Ari Brozinski & Olav Eklund

 

Maan ilmasto on muuttunut rajusti planeettamme 4600 miljoonan vuoden pituisen historian aikana. Varhaisesta hiilidioksidipitoisesta ja polttavan kuumasta kaasukehästä on päädytty elämälle kelvolliseen ilmakehään, joka on välillä jäähtynyt niin kylmäksi, että jäämassat ovat levittäytyneet kohti päiväntasaajaa. Toisaalta sulaa vettä on esiintynyt maapallolla jo 4000 miljoonan vuoden ajan. Ilmakehän muuttuminen ja siinä tapahtuvien muutosten taustalle kätkeytyy usean prosessin yhteisvaikutus.

Maan ilmakehät

Maan ensimmäinen kaasukehä syntyi tähtienvälisistä haihtuvista kaasuista, kun Maan koko oli noin kymmenesosa nykyisestä. Kaasukehä koostui todennäköisesti suuresta määrästä vetyä, heliumia, metaania ja ammoniakkia. Happea ei ollut lainkaan tai sitä oli hyvin vähän. Aurinkotuulet yhdessä meteoriittipommitusten kanssa tuhosivat ensimmäisen varhaista protomaata ympäröineen kaasukehän.

Toinen kaasukehä alkoi kehittyä Maan muodostaneiden planetesimaalien mukanaan tuomista haihtuvista yhdisteistä. Se sisälsi pääosin hiilidioksidia, typpeä sekä vesihöyryä. Nämä kaasut vapautuivat Maan sisältä sen jäähtyessä pommitusten jälkeen differentaation ja konvektiovirtausten avulla. On arveltu, että suuri osa vedestä päätyi planeetallemme voimakkaan meteoriittipommituksen (engl. heavy bombardment) aikana 4500–3800 miljoonaa vuotta sitten. Pommituksessa Maahan iskeytyi runsaasti vaihtelevan kokoisia kappaleita, joista suurimmat olivat halkaisijaltaan tuhansia kilometrejä.

Pintalämpötilan edelleen laskiessa, satoi kaasukehän vesihöyry alas ja muodostui meriä. Sateiden alettua laskeutui kaikki vesi maanpinnalle 150–250 vuoden aikana. Jäljelle jääneeseen kaasukehään jäi hiilidioksidia, hiilimonoksidia (häkää) ja typpeä. Maapallolla saattoi olla maankuoren kanssa vuorovaikutuksessa oleva hydrosfääri eli vesikehä jo 4300 miljoonaa vuotta sitten. Vanhimmista sedimenttikivistä on havaittu merien olleen olemassa runsas 3800 miljoonaa vuotta sitten. Ennen tätä mahdollinen nestemäinen vesi höyrystyi takaisin kaasukehään.

Varhaisen kaasukehän korkean hiilidioksidipitoisuuden vuoksi maan pinnalla oli voimakas kasvihuoneilmiö ja lämpötila kipusi yli 80 asteeseen. Hiilidioksidin määrä alkoi laskea vasta, kun laattatektoniikka muodosti mantereita. Mantereiden myötä syntyneisiin kalkkikiviin sitoutui runsaasti hiilidioksidia. Nykyisin suuri osa Maan hiilidioksidista on kalkkikivissä. Kalkkikiven muodostuminen edellyttää vapaita kalsiumioneja. Vapaiden kalsiumionien saatavuus vaihtelee eroosion mukaan. Eroosion voimakkuus taas vaihtelee sateen ja lämpötilan vaikutuksesta. Heti valtamerten muodostumisen jälkeen eroosio on saattanut olla jopa 10000 kertaa voimakkaampaa kuin nykyisin. Toisin sanoen sadassa vuodessa muodostui saman verran sedimenttejä kuin nykyään miljoonassa vuodessa. Hapen osuus ilmakehässä alkoi kohota noin 2000 miljoonaa vuotta sitten fotosynteesin alettua. Samalla hiiltä (hiilidioksidi mukaan lukien) sitoutui maaperään, mikä nosti vähitellen hapen määrää ja johti lopulta nykyisen ilmakehän syntyyn.

Tietoa menneistä ilmastoista Tietoa menneistä ilmasto-olosuhteista sekä ilmakehän koostumuksesta saadaan usealla tavalla: geokemiallisissa isotooppitutkimuksista, joissa mitataan radioaktiivisia isotooppeja ja niiden suhteellisia osuuksia kivissä, jäätiköiden ilmakuplista tai vaikka syvänmeren sedimenteistä. Tutkimalla puiden vuosirenkaita (puun kasvuvauhti eri vuosina), siitepölyjä, järvilustoja, korallien kerrostumia sekä fossiileja, saadaan niin ikään tietoa vallinneista sääoloista. Tehdyt tutkimukset auttavat täydentä- mään kuvaa siitä minkälainen Maa on ollut, miten se on muuttunut ja miltä ilmasto mahdollisesti näyttää tulevaisuudessa.

Säännöllisen säännöttömiä muutoksia

Maan pintalämpötila on kytköksissä siihen kohdistuvan auringonsäteilyn määrään, joka ei ole vakio. Säteilyn määrään vaikuttavat useat seikat, joista osa kyetään ennustamaan paremmin kuin toiset. Parhaiten ennustettavat muutokset liittyvät Maan kiertorataan sekä akselin kallistuskulmaan ja huojuntaan. Nämä muutokset toistuvat tietyin väliajoin ja niitä kutsutaan Milankovitschin sykleiksi niiden keksijän, Itävaltalais-Unkarilaisen tiedemiehen Milutin Milankovitschin (1879–1958) mukaan. Kiertoradan soikeus (litistyneisyys) Aikakirja 43 vaihtelee 100 000 vuoden jaksoissa, kallistuskulma muuttuu 41000 vuoden välein ja huojunta vaihtelee 19000–23000 vuoden jaksoissa.

Myös auringon säteilyvoimakkuus vaikuttaa Maan pintalämpötilaan. Auringonsäteilyn tiedetään olleen heikompaa tiettyinä jaksoina Maan historian aikana. Viimeisin esimerkki tästä on niin kutsuttu Pieni jää- kausi vuosien 1200–1700 välillä, minkä ajatellaan olleen seurausta Auringon heikentyneestä säteilytehosta.

Tulivuorenpurkauksilla tiedetään olleen vaikutuksia Maan ilmastoon. Niiden synty tai purkautuminen voi olla seurausta litosfäärilaattojen liikkeistä eli laattatektoniikka vaikuttaa myös ilmastoon. Tulivuoret syöksevät ilmakehään suuria määriä hiilidioksidia ja tuhkaa. Tuhkapilvet muuttavat hetkellisesti ilmaston lämpötilaan, sillä ne estävät auringonvalon läpipääsyn. Ne poistuvat useimmiten viikkojen tai joidenkin kuukausien aikana. Tulivuorista purkautuu myös runsaasti hiilidioksidia. Runsas hiilidioksidin määrä ilmakehässä edistää kasvihuoneilmiötä.

Laattatektoniikalla on tulivuoritoiminnan lisäksi suoria vaikutuksia ilmakehään: esimerkiksi valtamerten keskiselänteillä tapahtuva litosfäärilaattojen erkaneminen vapauttaa runsaasti hiilidioksidia. Laattatektoniikka vaikuttaa ilmastoon myös supermantereiden kautta. Suurten maamassojen kerääntyminen yhteen heijastaa tehokkaasti auringonvaloa. Tämä taas johtaa Maan pintalämpötilan alenemiseen.

Maahan törmäävät meteoriitit voivat myös vaikuttaa ilmastoon, joskus hyvin dramaattisesti. Maan syntyvaiheessa jopa useamman tuhannen kilometrin halkaisijaltaan olevat kappaleet muovasivat Maata. Suurimman törmäyksen, Kuun muodostaneen Theian osuman, jälkeenkin on tapahtunut laajojen meteoriittien iskeytymisiä planeettamme pinnalle. Suurikokoinen meteoriittitörmäys voi nostaa hetkittäisen lämpötilan niin kuumaksi, että maanpinta muuttuu tulimereksi. Näin tapahtui esimerkiksi 65 miljoonaa vuotta sitten, kun Jukatanin niemimaalle iskeytyi halkaisijaltaan 170 kilometrin kokoinen dinosaurusten ajan päättänyt meteoriitti.