Klima kan bli kategorisert i tropisk-, subtropisk-, monsun-, middelhavs-, subarktisk-, arktisk-, polart- , oseanisk-, og ørken-klima. Klimasoner blir brukt til å klassifisere vegetasjonstyper og dere globale utbredelse. Klimamodeller gir kvantitative beskrivelser av dynamikken i klima, og framskrivning av historiske målinger til mulige framtidsscenarier. Klimaendringer har gjennom Jordens utvikling skjedd naturlig over lange tidsperioder tilknyttet platetektonikk, vulkansk aktivitet og meteoritter. Et dagsaktuelt tema er stor sannsynlighet for at det nå skjer en rask antropgen klimaendring med en ny geologisk tidsperiode, anthropocen.
Ekstremverdi-teori : Hvordan finne sannsynligheten for ekstreme utslag og hendelser ?
Leonard Tippet (1902-1985) ble engasjert av den britiske bomullsindustrien for å finne ut hvorfor bomullstråden røk under spinning og veving. Styrken på tråden ble bestsemt av den svakeste bomullsfiberen, og Tippet identifiserte tre asymptotiske grenser som beskrev fordelingen av ekstremverdier. Dette ble starten på ekstremverditeorien. Teorien ble videreutviklet av Emil Julius Gumbel (1891-1966) i Statistics of extremes (1958), og har gitt navn til Gumbel-fordelingen. Gumbelfordelingen er en dobbel eksponentiell fordeling, og har likhetstrekk med Gompertz-fordelingen. Forskjellen mellom to Gumbelfordelte tilfeldige variable følger den logistiske fordelingen. Siden man har to utfall: ikke-ekstremverdi – ekstremverdi, kan man benytte logistisk regresjon med logit, logaritmen til odds og odds ratio. Andre statistiske fordelinger brukt innen ekstremverdianalyse Fisher-Tippet ekstremverdifordeling (log-Wilbullfordelingen) med en lokaliseringsparameter og skalaparameter. Man ser på de tilfeldige maksimums- eller minimums-verdiene for observasjonene i tidsserien eller tidsrekken, eller ser på den kontinuerlige fordelingen av normaliserte ekstremverdier større eller mindre enn en grenseverdi. Kjente ekstremutfall blir brukt for å prediktere sannsynligheten for ekstreme maksimums- eller minimumsverdier: for nedbør (100-årsflommen), tørke, jordskjelv, finanssektoren, eller vind (100-årsbølgen). Hendelser som skjer tilfeldig i tid eller rom kan også bli beskrevet av en Poissonfordeling.
Monte-Carlo metoder
Den polsk-amerikanske matematikeren Stanislav Ulam (1909-1984) og Metropolis utformet Monte-Carlo-metoden som nå blir anvendt innen de fleste vitenskapelige problemstillinger. Ulam undersøkte de statistiske svingningene (fluktuasjoner) i antall nøytroner sendt ut i en kjernereaksjon i utviklingen av den første atombomben ved Los Alamos. Monte-Carlo-metoder er regnemaskinkrevende, og Ulam anvendte ENIAC.
Både ekstremverditeori og Monte-Carlo-metoder blir brukt til å beskrive sannsynligheten for utviklingstendenser i klima og vær.
Globalt klima
Klima beskrives av været på en lokalitet. Det er globale klimamønstre i temperatur og nedbør på Jorden, med en gradient fra ekvator mot polene. Ultrafiolett stråling absorberes av ozon. Noe av sollyset reflekteres tilbake til verdensrommet. Mye av solenergien absorberes av vann og terrestre systemer. Vann, landmasser og luft varmes opp når de absorberer sollys. Oppvarmingen skaper vind og temperaturforskjeller. Lysintensiteten varierer med breddegrad og årstid fordi jordaksen heller 23.5 o i forhold til baneplanet. Tropene i området mellom 23.5 o N og 23.5 oS får størst mengde solstråling og det er liten variasjon i daglengde og temperatur. Variasjon i lys og temperatur øker mot polene. Fordampning av vann ved tropene får varm og fuktig luft med vanndamp til å stige ved ekvator, kondenserer og gir nedbør. Dette gir stillebelter med liten vind langs ekvator. Når den varme lufta stiger blir den avkjølt og utvidet. Avkjølt luft holder på mindre vann og resten faller ut som nedbør i tropene. Kald tørr luft beveger seg vekk fra ekvator mot polene, varmes opp og når tettheten til den kalde tørre lufta stiger synker den ned ved de subtropiske høytrykksbeltene ved 30 oN og 30 oS hvor man finner ørkener. Lufta absorberer fuktighet når den synker og gir et tørt klima. Noe av lufta går tilbake til ekvator og luft som går videre mot polene oppvarmes på nytt og stiger igjen ved 60 oN og 60 oS. Når denne lufta avkjøles blir det nedbør, og når denne lufta stiger går den mot polene og resten går mot ekvator. Vindmønsteret bestemmes av luft som beveger seg i sirkulasjonsceller. Passatvindene i tropiske og subtropiske strøk blåser fra øst mot vest. I den tempererte sone er vindretningen fra vest mot øst. Lokale klimaforhold blir bestemt av topografi. Nærhet til vann påvirker lokalklima. Kystområder er fuktigere enn innlandet. På varme og solrike dager varmes land og lufta over land raskere enn over store vann eller sjø. Når den varme lufta stiger, blåser vind inn fra sjøen. På den nordlige halvkule får sørskråninger mer sollys og er derfor varmere og tørrere enn nordskråninger, noe som gir forskjellig type vegetasjon (Lamberts cosinuslov). Ørken finnes ofte på lesiden av høye fjell. Når fuktig luft presses over fjell synker temperaturen med ca. 0.6 oC per 100 m. Når lufta presses opp blir den avkjølt og fuktigheten kommer ut som regn. Kald tørrere luft faller ned på lesiden av fjellet hvor den varmes opp og absorberer fuktighet og danner regnskyggen. Jordas bane rundt sola gir årstidene. Det skjer et skifte mellom tørre og våte luftmasser på hver side av ekvator. Mikroklima blir forskjellig på områder uten trær versus tredekte områder.
En periodevis oppvarming av overflatevann i det østlige tropiske Stillehavet endrer havstrømmer og vær. Den ekvatoriale motstrøm er en liten havstrøm som går fra vest mot øst ved ekvator, men noen ganger blir den sterk og er med å skaper værfenomenet den sørlige oscillasjon ( El-nińo sørlig oscillasjon, ENSO). Varmt vann skyves vekk fra ekvator og opp til N-Amerika og S-Amerika. Når vestavinden blåser over det varme overflatevannet tas med fuktighet som bringer regn. Passatvinden blåser vestover over land i Peru og tar med seg det varme overflatevannet langs kysten, og derved kan kaldt næringsrikt vann strømme opp fra dypet opp mot kysten og som gir næring til store fiskebestander. Passatvinden blåser vestover og hindrer bevegelsen av det varmeste vannet i V-Stillehavet ved Australia. Dette gir lite regn langs kysten og lav overflatetemperatur. Imidlertid skjer det noen ganger ved juletider (1957, 1972, 1983, 1993, 1997-1998) at passatvindene blir svakere og det kommer varmt overflatevann nordfra langs kysten fra den ekvatoriale motstrøm. Vanligvis flyter strømmene vestover, men ved El-nińo-tid går de saktere, reverserer og går østover og når fiskebankene ved Peru ved juletider, noe som resulterer i reduserte fiskebestander ved kysten.
Den nordatlantiske oscillasjon (NAO) er styrt av forskjell i lufttrykk mellom Azorene og Island påvirker klima på den nordlige halvkule.
Vulkanutbruddet Laki på Island i 1783 spredte ut store mengder svovel og aske i atmosfæren. «Det året sommeren aldri kom». Benjamin Franklin som var på besøk i Frankrike la merke til «tåken» som lå over Nord-Europa. Det har vært flere kuldeperioder i Nord-Europa etter den siste Istid i perioden år 1300-1850. Blant annet ca. år 1300, 1315-17, og 1650. Mulige årsaker vulkanutbrudd og solaktivitet.
Målinger fra EUs og ESA sin klimaovervåkning Copernicus, viser at i året 2023 var havtemperaturen i Nord-Atlanteren den høyeste målt noen gang, og kan ikke forklares med El Niño. Bleking av koraller i det store Barriererevet utenfor Australia fortsetter.
Skyer og klima
Vanndamp er den viktigste drivhusgassen i atmosfæren og absorberer varmestråling. U tillegg vil skyer påvirke mengden solinnstråling energi reflektert tilbake til verdensrommet i form av langbølget varmestråling. Energi blir absorbert, reflektert eller transmittert av skyer ved polare, tempererte og tropiske områder. Påvirket av struktur og tykkelse til skyene, skyhøyde, antall skysjikt og om skyene inneholder is, vann og mengden partikulært materiale. Aerosoler som følger luftstrømmer og Brownske bevegelser virker som kondenseringskjerner for vanndamp og lager skyer, is og snø.
Aerosoler i form av luftforurensninger (smog), røyk fra skogbranner og krigføring, sot, støv, mineralstøv (sand), saltpartikler fra havet, svovelpartikler, partikulært materiale flyktige organiske forbindelser fra vegetasjon (pollen, sporer) og annet biologisk materiale (mikroorganismer, insekter). I tillegg kommer aerosoler fra industri og vulkanutbrudd. Aerosolene kan bli avsatt via tørravsetninger eller våtavsetninger (nedbør) og inngå i en aerosol-syklus. Rødfargete solnedganger indikerer mye partikulært materiale i atmosfæren og sprer sollyset og kan gi global dimming.
Nobelprisen i fysikk 2021, drivhuseffekt og global oppvarming
Nobelprisen i fysikk 2021 ble tildelt Syukuro Manabe og Klaus Hasselmann «for fysisk modellering av Jordens klima, kvantifisering av variabilitet og pålitelighet i prediksjon av global oppvarming». Delt med Giorgio Parisi «for oppdagelsen av vekselvirkning mellom uorden og fluktuasjoner i fysiske systemer fra atomær til planetær skala». «Arbeidene har gitt grunnleggende bidrag til vår forståelse av komplekse systemer med kaotiske og tilfeldige fenomener, anvendt fra mikronivå i materialer til makronivå for Jordens klima ».
Syukura Manabe utviklet på 1960-tallet klimamodeller som viste interaksjon mellom strålingsbalanse (e.g. strålingsbalanse for et blad) og vertikal transport av luftmasser og viste hvordan økte mengder CO2 i atmosfæren kan føre til økt temperatur på jordoverflaten via drivhuseffekt. Klaus Hasselmann viste seinere hvordan klimamodellene kan være pålitelige selv om været oppfører seg kaotisk og uforutsigbart. Hasselmann viser også at man kan finne spor fra menneskelig aktivitet som gir preg på klima. Giorgio Parisi viste på 1980-tallet at det er mulig å oppdage mønstre i uordnete og kaotiske systemer som man finner innen meteorologi (e.g. sommerfugleffekten), matematikk og biologi.
LFaktorer som påvirker klima (>73s pdf). Klima Blindern (tidsrekke pdf).
Litteratur
Wikipedia