakkavad korraga purskama kümned vulkaanid.

Regulaatori ja tõukesummuti osa kliimasüsteemis mängibki suuresti ookeani veemass. Isegi kui globaalne keskmine õhutemperatuur peaks mingil põhjusel äkitselt mitme kraadi võrra muutuma, kulub üldjuhul aastaid, et ookeanis selle tulemusena midagi oluliselt muutuma hakkaks.

Möödunud sajandi 90ndate aastate alguses Gröönimaa jääkilbi sügavpuurimisel saadud andmed viimase 130 000 aasta kestel toimunud kliimamuutuste kohta lõid aga senise arusaama põhjalikult segi. Suurema osa ajast katsid varem tuntud ja suhteliselt pika perioodi jooksul toimunud kliimamuutused, mis kulmineerusid jääaegade ja jäävaheaegadega (nagu ka praegune, umbes 10 000 aastat kestnud suhteliselt stabiilse kliimaga jäävaheaeg, milles meie elame).

Jääpuursüdamikes salvestunud aastakihtide detailne analüüs näitas aga veel, et on esinenud terve rida kliimaperioode, mil suure amplituudiga muutused on toimunud uskumatult kiiresti. Viimased kiired muutused leidsid aset üleminekul viimaselt jääajalt praegusele jäävaheajale. Seejuures ei ole salvestustes märke globaalsetest kataklüsmidest.

Selle üleminekuaja kestel, ligikaudu 11 000 aasta jooksul (ca 21 000 kuni 10 000 aastat tagasi) taandusid hiiglaslikud jääkilbid nii põhja- kui lõunapoolkeral. Maailmamere tase, mis jäätumise maksimumi ajal oli vähemalt 110–120 m madalam tänapäevasest, kerkis oma jäävaheaegsele tasemele. Globaalne keskmine õhutemperatuur tõusis umbes 5–7 ºC, kõrgematel laiuskraadidel isegi rohkem kui 10 ºC võrra.

Nii Gröönimaa jääpuursüdamike, ookeani põhjasetete kui ka paljude muude mineviku kliimamuutusi salvestanud objektide uurimine viimastel aastatel maakera erinevates piirkondades on näidanud, et selle suhteliselt monotoonse kliima soojenemise taustal on kõnealuses ajavahemikus toimud lühiajalisi ja väga järske kliima jahenemisi ja soojenemisi.
Üks tuntumaid neist on umbes 14 500 aastat tagasi alanud nn Bølling-Allerødi soojenemine, mil temperatuur Gröönimaal tõusis vaid paari sajandi jooksul tervelt 15 ºC ja meretaseme tõus oli kuni viis meetrit! Sellele järgnes umbes 200 aastat hiljem samuti suhteliselt järsk, aga märgatavalt väiksema amplituudiga kliima jahenemine, mis on tuntud Noorema Drüüase episoodina.

Selliste kiirete ja mastaapsete kliimamuutuste põhjustajaks peetakse Atlandi ookeanis toimiva veemasside edasikandumise mustri (nn meridionaalse veekonveieri) järske muutusi. Tõenäoliselt on need olnud tingitud suure hulga külma ja mageda vee lisandumisest Atlandi põhjaossa mandriliustike sulamisel tekkinud jääpaisjärvedest. Tavarežiimis kannab ookeanikonveier soojust ekvatoriaalpiirkonnast kõrgetele laiuskraadidele, mistõttu naudimegi Euroopas märksa pehmemat kliimat kui samade laiuskraadide elanikud Põhja-Ameerikas. Aurustumise, jahtumise ja jäätumise koosmõjul muutub kõrgetele laiuskraadidele jõudnud ookeanivee pinnakiht järjest soolasemaks ja külmemaks. Enamasti sukeldub tekkinud tihedam ja raskem vesi Islandi lähistel ning liigub süvahoovusena aeglaselt tagasi lõuna suunas, hoides nõnda konveierit käigus.

Kui jääaja lõpul suured liustikukilbid mõlemal poolkeral sulasid, sattus Atlandi ookeani hulgaliselt magevett. See blokeeris soojema vee juurdevoolu kõrgetele laiuskraadidele, tekitas kliima soojenemises vaheaja ning liustike sulamine lakkas. Sellega peatus ka magevee lisandumine ookeani ning mingi aja jooksul taastus konveieri normaalne režiim.

Nõnda on Atlandi ookeani veemasside edasikandumise mustri iseärasuseks kahe stabiilse režiimi olemasolu. Üleminekud nende vahel on järsud ja lühiajalised, nagu töötab näiteks relee. Seetõttu on kliima modelleerimisel üks kriitilisi momente ookeani reaktsiooni võimalikult täpne kajastamine.

Sellise keeruka süsteemi, mis võib pikka aega areneda vaikselt ning seejärel järsult lülituda hoopis teise olekusse, reprodutseerimine on erakordselt keerukas. Selles suunas tehtud olulist edusammu kajastab juuli keskel juhtivas teadusajakirjas Science avaldatud artikkel viimase jäävaheaja sündmuste taastamisest superarvutitel. Wisconsini ülikooli professori Zhengyu Liu juhitud töörühmal õnnestus esimestena maailmas reprodutseerida ühe ja sama mudeli abil nii kliima aeglane arenemine tuhandete aastate jooksul alates ajast 21 500 aastat tagasi kui ka äkilised kliimamuutused ligikaudu 14 500 aasta eest. Sisuliselt tähendab see, et suure hulga seniste mudelite kõrvale, mis enamasti on häälestatud praegustele tingimustele, on tõusnud süsteem, mis on oma töökindlust ja kvaliteeti tõestanud mineviku taastamise kaudu.

Märksa selgemaks sai ka mehhanism, mille kaudu võib tekkida kliima hüppeline soojenemine ehk ülal mainitud Bølling-Allerødi sündmused. «Süüdi» on siin jälle ookeani tsirkulatsiooni iseärasused. Kui sooja vee lisandumine põhjalaiustele liustike kiire sulamise tõttu lakkab, koguneb päikese soojus troopikasse ja keskmistele laiuskraadidele. Nõnda võis juhtuda näiteks viimase jääaja lõpus suurt osa Balti riikidest katnud jääpaisjärve kiirel tühjaksvoolamisel ookeani. Kui siis veekonveier ükskord taastub, kantakse Arktikasse justkui plahvatuslikult palju rohkem soojust kui tavaliselt, mis omakorda viib liustike kiire sulamiseni.

Selline töö on kõike muud kui lihtne. Mudelis tuleb kirjeldada tohutut hulka meie kliimat mõjutavaid tegureid ääretult erinevatest teadusvaldkondadest nagu meteoroloogia, geoloogia, okeanoloogia, keemia, astronoomia ja paljud teised. Vähemalt põhijoontes on vaja kirjeldada kliima jaoks olulised dünaamilised protsessid nagu vee- ja õhumasside liikumine.

Ligikaudu 20 000 aasta sündmuste läbiarvutamine nõuab enam kui kuus miljonit tundi superarvutite protsessorite aega. Tänapäeva jõudmiseks kulub professor Liu töörühmal veel palju kuid tihedat tööd. Samas on selline titaanlik ettevõtmine praegu ainus võimalus vähegi usaldataval moel piiluda tulevikku ja hinnata inimtegevuse reaalset mõju kliimamuutustele ning selle kaudu vajadusel korrigeerida oma käitumist.

Pidepunktid
•    Kümmekond aastat tagasi tõestati, et Maa kliimas vahelduvad tuhandeid aastaid kestvad aeglaste muutuste perioodid järskude hüpetega.
•    Ligikaudu 14 500 aastat tagasi tõusis õhutemperatuur Gröönimaal paarisaja aastaga 15 kraadi võrra.
•    Kliimasüsteemi peamine regulaator on ookeani veemass.
•    Viimase 20 000 aasta jooksul on ookeani veetase kõikunud enam kui 100 meetri võrra.
•    Professor Liu juhitud rahvusvaheline töörühm suutis ühe mudeli raames reprodutseerida nii aeglased kui ka järsud kliimamuutused.

Tagasi üles