Mis on see kliima, mis muutub?

Kliimasüsteem on keerukas süsteem, mis koosneb viiest komponendist: atmosfäär, hüdrosfäär, krüosfäär, litosfäär ja biosfäär, ning nende vastasmõjudest. Kliimasüsteemi olek muutub pidevalt.

PIIA POST

Loen Sirbis avaldatud arvamusi teemal „Kliimale tuleb kasuks“ ja mõtlen sealjuures, et kuidas iga kirjutaja enda jaoks oma kliima mõiste on välja mõelnud. Kirjutajate seas on teadlasi, kes kindlasti on teadusliku mõistega kokku puutunud, aga on ka teiste elualade esindajaid, kes mõistet vabalt interpreteerivad. Sageli jääb arusaamatuks, mida üldse kliima all mõistetakse. See segadus on problemaatiline, sest kliima ja kliimamuutuse defineerimine on nii kliima uurimise kui kliimapoliitika seisukohast võtmetähtsusega. Kuna aga kliimapoliitika määrab ning hakkab lähiaastatel veelgi enam määrama meie igapäevast eluolu, siis kaudselt puudutab see meid kõiki.

Kliima kitsamas ja laiemas mõttes

Enamikul inimestest on intuitiivne arusaam ilmast kui atmosfääri seisundist mingis kohas mingil ajahetkel ning kliimast kui mingis mõttes keskmisest ilmast. Üldtuntud on ka väljend „kliima on see, mida me ootame ning ilm see, mille saame“.¹ Ilmselt on meis seepärast ootus kliimale kui konstantsele seisundile, milleks ilmad koonduvad, kui nad üle piisavalt pika ajavahemiku keskmistada. Ning kliimamuutus on tulem mingitest välistest kliimasundidest (climate forcings) kliimasüsteemile, mis takistavad keskmistel koondumast oma õigeteks väärtusteks.² Sellest skeemist lähtudes omistatakse minevikukliima muutus Maa orbiidi või päikesekiirguse muutustele või vulkaanipursetele. Viimasel ajal on neile lisandunud ka inimtegevus. Kas selline lihtsustatud arusaam võimaldab meil kliimat mõista ning ennustada?

Siin oleks õige aeg tuua sisse kliima­süsteemi mõiste lähtudes kliimateaduste piiblist ehk IPCC raportist. IPCC viienda raporti sõnastikus (IPCC, 2013)³ on see esitatud järgmiselt. „Kliimasüsteem on keerukas süsteem, mis koosneb viiest komponendist: atmosfäär, hüdro­sfäär, krüosfäär, litosfäär ja biosfäär, ning nende vastasmõjudest. Kliimasüsteem on pidevas muutumises ning selle põhjuseks on sisemine dünaamika ja välised tegurid nagu vulkaanipursked, päikesekiirguse muutused ning inimtegevus, näiteks atmosfääri koostise muutused või maakasutuse muutused.“

Tegelikult on IPCC raportis (IPCC, 2013) toodud isegi kaks kliima mõistet: kitsam ja laiem. „Kliima kitsamas mõttes on defineeritud kui keskmine ilm, või rangemalt võttes, selle statistiline kirjeldus keskmiste ja muutlikkuse parameetrite kaudu üle ajavahemiku, mis ulatub kuudest tuhandete ning miljonite aastateni. Maailma meteoroloogiaorganisatsiooni (World Meteoro­logical Organization, WMO) poolt määratud klassikaline keskmistamise periood on 30 aastat. Parameetriteks e ilmaelementideks on enamasti temperatuur, sademed, tuul.“ See mõiste kirjeldabki vaid atmosfääri seisundit, mille saab määrata mõõdetud väärtustest lähtuvalt. Paraku pole sellisest definitsioonist tulenevalt võimalik kirjeldada globaalset kliimat, mida saaks teaduslikul alusel ennustada. Selle definitsiooni alusel saab uurida vaid statistilisi seoseid, millel puudub ennustusvõime väljapoole üldkogumit, arvutada trende ning kasutada keerulisemaid statistilisi meetodeid. Tõsi ta on, et globaalse keskmise temperatuuri aegrea kaudu pole võimalik kliimat ennustada ning tagantjärgi uuringud ei anna meile ülevaadet Maa atmosfääri tegelikust olekust, rääkimata teiste Maa sfääride seisunditest. Üleminekud ühelt keskkonna parameetrilt teisele on siin sageli rajatud seostele, mis võivad kehtida regionaalselt või siis tehakse globaalseid üldistusi kohalike muutuste alusel.⁴

„Kliima laiemas mõttes on kliimasüsteemi olek, ka statistiline kirjeldus.“ (IPCC, 2013) Siin tuletame meelde, et kliimasüsteemi alla kuulusid kõik Maa sfäärid e lisaks õhkkonnale, mis on ilma päriskodu, ka palju pikemate muutlikkuse ajamastaapidega vett, jääd, maismaad ja elusloodust sisaldavad sfäärid. See on definitsioon, millest lähtudes vaadeldakse kliimat mitte vaid atmosfääri füüsikalise olekuna, mille muutlikkus ajas ja ruumis hõlmab ulatuslikke mastaape, vaid see sisaldab kõigi süsteemi komponentide olekut. Põhjus, miks atmosfäär on olnud esimene valik, on seotud kindlasti sellega, et see on kliimasüsteemi kõige muutlikum komponent, milles inimene elab ning mis inimest kõige otsesemalt mõjutab.

Neis eelnevates definitsioonides on tunda füüsikalise kliimateaduse isa Edward Lorenzi mõju. Lorenz on kirjutanud pika essee „Kliima on see, mida sa ootad“,⁵ laiemasse kasutusse ongi selline kliima mõiste jõudnud tema teoste kaudu. Lorenz pakkus välja ka ilma ja kliima sunnitud ning vabade variatsioonide kontseptsiooni. Ta nimetab sunnitud variatsioonideks neid, mis on seotud väliste tingimustega, näiteks Päikese kiiritustiheduse muutused või vulkaanipursete aerosool. Siin jõuame jälle kliima väliste teguriteni. Vabadeks variatsioonideks nimetab Lorenz kõik ülejäänud, mida ei saa seostada ühegi välise sunni muutusega, seega teisisõnu võib neid kutsuda ka seesmisteks teguriteks. Näiteks ilma päevast päeva muutumine oleks vabavariatsioon.

Charlotte Werndli 2015. aasta hinnang IPCC kliimadefinitsioonidele⁶ ütleb, et need on ühtaegu ebamäärased ning ambitsioonikad. Lorenzist lähtudes võiks järeldada, et esimene neist on vajalik praktilistel eesmärkidel, et arvutada olemasolevatest andmetest (kas mõõdetud või numbriliselt modelleeritutest) kliima seisundit. Teine aga on vajalik teoreetiliste uuringute jaoks, näiteks selleks, et üles ehitada kliimamudel.

Ilma- ja kliimaennustamise erinevus

Ilma ja kliima mõisteid saab eristada ka ennustamise kontekstis. Kui ilmaennustamine on tüüpiline algväärtusülesanne, siis kliimaennustamist on peetud ääretingimuste ülesandeks. Ilmaennustamisel on realistliku tulemuse saamiseks väga oluline esialgse situatsiooni täpne kirjeldus (siia sobib Lorenzi liblikaefekti näide), kliimaennustamisel mängivad olulist rolli aga eelpoolkirjeldatud välised ning seesmised kliimategurid e ääretingimused. Sellega on põhjendatud ka kliima mudeleksperimente, milles kasvuhoonegaaside koguseid lihtsalt kahekordistatakse: tulevikukliima „unustab“ mudeli algväärtused ära ning jõuab oma uude tasakaalu.

Siiski on jõutud järeldusele, et ka kliimaennustamine on algväärtusülesanne, seda selgitab põhjalikult Roger Pielke.⁷ Kliimaennustamise kontekstis oleks atmosfääri alumiseks piirpinnaks merepind või maapind. Kui need piirid oleksid ajas muutumatud või nende muutumine oleks atmosfäärist sõltumatu või nende muutlikkus oleks palju aeglasem kui meid huvitavad ajavahemikud (tavaliselt kümned aastad), siis võiks kliima modelleerimist pidada ääretingimuste ülesandeks.

Aga kui ookeani pind või maapind muutuvad samades ajamastaapides kui atmosfäär, siis mittelineaarsed tagasisidemed (e kahesuunalised vood) õhu, maapinna ja vee vahel elimineerivad interpretatsiooni ookean-atmosfäär või maapind-atmosfäär pindadest kui äärtest või piiridest. Tegelikult on tegemist interaktiivsete keskkondadega ning neid piirpindu tuleb vaadelda osana ennustavast süsteemist. Ilmaennustamise mastaabis (päevad) mängivad olulist rolli biofüüsikalised protsessid, nt taimestiku mõju aurumisele, lumikatte ja pilvede olemasolu ja nende roll aluspinna kiirgusbilansis ning sademete mõjutused mullaniiskusele. Siin on algväärtusprobleem ammu teadvustatud. Sesoonse ja aastasisese ilma ennustamises mängivad rolli juba biogeokeemilised tegurid, nt taimestiku kasv ja vanus, antropogeensed aerosoolid ja nt nende roll pika- ja lühilainelisele kiirgusele, merejää ja merepinna temperatuur, nt muutused püstvooludes El Niño nähtusega seostatult. Aastate ning kümnendite puhul lisanduvad veel biogeograafilised protsessid, nt muutused taimestiku liigilises koosseisus ja jaotuses, inimese poolt põhjustatud maakasutuse muutused ning ookeanide süvatsirkulatsiooni mõju ookeani pinna temperatuurile ja soolsusele. Lorenzi terminoloogias on need kõik vabavariatsioonid. Tuletame meelde, et Lorenzi kontseptsioonist lähtudes on otsesed mõjud sunnitud variatsioonid ja tagasisidemed on osa vabavariatsioonidest.

Ühiskondlikult kasulikud (st usaldusväärsed, täpsed jne) kliimaennustused nõuavad, et kõik tagasisidemed ja teised füüsikalised protsessid, mida kasutatakse ilmaennustuses, oleksid sees ka kliimamudelis, aga sellele lisaks peaksid seal olema pikaajalised tagasisidemed ja füüsikalised protsessid. See teeb kliimaennustamise palju keerulisemaks probleemiks kui ilmaennustus.

Kliimasüsteemi kontseptsioon

Tänapäevased Maa süsteemimudelid (Earth system models) hõlmavadki Maa kõiki sfääre, nad on välja kasvanud algsetest globaalse (atmosfääri) tsirkulatsiooni mudelitest (global circulation model, GCM), millele liideti aktiivne ookean ning merejää, aga ka maismaa ja mere ökosüsteemid ning biogeokeemilised ringed. Need ongi tänapäevased kliimamudelid, millega modelleeritakse Maa süsteemi e kliimasüsteemi olekut. Nad võimaldavad edasi liikuda atmosfääri ja ookeani oleku füüsikalisest kirjeldusest (temperatuur, tuul, niiskus jt) ühiskonnale oluliste suurusteni nagu tulekahjude risk, eluslooduse kadu, vee kättesaadavus, aga ka põllu- ja kalasaagi suurus.⁸ Aga selleks, et need mudelid annaksid reaalsusele vastavaid tulemusi, peavad teadlased mõlemalt poolt keskpõrandale kokku tulema. Maismaa ja mere ökosüsteemide, biogeokeemiliste ringete ja taimede, mikroobide ja mereelu juurest peavad maismaa- ja mereökoloogid ning biogeokeemikud mõtlema suuremate üldistuste tasemel ning leidma matemaatilised võrrandid, et kirjeldada biosfääri, selle toimimist ning selle kostet globaalmuutusele. Ka geoteadlased peavad pingutama, et kliimafüüsikat uutmoodi mõtestada, kaasates bioloogia. Nende muutuste aluseks on mõtlemise muutus, mis algab kliima definitsioonist ning kontseptsioonist.

Eeltoodust tulenevalt ei meeldi mulle artiklite pealkirjad stiilis „Kliimamuutuse mõju karu arvukusele“ või „Kliimamuutus on tühine väljakutse võrreldes loodusliku mitmekesisuse kadumisega“, põhjus on selles, et nii karu arvukuse muutus kui ka loodusliku mitmekesisuse vähenemine on minu jaoks kliimamuutus. Kõik sõltub sellest, mida kliima mõistesse kaasata, minu jaoks on elusloodus oma muutlikkusega selles ammu sees. Alati tuleks täpsustada, millist füüsikalist suurust kliima iseloomustajana nähakse, enamasti on selleks kas lokaalne või globaalne, nt õhutemperatuuri muutus.

Piia Post on atmosfäärifüüsik, õpetanud Tartu ülikoolis üle 30 aasta meteoroloogiat ja klimatoloogiat.

1 Robert A. Heinlein, Time Enough for Love. G. P. Putnam’s Sons, New York 1973, lk 352.

2 Shaun Lovejoy, What Is Climate? – Eos Trans. AGU 2013, 94: 1–2. doi:10.1002/2013EO010001

3 Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. IPCC, Cambridge University Press, and New York 2013.

https://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/

4 Reid A. Bryson, The Paradigm of Climatology: An Essay. – Bull. Amer. Meteor. Soc. 1997, 78, 449–456. https://doi.org/10.1175/1520-0477(1997)078<0449:TPOCAE>2.0.CO;2

5 Edward N. Lorenz, Climate is what you expect. Publitseerimata kättesaadav aadressil http://eaps4.mit.edu/research/Lorenz/Climate_expect.pdf

6 Charlotte Werndl, On Defining Climate and Climate Change, The British Journal for the Philosophy of Science 2016, 67, 337–364. https://doi.org/10.1093/bjps/axu048

7 Roger A. Pielke Sr., Letters to the editor – Climate Prediction as an Initial Value Problem. – Bulletin of the American Meteorological Society 1998, 79(12), 2743–2745.

8 Gordon B Bonan, Scott C Doney, Climate, ecosystems, and planetary futures: The challenge to predict life in Earth system models. – Science 2018, 359(6375). DOI: 10.1126/science.aam8328