Mokslo ir technologijų pasaulis

Ateityje sulauksime arba nestipraus ledynmečio su žvarbiomis žiemomis ir žūstančiais pasėliais, arba kylančio jūros lygio.

Ir vėl vėluoja pavasaris. Palei kelius stūkso purvinos daugelio mėnesių sniego pusnys, o ežerus ir upių pakrantes dengia storas ledas. Nepaisant šiltų žieminių paltų, vilnonių kepurių ir storų pirštinių, ledinis rytų vėjas siaubingas kiekvienam, išdrįstančiam išeiti į lauką net vidurdienį. Sveiki atvykę į Lietuvą ledynmečio gniaužtuose.

Nors 2020 m. prasidėjo rekordiškai šilta žiema, jau netolimoje ateityje mūsų gali laukti šalčiai. Astronominiai matavimai rodo, kad artimiausius 10 metų Saulės aktyvumas – vadinasi, ir jos Žemei tiekiama energija – mažės. Pastarąjį kartą mūsų žvaigždė tokia rami buvo per mažąjį ledynmetį – 1450–1850 metais. Šalčiausi laikai buvo tarp 1645 ir 1715 metų. Tada Vakarų Europą kaustė lediniai gniaužtai, o milijonai žmonių šalo, badavo ir mirė. Nors mokslininkai vis dar nesutaria dėl konkrečios mažojo ledynmečio priežasties, dabar svarbiausias klausimas – kaip panašus (arba dar didesnis) Saulės aktyvumo sumažėjimas paveiktų mūsų planetą šiandien?

Ledo kepurių augimas

Saulė yra būtina mūsų klimatui. Ji tiekia 99,97 proc. energijos Žemės paviršiui, o planetos gelmių karštis prideda vos 0,03 procento. Todėl Saulės spinduliuojamos energijos kiekis gali drastiškai paveikti mūsų planetos temperatūrą. Būtent taip nutinka per ledynmečius, kurių per pastaruosius 2,6 mln. metų Žemėje buvo ne vienas.

Ledynmečiais dėl šalčio išauga esamos ledo kepurės Grenlandijoje bei Antarktidoje ir atsiranda naujų Šiaurės Amerikoje, Sibire, Skandinavijoje. Nuo ledo kepurių nusidriekia stori ledo liežuviai, neatpažįstamai pakeičiantys kraštovaizdį bei priverčiantys gyvūnus bei augalus sprukti į šiltesnes vietoves. Jei taip nutiktų dabar, šilumamėgės Šiaurės Europos rūšys išliktų tik tada, jei sugebėtų kirsti Alpes ir rasti prieglobstį prie Viduržemio jūros.

Didieji ledynmečiai mokslininkams žinomi nuo XIX a. vidurio. Nuo tada tyrėjai stengiasi išsiaiškinti, kodėl jie vyksta. Pirmąją teoriją 1864 m. pasiūlė savamokslis škotų fizikas Jamesas Crollas. Jo nuomone, didelio masto ledo migraciją pirmyn ir atgal sukelia ritmiški Saulės šviesos kiekio (vadinasi, ir energijos) svyravimai skirtingais metų laikais. J. Crollas manė, kad itin šaltų žiemų serija padeda pagrindus ledynmečiui, kuris toliau darosi vis atšiauresnis dėl vienas kitą stiprinančių veiksnių. Mokslininkas atkreipė dėmesį, kad ilgomis ir šaltomis žiemomis susidaranti gausi sniego danga pavasariui atėjus atspindi Saulės energiją atgal į kosmosą, todėl aplinkos temperatūra kasmet darosi vis žemesnė.

Vėlesni tyrimai patvirtino, kad J. Crollas tinkamai nustatė esminę priežastį. Teorija buvo tik šiek tiek pakeista ir papildyta. Ledynmečiai atsiranda dėl trijų nedidelių Žemės orbitos, kuria ji skrieja aplink Saulę, variacijų. Kartu jos sukuria Milankovičiaus ciklus, kurie per milijonus metų sukelia įvairias Žemės vietas skirtingais metų laikais pasiekiančios energijos pokyčius. Vis dėlto J. Crollas klydo dėl vieno dalyko: ledynmečius lemia ne šaltos žiemos. Priešingai – dabar dauguma klimatologų sutaria, kad ledynmečiai sutampa su laikotarpiais, kai aplink 56-ąją šiaurės lygiagretę esanti zona vasarą gauna itin mažai Saulės energijos.

Žemę vėsina laikotarpiai be Saulės dėmių

Pastarasis ledynmetis, pavadintas Vyslos vardu, baigėsi maždaug prieš 11 500 metų. Mokslininkai nežino tikslaus prieš jį buvusių ledynmečių skaičiaus, bet manoma, kad jis viršija 10.

Per pastaruosius 800 tūkst. metų šaltis ateidavo ir pasitraukdavo ritmingai – ledynmečiai trukdavo po maždaug 100 tūkst. metų, o tarp jų būdavo 10–20 tūkst. metų šiltesni laikotarpiai, visai kaip dabartinis. Tačiau net ir šiltaisiais metais klimatas būna nepastovus, pasitaiko netikėtai šaltų periodų, besitęsiančių nuo kelių dešimtmečių iki kelių šimtmečių. Jų priežastis taip pat susijusi su Saule, tiksliau, jos vidumi.

Maunderio minimumo laikotarpiu 1645–1715 m. Saulė buvo neįprastai rami, o jos paviršiuje beveik nepasirodė dėmių – tamsių taškų, kuriuos sudaro viršutinėje Saulės atmosferoje siaučiantys magnetinio lauko mazgai. XVIII a. pabaigoje senus įrašus tyrinėjęs vokiečių astronomas Gustavas Spöreris atrado, kad 1672–1700 m. Saulėje pasirodė vos 50 dėmių. Kai mūsų žvaigždės aktyvumas didelis, per panašų laikotarpį joje stebima 40–50 tūkst. dėmių.

Projekto „PAGES 2k“ klimatologai tvirtina, kad Maunderio minimumo laikotarpiu ir šalčiausiais mažojo ledynmečio metais planeta atvėso 0,4 laipsnio. Kai kuriose Europos vietose (pavyzdžiui, centrinėse Alpėse, kuriose išaugo ledynai) temperatūra nukrito 1,5 laipsnio. Kitur užšalo upės ir jomis nebegalėjo praplaukti laivai, o pasėliai žūdavo iš metų į metus. Tai lėmė badą, ligas ir mirtis. Ugnikalnių išsiveržimai taip pat prisidėjo prie aplinkos atšalimo, nes dėl jų išmestų teršalų Žemę pasiekė mažau Saulės energijos. Kolorado universiteto mokslininkų vertinimu, tada Saulė tiekė maždaug 1 360,25 W/m2 (plg.: XX a. vidurkis buvo 1 361,5 W/m2).

NASA Ameso tyrimų centro astrofizikė Irina Kitiashvili atkūrė viso Saulės magnetinio lauko raidą 1976–2019 metais. Mokslininkė pasitelkė magnetohidrodinaminį modelį, kuris rodo, kaip magnetiniame lauke elgiasi elektrai laidžios dujos bei skysčiai, ir leidžia prognozuoti Saulės dėmių skaičių ateityje.

Per maždaug 11 metų Saulės dėmių skaičius pakinta nuo kelių iki daugybės ir atvirkščiai. Astronomai numeruoja ciklus. Dabar šis skaičius pasiekė 24-ąjį, kuris prasidėjo 2008 m. ir baigiasi 2020 metais. I. Kitiashvili modelis itin tiksliai prognozavo 24-ąjį ciklą, o 25-asis turėtų būti silpniausias per pastaruosius 200 metų. Prognozuojama, kad Saulės dėmių aktyvumas bus perpus mažesnis nei 24-ojo ciklo, kuris ir pats buvo dukart mažiau aktyvus nei 21-asis ir 22-asis, buvę nuo 1976 iki 1996 metų. Tačiau, nepaisant to, Žemėje nėra buvę išmatuota aukštesnių temperatūrų nei dabartinės.

Šalčio ir karščio kova

Nuo XIX a. vidurio, kai įsibėgėjo pramonės perversmas, CO₂ kiekis atmosferoje išaugo 45 procentais. Dar smarkiau šiltnamio efektą sukeliančių dujų – metano – kiekis išaugo bent 150 procentų. Šiltnamio efektą sukeliančios dujos yra dabartinio visuotinio atšilimo priežastis ir potencialus ginklas kovojant su kosminių jėgų sukeliamą atšalimą. Jei iš atmosferos pranyktų visos šiltnamio efektą sukeliančios dujos, vidutinė metinė temperatūra planetoje nukristų iki šiurpių –18 laipsnių! Dabar ji siekia kur kas malonesnius 15 laipsnių.

2017 m. trys Kalifornijos universitete (San Diegas) dirbantys amerikiečių mokslininkai išanalizavo 20 metų apimančius astronominius duomenis apie 33 į Saulę panašias žvaigždes, siekdami išsiaiškinti, kaip žvaigždžių spinduliuotė kinta bėgant laikui. Tyrimas parodė, kad žvaigždei pereinant į Maunderio minimumo etapą svarbiausias pokytis – sumažėjusi jos ultravioletinė spinduliuotė. Remdamiesi 33 žvaigždžių duomenimis, mokslininkai vertina, kad spinduliuotės kiekis sumažėja 5,5–8,4 procentų. Todėl Žemėje Maunderio minimumas temperatūrą sumažintų ne daugiau nei 0,5 laipsnio.

Monasho universiteto (Australija) dėstytojas Michaelas Brownas išsamiau analizavo karščio ir šalčio kovą. Mokslininkas mano, kad net pasikartojęs Maunderio minimumas Žemėje nesumažintų temperatūros. Taip yra todėl, kad į atmosferą patenka vis daugiau šiltnamio efektą sukeliančių dujų, nuo 1850 m. planetą įšildžiusių maždaug 1 °C.

Tarptautinės energetikos agentūros duomenys rodo, kad 2018 m. visos Žemės energijos poreikiai buvo 2,3 proc. didesni nei 2017 metais. Negana to, nuolat augančius poreikius tenkinome daugiausia naudodami anglį, naftą ir dujas, o ne ekologiškus šaltinius (vėją ar Saulės šviesą). Todėl neatrodo, kad temperatūros kilimas artimiausiu metu būtų pristabdytas.

Kitas ledynmetis atidėtas

Kito „rimto“ ledynmečio grėsmė Žemei iškils po mažiausiai 1 500 metų. Kitaip nei per mažąjį ledynmetį, tikrojo metu temperatūra ne šiaip sumažėja keliems dešimtmečiams – šaltis ateina dešimtims tūkstančių metų, o planeta atvėsta mažiausiai penkiais laipsniais.

Tačiau Kolumbijos universiteto (Niujorkas) paleoklimatologas Michaelis Sandstromas tvirtina, kad artimiausiu metu naujų milžiniškų ledo kepurių veikiausiai nepamatysime. Jis tyrinėjo anglies dvideginio kiekį atmosferoje šiltais laikotarpiais ir ledynmečiais. CO₂ kiekis matuojamas milijonosiomis molekulių dalimis ore. Kad prasidėtų ledynmetis, CO₂ atmosferoje turi pasiekti maždaug 170 milijonųjų – t. y. milijone oro molekulių turi būti 170 CO₂ molekulių. Tokiam šiltam laikotarpiui, koks yra dabar, anglies dvideginio atmosferoje turi būti bent 280 milijonųjų. Toks skaičius buvo pasiektas dar prieš XIX a. vidurį, kai įsibėgėjo iškastinio kuro deginimas. Nuo tų dienų anglies dvideginio koncentracija išaugo iki 410 milijonųjų.

Pastarąjį sykį Žemėje buvo panašiai įšilę prieš maždaug 56 mln. metų per paleoceno-eoceno šiluminį maksimumą. Povandeniniams ugnikalniams vandenynų dugne išlydžius metano ledą, susidarė milžiniškas šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekis ir per 10 tūkst. metų planeta įkaito 5–8 laipsniais. Kai į atmosferą pateko visos išsiskyrusios šiltnamio efektą sukeliančios dujos, prireikė 170 tūkst. metų, kad atsikurtų prieš tai buvusi temperatūra.

Taip lėtai Žemė aušta todėl, kad CO₂ iš atmosferos pasišalina labai lėtai ir neefektyviai. Be to, daugelis šilimo sukeltų procesų daug greitesni nei atvirkštiniai reiškiniai. Antarktidos ir Grenlandijos ledo kepurės tirpsta daug greičiau, nei formuojasi naujas ledas. Negana to, ledas tirpdamas skatina tolesnį kito ledo tirpsmą, nes atsidengia tamsios jūros ir sausuma, kurios (priešingai nei baltas ledas) sugeria Saulės šviesą ir paverčia ją šiluma. Kitaip tariant, šilimas pats save spartina, todėl stabdyti jį dar sunkiau.

Galbūt Saulė mums padovanos laiko?

Išmetamos šiltnamio efektą sukeliančios dujos ne tik sukėlė dabartinį visuotinį atšilimą. Jos taip pat sutrikdė natūralią planetos karščio ir šalčio švytuoklę. Gali būti, kad žmonėms tai išeis į naudą. Jei tokie astrofizikai kaip I. Kitiashvili yra teisūs ir jau prasideda naujas itin žemo Saulės aktyvumo laikotarpis, artimiausiais dešimtmečiais gausime dovaną – bus trumpam atidėti blogiausi mūsų sukeltos klimato kaitos padariniai. Šiltnamio efektą sukeliančioms dujoms keliant planetos temperatūrą, sumažėjęs Saulės aktyvumas švelnins klimato kaitos poveikį. Tai suteiks daugiau laiko energetikai perorientuoti į atsinaujinančiuosius energijos išteklius, o pramonė galės rasti alternatyvų betonui, plienui ir pan. medžiagoms, kurias gaminant išskiriama gausybė CO₂.

Tačiau dovanotas laikas ne amžinas – jei žmonijos sukeltas visuotinis atšilimas nebus pažabotas, Saulei ir jos dėmėms grįžus prie ankstesnio aktyvumo Žemės temperatūra staigiai kils.