A 20. század eleji sarkvidéki felmelegedés mechanizmusai

A 20. század eleji felmelegedés (ETCW) az északi magas szélességeken a mai felmelegedéshez hasonló mértékű volt, mégis olyan időszakban következett be, amikor a légköri üvegházhatású gázok növekedése lényegesen kisebb mértékben emelkedett, mint az elmúlt 40 évben. Az ETCW okai továbbra is vita tárgyát képezik. A kulcskérdés a belső változékonyság és a külső természeti és emberi hatások hozzájárulásának felmérése ehhez az éghajlati anomáliához. A kapcsolódó tanulmányok széles skálája alapján nehéz az Északi-sarkvidéken az ETCW-t kizárólag a főbb belső változékonysági mechanizmusok vagy külső hatások egyikének tulajdonítani. Valószínűleg az észak-atlanti és észak-csendes-óceáni hosszú távú természetes éghajlati változások kombinált hatása okozta, amelyhez hozzájárult a csökkent vulkáni aktivitáshoz és a naptevékenység változásaihoz kapcsolódó természetes sugárzási kényszer, valamint az antropogén kibocsátások miatt növekvő üvegházhatású gázok koncentrációja a légkörben.

1. Bevezetés 

Az 1910 és 1940 közötti globális hőmérséklet-emelkedés a közelmúltbeli felmelegedés mellett a második legerősebb felmelegedési esemény a műszeres globális hőmérséklet-nyilvántartás során. A két felmelegedési eseményt az 1950-1970-es évek mérsékelt globális hőmérsékletcsökkenésének időszaka választja el egymástól.

A 20. század eleji éghajlati ingadozás napjainkban különösen érdekes, mert a modern felmelegedés néhány jellemzője megegyezik vele, annak ellenére, hogy az üvegházhatású gázok koncentrációjának növekedése ebben az időszakban legalább négyszer kisebb volt az utóbbi évtizedekhez képest. Mindkét epizód sajátos jellemzője a felszíni levegő hőmérsékletének (SAT) kifejezett pozitív anomáliája az északi féltekén (NH), amely különösen a magas szélességeken erősödött fel.

A 20. század eleji felmelegedés (ECTW) az 1940-es években érte el a csúcspontját, az 1916-1945 közötti 30 éves globális felmelegedési trend maximális értéke 0,47 °C/30 év volt, ami hasonló a mai felmelegedési 30 éves trendhez, amely 1976-2005 között 0,56 °C/30 év volt (1. ábra). Megjegyzendő, hogy a jelenlegi felmelegedési tendenciák csak az 1962 és 1991 közötti időszakban haladják meg a felmelegedés maximális mértékét. Az 1967-től kezdődően induló 30 éves trendek azonban folyamatosan erősebbek voltak (1. ábra).

1. ábra. A globális éves átlagos SAT-anomáliák 30 éves mozgó trendjei (°C/30 év) a Berkley-adatsor (2013) szerint. Az év megfelel a 30 éves mozgó ablak végének.

Az északi és a déli félteke hőmérséklet-változásának dinamikája a 20. században jelentős különbségeket mutat. Az ETCW a déli féltekén (SH) a 20. század elején azonos nagyságrendű anomáliákkal kezdődött, és az 1940-es évek közepén mintegy 0,18 °C-kal kisebb értékekkel zárult, mint az északi félteke hőmérsékletének alakulása ( 2. ábra ). Az 1940-es években bekövetkezett enyhe, jelentéktelen lehűlést (kevesebb mint 0,1 °C) követően az éves SAT-anomáliák alakulása az SH-ban az 1960-as évek óta monoton melegedést mutat, ellentétben az NH-val, ahol a modern felmelegedés 1975-ben kezdődött ( 2. ábra ). Itt figyelembe kell venni, hogy az SH-ra vonatkozó adatok nagyon gyéren állnak rendelkezésre, mivel az 1950-es évekig a szárazföldre vonatkozó adatok lefedettsége kevesebb mint 15% volt, ami több mint háromszor kisebb, mint az NH-ban.

2. ábra. Átlagos éves SAT-anomáliák (°C) - globális (fekete görbe), NH (kék görbe), SH (zöld görbe) és globális, futó átlag simítása nélkül (szürke görbe), a Berkley-adatkészlet szerint. A hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980, 11 éves futó átlag.

Általánosságban elmondható, hogy a 20. század során a 20. században az SH éghajlati SAT trendjei az NH-hoz képest lassabbak voltak, ami azzal magyarázható, hogy az SH-ban sokkal nagyobb az óceán területe, 81%-kal, illetve 61%-kal az SH-ban és az NH-ban, ami feltehetően az óceán erősebb hőfelvételéhez vezet, és tükrözi a szárazföldi felszín hőmérsékletének az üvegházhatást okozó tényezőkre adott erősebb válaszát, amelyet az éghajlati modellek szimulációi mutattak ki. Az NH és SH hosszú távú SAT-anomáliáinak eltérő viselkedése a két féltekén ható és az éghajlati trendekhez hozzájáruló belső változékonyság különböző tényezőire is utalhat.

Az éves SAT-anomáliák eloszlása a különböző NH szélességi zónákra azt mutatja, hogy a legnagyobb hőmérséklet-növekedés mind az ETCW, mind a modern felmelegedési időszakokban az északi sarkvidéken volt megfigyelhető ( 3. ábra ). A két felmelegedési esemény közötti különbség az NH-ban az alacsony szélességeken az utóbbi évtizedekben az ETCW-időszakhoz képest sokkal erősebb felmelegedésben nyilvánul meg. A 20. század első felében a legerősebb pozitív éves SAT-anomália az Északi-sarkvidéken (ÉSZ 60°-90°) 1939-ben érte el az 1910-es évhez képest az 1,8 °C-ot ( 4. ábra ).

3. ábra. Zonálisan átlagolt éves SAT-anomáliák (°C) a Berkley-adatkészlet szerint. A hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980, 11 éves futó átlag.

4. ábra. Az átlagos éves SAT, °C a Novaja Zemlja délnyugati részén (72°22′24″N, 52°43′00″E) található "Maliye Karmakuly" sarkvidéki meteorológiai állomáson (fekete szaggatott görbe); átlagos éves SAT-anomáliák, °C, 5 éves futó átlag simítással (piros vonal) és simítás nélkül (szürke vonal) az Északi-sarkvidékre (60-90°N), a Berkley-adatkészlet szerint. A hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980.

Bár az 1940-es években az Északi-sarkvidék mutatta a legerősebb SAT felmelegedést az éves átlagos zonális hőmérsékleti anomáliákat tekintve ( 3. ábra ), az ETCW alatt nem a magas északi szélességek voltak az egyetlen forró pont, különösen ha a nyári hőmérsékleteket nézzük. A 20. század eleji felmelegedés regionális megnyilvánulásainak nagy része az Északi-sarkvidéken kívül történt, többek között az USA-ban, Nyugat-Európában, valamint az Atlanti-óceán északi és déli részén. Vannak arra utaló jelek, hogy az 1930-as évek első rekordmeleg nyara emberi hatásra vezethető vissza.

Az Északi-sarkvidéken az ETCW-időszak meghatározása a választott intézkedéstől és referencia-időszaktól függ. A hőmérséklet-emelkedés az 1910-es évek végén kezdődött, gyors (kb. 1 °C-kal) melegebb éghajlatra való átmenettel, amelyet fokozatosabb növekedés követett az 1930-as évek végi és 1940-es évekbeli csúcsértékekkel. Az 1950-es évek elejétől kezdődő lehűlés az 1960-as évek közepéig tartott, amikor a felmelegedési tendencia megfordult ( 4. ábra ).

Itt általában a 30 éves (1925-1954) időszakot nevezzük az ETCW-anomália magjának. Az ETCW az Északi-sarkvidéken a téli időszakban volt a legkifejezettebb, míg az 1980-as és 1990-es években a felmelegedés tavasszal és ősszel volt erősebb, a téli hőmérséklet-emelkedés viszonylag mérsékelt volt.

Az NH magas szélességein a téli hőmérséklet a jelenlegi felmelegedés során csak a 21. század elején érte el az 1940-es évek anomáliáit. Továbbá egyes sarkvidéki régiókban, például a Novaja Zemlja szigetcsoport Maliye Karmakuly meteorológiai állomásán az abszolút éves átlagos SAT 1954-ben elérte a -1,4 °C-ot. Ez akkoriban rekordnak számított, és csak 2012-ben haladta meg -0,9 °C-kal ( 4. ábra ).

Az éghajlatra gyakorolt antropogén hatást tekintik a modern kori felmelegedés fő okának - elsősorban az antropogén szén-dioxid (CO2) kibocsátás miatt. Guy Stewart Callendar 1938-ban megerősítette Arrhenius következtetéseit, és azt javasolta, hogy a felszínközeli hőmérséklet növekedése az elmúlt 50 év során abban az időben összhangban volt a tüzelőanyagok elégetése miatt a légkörben a CO2-koncentráció növekedésének becsült hatásával. Ezt az elméletet végül "Callendar-hatásnak" nevezték el.

Az ETCW azonban sebességét tekintve a modern felmelegedéshez hasonlítható, míg a légkör CO2-koncentrációjának növekedése az utóbbi évtizedekben 4-5-ször gyorsabb, mint a 20. század közepén. Ez arra enged következtetni, hogy a CO2 szerepe nem lehetett olyan fontos az ETCW során, mint a modern felmelegedés esetében. Továbbá a monoton CO2-koncentráció-növekedés nem állt összhangban az 1950-es évektől az 1970-es évekig tartó globális SAT-csökkenéssel. 

Az éghajlati modellek rámutatnak a belső természetes éghajlati változékonyság és a magas szélességeken az éghajlati változásokat fokozó pozitív visszacsatolások, a külső természetes tényezők, külső antropogén tényezők, beleértve a szulfát- és korom-aeroszolokat és az üvegházhatású gázokat (GHG) mint az éghajlati anomália lehetséges mozgatórugói.

Az éghajlati modellek különböző generációival végzett numerikus kísérletek (IPCC) azt mutatják, hogy az éghajlatot befolyásoló különböző (természetes és antropogén) külső tényezők pontosabb és reálisabb figyelembevétele általánosságban az elmúlt 150 év globális és regionális léptékű SAT-változásainak jobb reprodukálásához vezet, beleértve az ETCW-t is. Míg azonban a modern felmelegedés a modellegyüttesek átlagolásakor szinte tökéletesen reprodukálható (ami a külső hatást mint fő tényezőt jelzi), az ETCW amplitúdója a modellszimulációk növekvő pontossága ellenére az éghajlati modellekben a megfigyelésekhez képest még mindig jelentősen alulbecsült marad. A CMIP3, 5 és 6 együttesekben szimulált átlagos sarkvidéki SAT-változásokat a történelmi külső antropogén és természetes kényszer hatására a megfigyelési adatokkal összehasonlítva az 5. a. ábra mutatja. A nyilvánvalóan alulbecsült ETCW-magnitúdótól eltekintve a modellek az 1960-as években némi lehűlést mutatnak, amelyet a felmelegedés előz meg, ez utóbbi csúcspontja később következik be, mint a megfigyeléseké (az 1950-es években). Azt is meg lehet jegyezni, hogy az ETCW nagysága a CMIP5 és 6 együttesekben (az 1950-es évek csúcsértékei és az 1910-es évek alacsony értékei közötti hőmérsékletkülönbségként mérve) nagyjából kétszer nagyobb, mint a CMIP3 együttesben.

5. ábra. Éves sarkvidéki SAT-anomáliák ((°C a megfigyelt (CRUTEM5 adatok) és (a) átlagolt (együttes átlag) a CMIP3, 5 és 6 modellszimulációs együttesekben (a); és a CMIP6 együttes egyes modelljeiben szimuláltak szerint (szürke vonalak), kiemelve (vastag színes vonalakkal) azokat a szimulációkat, amelyek az ETCW-hez hasonló mutidecadális SAT-változásokat mutatnak (b). Minden adatot a CRUTEM5 adatsorhoz hasonlóan maszkoltunk. A hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980, 5 éves futó átlag.

A megfigyelt és a szimulált (külső kényszer hatására számított) sarkvidéki SAT közötti eltérés a belső éghajlatváltozások fontos szerepére utal a több évtizedes időskálán. Az éghajlati modellek képesek a megfigyelthez hasonló nagy belső változásokat produkálni. 

Ezt szemlélteti az 5. b ábra, ahol néhány példa látható ilyen egyfutamú modellrealizációkból. Azt is fontos megjegyezni, hogy nem zárhatjuk ki a 20. század első felében, amikor az adatok bizonytalansága sokkal nagyobb, mint a jelenlegi felmelegedés időszakában, a helytelenül megadott külső természetes és antropogén aeroszolos kényszer lehetőségét.

A tanulmányok többsége egyetért abban, hogy az olyan erős felmelegedési anomália, mint az ETCW, az éghajlati rendszer belső változékonyságának kombinációjával magyarázható, amely kvázi-periodikus oszcillációként vagy véletlenszerű éghajlati ingadozásként jelentkezik, a háttérben a globális hőmérséklet emelkedésével, amelyet külső antropogén és természetes kényszer (különösen a megnövekedett ÜHG-kibocsátás és a vulkánkitörések szünete) okoz.

Az ETCW elemzését nehezíti a megfigyelési adatok elégtelen mennyisége és minősége. Az ebben az időszakban a felszíni levegő hőmérsékletének változásaival kapcsolatos ismereteink a szárazföldi meteorológiai állomások rendszertelen megfigyelésein, a hajókról végzett méréseken és néhány éghajlati rekonstrukción alapulnak. Az adathiány különösen a sarkvidékek esetében jelent problémát, ahol az ETCW-időszakban a mintegy 200 meteorológiai szárazföldi állomás többsége az európai/skandináv szektort képviselte, nagy hiányosságokkal Észak-Szibériában és Észak-Amerikában. A Jeges-tenger hatalmas területét nem fedték és még mindig nem fedik le in situ megfigyelések. A többéves tengeri jég feletti történelmi hőmérséklet-változásokról szóló ismeretek korábban az emberes driftelő állomásokból vagy szabálytalan expedíciókból származtak.

Ebben a tanulmányban a Berkeley Earth hőmérsékleti adatsorát (http://berkeleyearth.org/ ) gyakran használják illusztrációként. Valójában mindhárom jelentős modern globális SAT empirikus adatelemzés (GISS Surface Temperature Analysis (https://data.giss.nasa.gov/gistemp/ ), HadCRUT a szárazföldi hőmérséklet CRUTEM5 ( https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/temperature/ ) és Berkley Earth adatok felhasználásával) nagyon hasonló hőmérsékletváltozásokat mutat az Északi-sarkvidéken.  A 6. a. ábra az ÉSZ 60°-tól északra fekvő szárazföld feletti éves átlagos SAT-anomáliákat mutatja a három fent említett adatkészlet alapján, a NASA és a Berkley Earth adatainak maszkolásával és maszkolás nélkül, a CRUTEM5 adatlefedettsége szerint (ez a legkisebb az adatkészletek közül). Az adatkészletek között 1920 után nem tapasztalhatók észrevehető különbségek, különösen az azonos hiányzó értékek maszkjának alkalmazása után. 1920 előtt a Berkeley Earth adatai szisztematikusan melegebb anomáliákat mutatnak, az eltérés azonban a maszkolási eljárás alkalmazása után csökken.

6. ábra. Északi-sarkvidéki éves átlagos SAT-anomáliák (°C) az ÉSZ 60°-tól északra fekvő szárazföldön (a) a GISS, CRUTEM5 és Berkely Earth adatsorokból eredeti formában (szaggatott vonalak) és a CRUTEM5 hiányzó adatai szerint maszkolva (folytonos vonalak), lásd a legendát, valamint (b) a NOAA20C, ERA20C és CERA20C reanalízis termékekből, szintén eredeti és CRUTEM5-maszkolva (szaggatott és folytonos, lásd a legendát). A hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980, 5 éves futó átlag.

Egy alternatív adatforrás a légköri újraelemzések, amelyek a teljes 20. századot lefedik, és 100%-os területi lefedettségű, teljes körű meteorológiai adatsort biztosítanak. Az ETCW-időszak éghajlati és időjárási vizsgálataihoz a 20. századi reanalíziseket ugyanúgy csábító használni, ahogyan a jelenleg frissített reanalíziseket az 1950-es évektől kezdődő időszakra vagy későbbre vonatkozóan. Ezzel azonban óvatosan kell eljárni.

Az újraelemzés olyan légköri vagy kapcsolt légkör-óceán modellel végzett numerikus kísérletek eredménye, amelyek a rendelkezésre álló megfigyelési adatokat asszimilálják, és a légköri (és óceáni) dinamikai és termodinamikai változókat a rendelkezésre álló megfigyelésekhez közelítik a fejlődési egyenletekben szereplő további relaxációs kifejezéssel. A 20. századi újraelemzések esetében más hosszú távú adatok hiányában a tengerszintnyomás (SLP) az egyetlen légköri változó, amelyet az asszimilációhoz használtak. Az SLP-adatok a 20. század eleji időszakban is nagyon korlátozottak a Föld nagy területein, és a Jeges-tenger felett teljesen hiányoznak (még napjainkban is). Az asszimilált adatok úgynevezett "tudatlansági ködje" homályossá teszi a 20. század első felének újraelemzett éghajlati változásairól alkotott képet.

Továbbá az újraelemzési modellek a tengerfelszíni hőmérsékletre (SST) és a tengeri jégkoncentrációra (SIC) vonatkozó empirikus adatokat használják alsó peremfeltételként. Ez utóbbiak különösen bizonytalanok az Északi-sarkvidéken az évszázad első felében. Az általánosan használt SST/SIC HadISST 1. és 2. verziójú adatkészletek (amelyeket a reanalízistermékek határfeltételeiként is használnak) nem mutatnak nagymértékű évtizedes vagy évtizedek közötti sarkvidéki tengeri jég kiterjedésének változásait az 1950-es évek előtt, míg az új rekonstrukciók az ETCW-vel egyidejűleg erős negatív tengeri jéganomáliát mutatnak. Egy légköri általános cirkulációs modell, amikor az ETCW-időszakban az Északi-sarkvidéken negatív tengeri jéganomália nélküli előírt SIC-adatokkal kényszerítették ki, nem tudta reprodukálni az egyidejű sarkvidéki hőmérsékleti anomáliát.

Ez arra is utal, hogy a nagymértékben bizonytalan tengeri jégadatoknak döntő szerepük van az Északi-sarkvidék éghajlatának az ETCW-időszakban az újraelemzésekben való helyes ábrázolásában. Ezt szemlélteti a 6. b. ábra, ahol három 20. századi reanalízisből származó sarkvidéki SAT értékeket hasonlítunk össze egymással és a megfigyelésekkel. Két légköri reanalízist, a NOAA20C és az ERA20C, valamint egy kapcsolt reanalízist, a CERA20C-t használunk. Az összehasonlítás az évszázad első felében valamennyi reanalízisben jelentős sarkvidéki hőmérséklet-ingadozást mutat, ami azt jelzi, hogy ezek az adatok nem használhatók a hiányzó megfigyelések helyettesítésére a fent említett időszakban.

Az ETCW természetének megértése kulcsfontosságú annak meghatározásához, hogy a belső változékonyság és a külső természetes és antropogén hatások milyen mértékben járulnak hozzá a globális és regionális éghajlatváltozásokhoz. A 20. század első felében a magas szélességeken bekövetkezett SAT-változások elemzése lehetővé teszi, hogy azonosítsuk a természetes és a külső erővel előidézett éghajlati változékonyság lehetséges mechanizmusait, valamint a sarkvidéki éghajlati rendszerben a fokozott éghajlati változásokat elősegítő pozitív visszacsatolásokat.

2. Az Északi-sarkvidéki éghajlatváltozások erősödése 

Az Északi-sarkvidéki ETCW sajátossága, hogy a globális vagy félgömbi változásokhoz képest nagyobb amplitúdójú ( 2. ábra ). A 20. század első felében az Északi-sarkvidéken a hőmérséklet-emelkedés mértéke körülbelül háromszor nagyobb volt, mint az északi félteke átlagos felmelegedése. Ugyanez a jellemző a modern felmelegedés esetében is megfigyelhető. A sarkok közelében a globális átlagváltozásokhoz képest nagyobb hőmérsékletnövekedést gyakran nevezik "sarki (vagy sarkvidéki) erősödésnek" (Polar (vagy Arctic) Amplification, AA). A pozitív visszacsatolások felerősíthetik és fenntarthatják a belső változékonyság vagy külső kényszer okozta kezdeti éghajlati ingadozást, és így magyarázhatják az Északi-sarkvidéki Északi-sarkvidéki Éghajlatváltozást. Itt áttekintünk néhány fontos pozitív visszacsatolást, amelyek hozzájárulhattak az ETCW kialakulásához.

A pozitív sugárzási visszacsatolások közé tartozik a felszíni albedó-hőmérséklet visszacsatolás, amely növelheti az éghajlati változások amplitúdóját. Az első energiamérlegmodellekben formalizálták azt az általános elképzelést, hogy a hó- és jégtakaró csökkenése a hőmérséklet növekedésével a napsugárzás nagyobb mértékű elnyeléséhez és további felmelegedéshez vezet. Egészen a közelmúltig ezt a visszacsatolást tekintették az AA-hoz vezető fő tényezőnek.

A sarkvidéki erősödést albedó-hőmérséklet visszacsatolás nélkül is szimulálják az éghajlati modellkísérletekben, és más pozitív visszacsatolások is okozhatják. Például a jég intenzívebb olvadása a vízgőztartalom és a felhőtakaró növekedését eredményezi, ami a magas szélességeken erőteljesebb üvegházhatást eredményez, ami a magas szélességeken hangsúlyosabb. A sarkvidéki erősödés nagyléptékű termodinamikai mechanizmusokból is eredhet, mint például a melegebb légkörben a fokozott északi irányú látens hőtranszport a csökkent egyenlítő-pólus hőmérsékleti gradiens és a gyengébb meridionális cirkuláció ellenére.

Az ETCW pozitív dinamikai visszacsatolásokkal is összefüggésbe hozható, amelyek az óceáni és légköri hőtranszportot az Északi-sarkvidékre módosító dinamikai folyamatok révén fokozzák a kezdeti hőmérsékletváltozásokat. Például a Barents-tengeren a tengeri jég csökkenése ciklonális légköri cirkulációs reakcióhoz vezet, amely a tengeri jég további visszahúzódásával fokozza a meleg atlanti vizek óceáni beáramlását a tengerbe. Egy ilyen mechanizmust javasoltak az Északi-sarkvidéki ETCW lehetséges magyarázataként. Más dinamikai pozitív visszacsatolások is feltételezhetően hozzájárulnak az Északi-sarkvidék felgyorsult modernkori felmelegedéséhez, amelyek szintén hozzájárulhattak az ETCW eseményhez. Ezek közé tartozik a tengeri jég vastagsága és az Atlanti-óceán vize és az óceán felszíne közötti hőcsere, valamint a tengeri jégtakaró és a vízgőz közötti pozitív visszacsatolás. Ezek a visszacsatolások az Északi-sarkvidék atlanti szektorában működnek, és azt sugallják, hogy a változó óceáni hőszállítás fontos szerepet játszik az ETCW szempontjából.

Az észak-atlanti tengerfelszíni hőmérséklet (SST) 60-80 éves időskálán ( Schlesinger és Ramankutty, 1994) jelentkező kvázi-periodikus ingadozásai, amelyeket általában atlanti multidecadális oszcillációnak (AMO) neveznek, a 20. század folyamán összefüggnek a Barents-tenger óceáni hőszállításával, és a fent említett pozitív visszacsatolások által tovább erősített kezdeti éghajlatváltozások forrásai lehetnek.

Az Északi-sarkvidék éghajlati rendszerében bekövetkező változások jelentős változásokat eredményezhetnek a légkör cirkulációjában és a hőmérsékleti viszonyokban az északi középső szélességi körökben. A Barents-Kara-tenger feletti alsó troposzféra téli felmelegedése a tengeri jég csökkenése miatt a Barents-tenger térségében és attól délre légköri blokkok kialakulásához vezethet. Ez a hideg sarkvidéki levegő fokozott anomális advekcióját okozza az NH kontinensek felé, ami a 21. század elején gyakoribb anomálisan hideg teleket eredményez Észak-Eurázsiában és Észak-Amerikában. Ez az általános lehűlés a középső szélességi területeken a zonális áramlásnak a tengeri jég visszahúzódására és az Északi-sarkvidék felmelegedésére adott válaszként bekövetkező gyengüléséhez kapcsolódóan erősebb AA-hoz vezethet.

A Barents-tenger fölötti erősen pozitív hőmérsékleti anomáliák és a Szibéria fölötti negatív anomáliák ( 7. ábra ) kontrasztos téli SAT-mintázata a közelmúltban nagy figyelmet kapott. A mintázatot - "Meleg sarkvidék-hideg Szibéria" (Warm Arctic - Cold Siberia - WACS) vagy Meleg sarkvidék-hideg kontinens (Warm Arctic - Cold Continent - WACC) néven nevezték el, és nemcsak a jelenlegi sarkvidéki felmelegedés időszakában, hanem az ETCW alatt is megfigyelhető. Az ETCW és a jelenlegi felmelegedés során a cirkuláció sajátos válaszához kapcsolódó regionális hőmérséklet-változási mintázatok hasonlósága arra utal, hogy a két felmelegedési időszakban hasonló visszacsatolási és válaszfolyamatok játszanak szerepet.

7. ábra. WACS-mintázat (téli (DJF) EOF-2 SAT a 20-100° keleti hosszúság, 45-80° északi szélesség térségében, két felmelegedési időszakra, 1925-1954 (A) és 1981-2020 (B), a Berkley-adatkészlet szerint. A hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980.

3. Természetes belső tényezők 

3.1. A légköri keringés változékonysága 

Az éghajlatváltozás mechanizmusainak szétválasztásának fő problémája a belső természetes változékonyság és a külső antropogén és természetes kényszerítő tényezők relatív hozzájárulásának számszerűsítéséhez kapcsolódik. Az 1920-as és 1940-es évek feltűnő hőmérsékleti tendenciái már a 20. század első felében tudományos érdeklődés tárgyát képezték. Néhány tanulmány kimutatta a légköri és óceáni cirkuláció fontos szerepét a regionális éghajlati változásokban. Az északi-sarkvidéki éghajlat 20. századi változékonyságának elemzése hosszú távú, különböző gyakoriságú kváziciklikus változásokat mutat, amelyek az Atlanti-óceán északi részén és az Északi-sarkvidéken a légkör-óceán dinamikával való összekapcsolódáshoz kapcsolódnak.

A CMIP3 éghajlati modellekkel végzett numerikus kísérletek azt mutatják, hogy a belső éghajlati változékonyság az Északi-sarkvidék hőmérsékletének az ETCW amplitúdójához hasonló, de dekádos időskálán történő ingadozását eredményezheti, míg a megfigyelt 20. század közepi esemény évtizedek közötti volt. A legújabb elemzésekből kiderül, hogy a 20. század első felében bekövetkezett globális felmelegedésnek körülbelül a fele a természetes belső változékonyság és az antropogén kényszer kombinációjának eredménye. Az Északi-sarkvidéken az évközi és a hosszú távú SAT-változás jelentős része a főbb légköri cirkulációs minták változásaival magyarázható. Az Északi-sarkvidékre beáramló légtömegekért felelős legfontosabb régiók az Atlanti-óceán északi és a Csendes-óceán északi szektora. A 20. század második felében a vezető légköri változékonysági módok, mint az észak-atlanti oszcilláció (NAO), az északi-sarkvidéki oszcilláció (AO) és a csendes-óceáni észak-amerikai (PNA) oszcilláció együttesen az északi-sarkvidéki SAT-variáció 44%-át magyarázták, míg a NAO önmagában az északi extratrópusok 20. század végi téli felmelegedésének mintegy 45%-át tudta megmagyarázni. Az ottani változékonysági módok szintén fontos mozgatórugói lehetnek az ETCW-nek.

Az AO vagy Northern Annular Mode (NAM) és a hozzá kapcsolódó NAO a nagyléptékű téli légköri változékonyság domináns módusai az északi félteke extratrópikus területein. Az AO-t általában az északi félteke téli tengerszintnyomás (SLP) mezőjének első EOF-jaként határozzák meg, és az SLP dipólusából áll az észak-atlanti/csendes-óceáni óceánok és az Északi-sarkvidék között. A NAO az észak-atlanti/európai szektor vezető SLP-változási módja, amelyet SLP-dipólus jellemez, amelynek egyik központja Grönland felett van (izlandi minimum), a másik pedig az észak-atlanti középső szélességeken (Azori-szigeteki maximum). A NAO-t gyakran az AO regionális megnyilvánulásának tekintik. Az AO általában a sarki örvény erősségét tükrözi, míg az NAO az Atlanti-óceán északi része és Európa fölötti nyugati áramlás intenzitását, valamint a viharpályák helyzetét jellemzi az észak-atlanti szektorban. Ez nagymértékben meghatározza a téli éghajlatot az Atlanti-óceán északi részén, Észak-Eurázsiában és az Északi-sarkvidéken.

A 20. század első három évtizedében a NAO pozitív fázisa ( 8. ábra ) a szokásosnál erősebb zonális szeleket tükrözött az Atlanti-óceán északi része felett. E légköri cirkulációs mintázat hosszú távú dominanciája a hő advekciójához vezetett az Atlanti-óceán északkeleti részébe és az Északi-sarkvidék atlanti szektorába. A NAO 1930 utáni negatív fázisba való átmenete, valamint a NAO és az 1950 előtti sarkvidéki SAT-változások közötti ellentmondás ( 8. ábra ) azonban nem támasztja alá a NAO hozzájárulásának hipotézisét az ETCW felmelegedéséhez. A feltételezések szerint a NAO több mint 50%-kal csökkentette a téli felmelegedést az NH-ban az 1920-1971 közötti időszakban. Továbbá a NAO és az északi-sarkvidéki SAT-változékonyság közötti kapcsolatot erősen nem stacionáriusnak találták, amely a statisztikailag szignifikáns pozitív korrelációtól a negatív korrelációig változik a különböző több évtizedes időszakokban.

8. ábra. Téli (DJFM) sarkvidéki (60-90N) SAT-anomáliák (°C) 1900-2015 között (fekete görbe) a Berkley-adatkészlet szerint, a hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980, 7 éves futó átlag. A NAO-indexet az izlandi minimum és az azori maximum közötti DJFM tengerszintnyomás-különbségként határozzák meg (piros görbe), a PNA-indexet a téli SLP-változás első főkomponenseként (PC) határozzák meg az ÉSZ 30-90° közötti régióban (kék görbe), a Barents-oszcillációs indexet pedig a téli SLP-változás második PC-jeként az ÉSZ 60-90°, 90-180°K közötti régióban (zöld görbe). Az SLP-adatok a HadSLP2.0 adatállományból származnak.

A NAO-ra is feltételezték, hogy az Északi-sarkvidék jégvesztése különböző feltételezett mechanizmusok révén hatással van. Mint most már tudjuk, a gyors tengeri jégvesztés magyarázhatja az 1990-es évek közepe óta tartó negatív NAO-trendet. Tekintettel arra, hogy az ETCW-t a sarkvidéki tengeri jégterület csökkenése kísérte, feltételezhetjük, hogy a NAO-index csökkenését az 1920-1930-as években az egyidejűleg bekövetkező tengeri jégváltozások is befolyásolhatták. Fontos megjegyezni, hogy a tengeri jég csökkenése és a cirkulációs válaszok közötti kapcsolat nem lineáris lehet. A WACS mintázat kialakulása és a cirkuláció válasza a tengeri jég változásaira viszont a NAO fázisától is függhet.

A csendes-óceáni észak-amerikai oszcillációs index (PNA) a Csendes-óceán északi része (Aleut-szigeteki minimum) és Észak-Amerika északkeleti része (kanadai maximum) közötti nyomásgradienst jellemzi. Ez a gradiens az észak-csendes-óceáni zonális áramlás erősségével függ össze. A PNA fontos jellemzője az ETCW összefüggésében az, hogy mind a (pozitív, mind a negatív) PNA-fázisok hozzájárulhatnak a légköri hőadvekcióhoz az Északi-sarkvidék felé a különböző régiókban. Amint azt Hegerl megállapította , a negatív PNA-mintázathoz kapcsolódó légköri cirkuláció az 1930-as években lehetővé tette a meleg légtömegek pólus felé irányuló szállítását a Csendes-óceán északnyugati része felett. Ezt követően az 1940-es évek elején erős pozitív PNA-csúcs következett ( 8. ábra ), amely meleg levegőt szállított Kanada nyugati része és Alaszka felé, majd az 1950-es években hirtelen visszaesés következett be. Mindkét cirkulációs anomália hozzájárult a sarkvidéki felmelegedéshez. A PNA-t erősen befolyásolja az El Niño/Déli Oszcilláció (ENSO), a pozitív indexek általában az El Niño jelenségekhez, a negatív indexek pedig a La Niña eseményekhez kapcsolódnak. Különösen az 1930-as években tapasztalt gyenge PNA összefüggésbe hozható az 1930-as évek ENSO-aktivitásának hiányával.

Fontos hangsúlyozni a regionális légköri változékonysági mintázatokat is, amelyeket az Atlanti-óceán északi részén és a Csendes-óceán északi részén a geopotenciális magassági anomáliákban vagy az SLP-ben határoznak meg: Eurázsia - Kelet-atlanti, Kelet-atlanti - Nyugat-Oroszország, skandináv minták és a Barents-oszcilláció, amelyek a légköri hőtranszporttal kapcsolatosak a magas szélességi körök felé. Ezek jelentősen befolyásolhatják az Északi-sarkvidék éghajlatát az évközi és a dekádok közötti időskálán. Az ilyen regionális légköri változékonyság hozzájárulhat a sarkvidéki SAT-anomáliákhoz regionális szinten.

A troposzférikus cirkuláció elemzése azt mutatja, hogy a belső légkör dinamikája hatással lehetett a 20. század első felében a sarkvidéki szaturációra. Mind az atlanti, mind a csendes-óceáni szektortól feltételezték a meleg tengeri légtömegeknek az Északi-sarkvidékre történő szállításához való hozzájárulást. Ez azonban nem magyarázza meg az ETCW teljes amplitúdóját, és ki kell egészíteni más külső vagy belső változékonysági tényezőkkel.

3.2. Az óceáni keringés változékonysága 

Az északi-sarkvidéki erősödés a 20. században, beleértve a modern felmelegedési és ETCW-időszakokat is, nemcsak az északi-sarkvidéki éghajlati rendszerben rejlő számos pozitív visszacsatolással vagy a légköri hőszállítás növekedésével hozható összefüggésbe, hanem az Atlanti-óceán északi részéből az Északi-sarkvidékre irányuló óceáni hőbeáramlás fokozódásából is eredhet. Az Atlanti-óceán alacsony szélességeiről a magas szélességek felé szállított hő alapvetően az Északi-sarkvidék atlanti szektorában kerül a légkörbe. A hőszállítás pozitív anomáliája fokozott sarkvidéki felmelegedést okoz, és jelentősen befolyásolhatja a féltekei és globális hőmérsékletet, különösen az északi féltekén a 20. század utolsó három évtizedében bekövetkezett felmelegedés akár 50%-át is megmagyarázza.

Az éghajlati modellek szimulációinak elemzése azt mutatja, hogy a sarkvidéki ETCW az Atlanti-óceán északi részéből a Barents-tengerbe irányuló megnövekedett óceáni beáramlás és a tengeri jég megfelelő visszahúzódása eredménye lehet, és rámutat az Északi-sarkvidék évtizedek közötti hőmérséklet-változás és az észak-atlanti termohalin cirkuláció kvázi-periodikus oszcillációi közötti kapcsolatra is. A gyakran óceáni szállítószalagként is emlegetett termohalin cirkulációt a tengervíz sűrűségét meghatározó nagyméretű hőmérsékleti és sótartalmi gradiensek mozgatják. Nagymértékben felelős az óceáni medencék közötti hőszállításért és különösen az észak-atlanti óceáni hőszállításért. E hőszállítás kvázi periodikus változásai globális éghajlati anomáliákhoz vezethetnek, és különösen hozzájárulhatnak a modern felmelegedéshez.

A műszeres adatok azt mutatják, hogy a 20. században az Atlanti-óceán északi részén a 20. században az SST-változékonyságot az 50-80 éves időskálájú, általában AMO-nak nevezett kváziciklikus változékonyság uralta. A műszeres feljegyzések során két különálló meleg időszakot figyelhetünk meg az 1930-1940-es években és az 1980-as évek óta, valamint két hideg időszakot a 20. század elején és az 1960-1970-es években. A megfigyelési adatok szintén AMO-szerű ciklusokra utalnak. A 20. század elejétől megfigyelt több évtizedes sarkvidéki SAT-változások egybeesnek az AMO-ciklusokkal ( 9. ábra ).

9. ábra. Éves sarkvidéki (60-90°N) SAT-anomáliák (°C) 1900-2010 között (fekete görbe) a Berkley-adatkészlet szerint, a hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980, 7 éves futó átlag. AMO-index mint az éves detrended SST-anomáliák átlaga, °C, az ÉSZ 0-60°, 80 W-8E régió felett (10 éves futó átlag, piros görbe), PDO-index mint az éves detrended SST-anomáliák átlagának első PC-je, °C, az ÉSZ 20-60°, 120-240°E régió felett (10 éves futó átlag, kék görbe) a HadiSST2.0 adatkészlet szerint.

Az AMO paleo-rekonstrukciói azt mutatják, hogy az erős, alacsony frekvenciájú (60-100 éves) SST-változékonyság az észak-atlanti éghajlat robusztus jellemzője legalább az elmúlt öt évszázadban. Vannak arra utaló jelek is, hogy az elmúlt évszázadokban, beleértve az ECTW-időszakot is, jelentős összefüggés volt az Északi-sarkvidéki tengeri jég területe és az AMO között. A Barents-tenger 100-150 méteres mélységi réteghőmérsékletének idősorai a 20. században több évtizedes változékonyságot mutatnak, ami összhangban van a hosszú távú AMO-változásokkal. Mindezek alapján az AMO az ETCW-hez hozzájáruló természetes változékonysági tényező fő jelöltje.

A Csendes-óceán északi részén zajló légköri cirkuláció és az északi-sarkvidéki éghajlatváltozások közötti kapcsolat új hipotéziseket hozott létre az ETCW-re vonatkozóan, amelyek regionális óceáni változékonysági tényezőket foglalnak magukban. A legvalószínűbbek közé tartozik a csendes-óceáni dekádos oszcilláció (PDO), amely az ÉSZ 20°-tól északra a csendes-óceáni SST-értékek dekádok közötti ingadozását tükrözi, és 20-40 éves kvázi periódussal rendelkezik. Legalább ugyanilyen fontos szerepet játszhatott a 20. század közepén az Északi-sarkvidékre irányuló hőadvekcióban, vagy akár az ETCW kialakulásában is jelentős tényezővé válhatott.

Számos közelmúltbeli tanulmány, amely mind megfigyelési adatokat, mind modellkísérleteket elemzett, azt sugallta, hogy az AMO és a PDO szinkron fáziseltolódása nagyban hozzájárult a 20. században felgyorsult sarkvidéki felmelegedéshez, mind a folyamatban lévő, mind az ETCW.

A PDO és az AMO relatív szerepe az Északi-sarkvidék felmelegedésében továbbra is vitatott. A CMIP5 ensemble szimulációk elemzése azt mutatja, hogy a PDO (az AMO-val ellentétben) nem statisztikailag szignifikáns előrejelzője a globális SAT változásoknak a 20. században, mind az AMO, mind a PMO képes magyarázni az NH átlaghőmérsékletek belső változékonyságának nagy részét. Más tanulmányok szerint a PDO önmagában kulcsfontosságú tényező lehet az Északi-sarkvidék felmelegedése az ETCW alatt. Numerikus szimulációik azt mutatják, hogy a PDO pozitív fázisba való eltolódása az 1920-as években mélyebb aleutiai mélypontot és a meleg légtömegek fokozott advekcióját eredményezte az Északi-sarkvidékre a csendes-óceáni szektorban.

Továbbá úgy találják, hogy a csendes-óceáni SST-változások ebben az időszakban gyengíthették a sarki örvényt, ami a levegő süllyedéséhez és az Északi-sarkvidék alsó troposzférájának adiabatikus felmelegedéséhez vezetett. A PDO fontos szerepét is alátámasztja, hogy a Csendes-óceán trópusi részét az elmúlt évszázadban, különösen az 1910-1940-es években a hosszú távú globális éghajlatváltozások kulcsfontosságú régiójaként azonosítják.

A PDO és az AMO hatása közötti különbség az eltérő domináns változékonysági időskálákhoz kapcsolódhat. A PDO-változások dekádos és multidecádos időskálákon is kifejeződnek ( 9. ábra ), míg az atlanti SST-változásokat 60-70 éves domináns ciklusok jellemzik. Így ezek a természetes változékonysági módok az időszaktól függően erősíthetik vagy kompenzálhatják egymást.

A modern felmelegedési időszakra vonatkozó legújabb tanulmányok azt állítják, hogy az erősen negatív PDO-fázis és a mérsékelten pozitív AMO-fázis kombinációja képes lassítani az antropogén eredetű felmelegedést a 21. század elején az NH-ban. Ez az Egyenlítő és a pólus közötti hőmérsékletkülönbség gyengülésének és az NH nyugati széljárás megfelelő csökkenésének köszönhető. Ugyanakkor a CMIP5 általános cirkulációs modellekkel végzett egyes kísérletek szerint a globális felmelegedés 20. századon belüli változásai az AMO és a PDO hatásának eltávolítása után is fennmaradnak, és a két óceán belső változékonyságának hozzájárulása a modern globális felmelegedéshez a becslések szerint kevesebb, mint 10%. Továbbá a tanulmány különböző megfigyelések és a CMIP5 modellekből származó történelmi éghajlati szimulációk felhasználásával kijelenti, hogy a belső multidecadális óceáni változékonyság nem valószínű, hogy a 20. században bekövetkezett globális SAT-változások hajtóereje volt, kiemelve a külső kényszerítő erőt mint fő okot, beleértve azt a hipotézist, hogy a multidecadális észak-atlanti SST-változásokat is elsősorban az antropogén aeroszol-kényszer irányítja.

10. ábra. Éves sarkvidéki (60-90°N) SAT-anomáliák (°C) 1900-2010 között (fekete görbe), a téli sarkvidéki SAT többszörös regressziós modellje az AMO, PDO, NAO és PNA indexekre (kék vonal), reziduumok (rózsaszín vonal), megbízható intervallum (CI, kék szaggatott terület); a Berkley-adatkészlet szerint. A hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980, 7 éves futó átlag. (Az ábra legendájában a színekre való hivatkozások értelmezéséért az olvasót a cikk internetes változatára utaljuk.)

A regressziós modell által megmagyarázott variancia 39,1%-ot tesz ki a 110 éves időszakra vonatkozóan, amelyből 33,7%-ot az AMO, 0,3%-ot a PDO, 1,5%-ot a NAO és 3,6%-ot a PNA tesz ki, ami arra utal, hogy a több évtizedes észak-atlanti SST-változások meghatározó szerepet játszanak a 20. században a sarkvidéki SAT-változásokban. Így a tisztán belső eredetű és függetlenségű feltételezéseket figyelembe véve azt sugallhatjuk, hogy az észak-atlanti nagyléptékű belső éghajlati változékonyság az egyik legvalószínűbb mechanizmus, amely magyarázatot adhat az ETCW jelentős részére. 

Az elmúlt években számos tanulmány kiemelte a Csendes-óceánt, mint a hosszú távú éghajlati ingadozások forrását, mind globális szinten, mind a magas szélességi körökben. Az atlanti és csendes-óceáni szektorok relatív hozzájárulása az ETCW eseményhez még mindig vita tárgyát képezi. Továbbá számos modellkísérlet amellett érvel, hogy a belső változékonyság mint egyetlen tényező nem képes megmagyarázni az ETCW SAT-ingadozások teljes amplitúdóját, és azt külső kényszerekkel kell kiegészíteni. 

Az északi magas szélességeken végzett megbízható megfigyelések viszonylag rövid (kb. 100 éves) időszaka legfeljebb néhány multidecadikus AMO-ciklust tartalmaz. Ez megnehezíti a lehetséges összefüggések pusztán empirikus adatokon alapuló statisztikai elemzését. Bár a modellezési tanulmányok és a paleorekonstrukciókat felhasználó vizsgálatok azt sugallják, hogy az Északi-sarkvidék és az Észak-Atlanti-óceán több évszázados éghajlati változékonysága több évszázados időszakokban összefügg, vannak arra utaló jelek, hogy az Északi-sarkvidék több évtizedes éghajlati változásai szabálytalanok, és nem részei a kvázi-periodikus ciklusoknak.

3.3. Pozitív visszacsatolások az Északi-sarkvidék éghajlati rendszerében 

Az éghajlati rendszer érzékenysége a külső erőhatásokra, például a légkörben lévő üvegházhatású gázok mennyiségének növekedésére, attól függ, hogy a válaszreakció kapcsolódik-e az érintett rendszerben zajló folyamatokhoz, amelyek növelhetik vagy csökkenthetik a kezdeti erőhatást, és így visszacsatolást képeznek. A visszacsatolások a Föld éghajlati rendszerének kulcsfontosságú elemei, amelyek mérsékelhetik vagy felgyorsíthatják az éghajlati változásokat és éghajlati ciklusokat hozhatnak létre. A felgyorsult sarkvidéki felmelegedéshez hozzájáruló visszacsatolások a következő folyamatokat foglalják magukban: a napsugárzás fokozott elnyelése a felszíni albedo csökkenése miatt a tengeri jég és a hó olvadása következtében; a melegebb levegő megnövekedett víztartó kapacitása miatt megnövekedett vízgőzkoncentráció következtében megnövekedett üvegházhatás; a téli időszakban a magasabb páratartalom miatt megnövekedett felhőtakaró, amely szintén hozzájárulhat a fokozott üvegházhatáshoz, de nyáron a beérkező napsugárzás visszaverése révén negatív visszacsatoláshoz is vezet (a felhők visszacsatolása a felhőtípusoktól is döntően függ); a Planck-féle sugárzási és az elhaladási sebesség visszacsatolásai; a szénciklusban bekövetkező változások, például a szárazföldi ökoszisztémákból és a tengeri talapzatból a permafroszt és a metánhidrátok felszabadulása következtében megnövekedett CO2- és metánfelszabadulás; az óceánban és a légkörben fellépő dinamikus visszacsatolások, amelyek az Északi-sarkvidékre irányuló fokozott hőszállításhoz vezetnek.

A pozitív visszacsatolások felerősítik az éghajlatnak a kezdeti kényszerre adott válaszát (pl. a CO2-növekedésből eredő sugárzási kényszer), míg a negatív visszacsatolások csökkentik a választ. Különösen a pozitív hőmérséklet-vízgőz visszacsatolás nagyjából megháromszorozza a felszíni levegő hőmérsékletének érzékenységét a légkör CO2-koncentrációjának változására. A felszíni levegő hőmérséklete - felszíni albedó visszacsatolás 10%-kal növeli a CO2-kétszeresére adott hőmérsékleti választ. A külső kényszerrel szembeni éghajlati érzékenység modellbecsléseinek egyik legnagyobb bizonytalansága a felhő-sugárzás visszacsatolásokhoz kapcsolódik. Az északi magas szélességeken a felhőzet jellemzői erősen korrelálnak az északi-sarkvidéki tengeri jégkoncentrációval és a légköri cirkulációs mutatókkal. A növekvő alacsony szintű felhőzet a napsugárzásnak a világűrbe való fokozott visszaszóródásához vezet, ami negatív visszacsatolásként jelenik meg, de magas szintű felhők esetén a földi hosszúhullámú sugárzást is képesek visszatartani, hozzájárulva az üvegházhatáshoz.

A legfontosabb jól ismert negatív visszacsatolás a földi infravörös sugárzás növekedése az űrbe, ahogy a felszín felmelegszik. A Stefan-Boltzmann-törvény szerint a kibocsátott fekete testsugárzás az abszolút hőmérséklet negyedik hatványának függvénye. Ez alacsonyabb hőmérsékleten erősebb hőmérséklet-növekedést követel meg, ami egy adott egyensúlyhiány ellensúlyozásához szükséges a lefelé irányuló sugárzással, amely szintén hozzájárulhat az AA-hoz.

Az éghajlati modellek által becsült globális felmelegedési előrejelzések nagy szórásának fő oka az egyes visszacsatolások (különösen a felhő-sugárzás visszacsatolás és a szénciklushoz kapcsolódó visszacsatolások) megfigyelt hőmérséklet-változásokhoz való hozzájárulásának nagyfokú bizonytalansága. A regionális dinamikai és sugárzási visszacsatolások jelentősen hozzájárulnak az Északi-sarkvidék éghajlatának változásához, és egyaránt felerősíthetik vagy mérsékelhetik a külső kényszerítő hatásokat és a belső változékonyságot. A sarkvidéki jégtakaró visszahúzódása az Atlanti-óceán északi részéből történő fokozott óceáni hőszállítás következtében az alsó légkör felmelegedéséhez és felszálló légáramlatok kialakulásához vezet az újonnan nyitott vízterületeken, ami következésképpen nyomáscsökkenést és cirkulációs változásokat okoz, beleértve a ciklonális aktivitás növekedését is. Az ilyen változások a nyugati és délnyugati szelek által felerősített óceáni beáramlás további erősödéséhez vezethetnek. Ez még nagyobb mértékű tengeri jégcsökkenéshez vezet. A leírt mechanizmus egy olyan pozitív visszacsatolást szemléltet, amely a sarkvidéki légkör cirkulációját érinti, és ennek következtében befolyásolja az éghajlat változásait.

Az Északi-sarkvidék fontos földrajzi jellemzője a félig zárt Jeges-tenger, amely alapvetően az Atlanti-óceán szektorában két fő áramlással kapcsolódik a globális óceánhoz: a Fram-szoroson és a Barents-tenger nyílásán keresztül. Míg a Fram-szorosba több száz méter mélységben belépő meleg és sós atlanti víz nem cserél hatékonyan hőt az óceán felső rétegében és a légkörben (ez a helyzet azonban az utóbbi években megváltozni látszi), addig a sekély Barents-tengerben a szállított hő mintegy 90%-át elveszíti a légkörben, így közvetlenül meghatározza a regionális léghőmérséklet és a cirkuláció változékonyságát. A Barents-tenger a Jeges-tenger területének mintegy 10%-át teszi ki, de viszonylag kis mérete ellenére kulcsfontosságú régió az óceáni hőnek a sarkvidéki légkörbe történő leadása szempontjából. A Barents-tengeren a közelmúltban a legintenzívebb tengeri jégcsökkenés volt megfigyelhető, különösen az alacsony szélességekről érkező óceáni és légköri hőáramlás fokozódása miatt.

A Barents-tenger az északi féltekén 1979 óta a márciusi tengeri jég kiterjedésének csökkenéséhez az egyik legnagyobb mértékben (27%) járul hozzá, azzal együtt, hogy ez a régió az elmúlt évtizedben gyakorlatilag jégmentes volt a nyári szezonban. A megfigyelési adatok arra utalnak, hogy a Barents-tenger szeptemberi tengeri jégfelülete az ETCW-időszakban rendellenesen alacsony volt (egyes években közel a nullához). A tengeri jég koncentrációjának a hideg évszakban a fokozott óceáni beáramlás okozta csökkenése változásokat idézhet elő a regionális légköri cirkulációban, ami a Barents-tengerbe történő további fokozott beáramlásnak kedvez, így pozitív visszacsatolást eredményezhet, ami az ETCW egyik mechanizmusának tekinthető.

Így az Északi-sarkvidék fokozottabb hőmérséklet-változásait kezdetben a regionális légkör-óceán dinamika ingadozásai válthatják ki, majd az Északi-sarkvidék éghajlati rendszerén belüli pozitív visszacsatolások jelentősen felerősíthetik. Az ilyen felerősödött sarkvidéki éghajlati változások viszont hatással lehetnek a hőmérséklet-változásra regionális, sőt globális szinten is, például csökkentve az egyenlítő-pólus hőmérsékleti gradienst és a meridionális hőtranszportot.

4. A természetes külső hatások hozzájárulása 

4.1. A naptevékenység 

A naptevékenység változásaira adott érezhető éghajlati reakcióra utaló bizonyítékokat a műszeres és proxy adatokból ismerünk. Különböző időskálákon statisztikailag szignifikáns korrelációkat tártak fel a regionális és nagyléptékű éghajlati jellemzők, köztük a SAT és a napsugárzás aktivitása között. A napsugárzás és az éghajlat közötti összefüggések értékelésének egyik problémája a jelenleg rendelkezésre álló közvetlen műholdas adatok viszonylag rövid hossza, amely csak egy 1978 óta tartó néhány évtizedes időszakot fed le. Ez nem elegendő a százéves vagy több évtizedes tendenciák azonosításához, bár a korábbi időszak adatai különböző rekonstrukciókon alapulnak, amelyek jelentős bizonytalanságokat és ellentmondásokat tartalmazhatnak. A teljes napsugárzásra vonatkozó utóbbi több évszázados rekonstrukciók a Kr. u. 850-től a napsugárzási modellek alapján kisebb eltéréseket mutatnak az elmúlt évszázadok során, beleértve az ETCW-időszakot is.

11. ábra a, b. A teljes napsugárzás (W/m2) rekonstrukciói 1900-2018 (a) és 850-től 2018-ig (b) a rekonstrukciók szerint:  Lean, 2018 (szürke görbe); Coddington et al., 2016 (zöld görbe); és globális SAT-anomáliák (a), °C (fekete görbe) a Berkley-adatkészlet szerint. A hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980, 5 éves futó átlag.

A napsugárzás globális hőmérsékletre gyakorolt hatásának egyik legszembetűnőbb történelmi példája a 14-19. századi nagy európai lehűlési időszak, a kis jégkorszak, amely az antropogén tényező hiányában egy viszonylag gyenge naptevékenységi időszakkal esett egybe ( 11. b ábra). Különösen a 17. század második felében - a 18. század elején tapasztalt negatív SAT-anomáliát kísérte a naptevékenység minimuma - a Maunder-minimumnak nevezett esemény. Számos tanulmány azonban arra utal, hogy még a napsugárzás ilyen erős csökkenése sem magyarázza a középkori lehűlés teljes amplitúdóját. Felvetődött más hajtóerők, például a szokatlanul magas vulkáni aktivitás, valamint az éghajlat belső ingadozásainak hozzájárulása. Például egy kapcsolt légkör-óceán modellel végzett szimuláció az Atlanti-óceán északi részén a Golf-áramlat és a Csendes-óceán északi részén a hőt az alacsony szélességekről a magas szélességek felé szállító Kurosio áramlat erősségének jelentős gyengülését mutatja az NH-ban. Továbbá a kis jégkorszak regionális jelenség lehetett, és megfelelt a globális hőmérsékleti anomáliának.

A naptevékenység relatív szerepe, amely a 20. századi éghajlati ingadozásokat okozhatta, különböző értékelések tárgyát képezi. Reid korai eredményei, amelyek egydimenziós óceáni modellszámításokon alapulnak, és amelyeket a napsugárzás rekonstrukciójával kényszerítettek ki, azt sugallják, hogy az antropogén és a napenergia egyaránt hozzájárulhatott az 1900 és 1955 közötti globális SAT változásokhoz, ami a napsugárzás jelentőségének alábecsülését jelenti. Scafetta és West (2008) a napkitörések intermittenciája és a földi hőmérsékletváltozások közötti információátvitel statisztikai modelljét alkalmazva a 20. századi felszíni hőmérséklet-ingadozás 69%-át a naptevékenységnek tulajdonította, azonban megközelítésük hibás. Lean és Rind (2008) megfigyelési adatokon alapuló többszörös regressziós elemzése azt sugallja, hogy a naptevékenység csak 10%-kal járult hozzá a globális felmelegedéshez 1905 és 2005 között, és 1980-2005 között elhanyagolható hosszú távú felmelegedést eredményezett.

Mokhov és Smirnov (2008) szerint számos naptevékenység-rekonstrukció empirikus elemzése azt mutatja, hogy a naptevékenység az 1897-1936 közötti időszakban a globális SAT-változásnak csak 8%-át, a 20. század második felében pedig 27%-át magyarázza.  Przybylak et al. (2020) leltárt készített az Északi-sarkvidéken az ETCW (1921-50) időszakában végzett napsugárzási mérésekről, és bár mennyiségi értékelést nem készített, megkülönböztetett egy fényesedési fázist az 1921-1950 közötti időszakban, amelyet egy stabilizációs fázis (1951-93) és egy halványodási fázis (2000 után) követett. Általánosságban az empirikus elemzés azt mutatja, hogy a naptevékenységnek viszonylag csekély szerepe van a SAT ingadozásában az ETCW-időszakban. Mégis, a modellkísérletek szerint az intenzívebb napsugárzás nagyobb mértékű felmelegedést okozhatott a korai felmelegedési időszakban, mint az antropogén tényező, és az 1920-1950-es évek közötti alacsony vulkáni aktivitással együtt jelentős oka lehetett a 20. század eleji sarkvidéki felmelegedésnek. 

Ez a tényező azonban önmagában nem magyarázhatja az ETCW eseményt. A naptevékenység szerepe tehát ellentmondásos, hozzájárulása valószínűleg viszonylag kicsi, és további külső kényszerítő erőkkel és belső természetes változékonysággal kell megerősíteni.

4.2. Vulkáni tevékenység 

Az éghajlati rendszer külső tényezőkre adott válasza empirikus adatokból, köztük paleorekonstrukciókból és éghajlati modellszimulációkból állapítható meg, ami arra utal, hogy a vulkáni aeroszoloknak az éghajlatra gyakorolt hatása, különösen az évközi és több évtizedes időskálán, lényegesen nagyobb, mint a naptevékenységé.

A vulkánkitörés során felszabaduló vulkáni gázok részeként a kén-dioxid a légkörben lévő vízzel reagálva szulfát aeroszol részecskéket termel. Ez utóbbiakat, amikor az erős vulkáni beömléssel a sztratoszférába kerülnek, a csapadékképződési folyamatok nem távolítják el, és több hónapig is ott maradhatnak, a kitörés helyéről néhány hét alatt az egész Földre szétterjedve. A szulfátaeroszolok visszaverik a napsugárzást és növelik a bolygó albedóját. Ez negatív hatással van a Föld sugárzási egyensúlyára, ami a nagyobb vulkánkitöréseket követő néhány hónapon belül néhány tized Celsius-fokkal csökkenti a globális SAT-ot. Ez a hatás a kitörés erősségétől függően a lehűlt óceánok hőtehetetlensége miatt több évig is fennmaradhat.

A 20. század második felében aktinometriai mérések kimutatták, hogy a vulkáni aeroszolok jelenléte a sztratoszférában 5-7%-kal csökkenti a beérkező rövidhullámú sugárzást a sarki szélességeken a kitörést követő 1-3 évig (a kitörés erősségétől függően).

Az aeroszol optikai mélysége (AOD) alapján mért vulkáni tevékenységet a 20. században a 12. ábra mutatja be. Az AOD a légkörben jelen lévő aeroszol mennyiségi becslése, amely egy fénysugár elnyelő vagy szóró folyamatok miatti elhalványulását méri a légkörön való áthaladás során. Látható, hogy az AOD-ra gyakorolt legerősebb vulkáni hatás, amely negatív sugárzási kényszerhez vezetett, az 1920-as évek előtt és az 1960-as évek után volt megfigyelhető. A vulkánkitörések hatása évtizedek közötti időskálán körülbelül 0,1 °C-os globális felszíni hőmérséklet-változást eredményez. A 20. század elején bekövetkezett nagyobb vulkánkitörések után (Santa Maria 1902-ben, Ksudach 1907-ben és Katmai 1912-ben, amelyek az NH SAT 0,2-0,5 °C-os csökkenését okozták egytől öt évig terjedő időszakokra, a nagyobb vulkánkitörésekben szünet következett 1963-ig, amikor is bekövetkezett a Mount Agung kitörése. Az 1920-1950-es évek közötti aktív vulkanizmus szünete a szulfát aeroszolok csökkenéséhez vezetett a sztratoszférában és a légkör optikai vastagságának csökkenéséhez. Ez hozzájárulhatott az ETCW kialakulásához, de nem áll összhangban az 1950-es évek óta tartó SAT-platóval.

12. ábra. Az átlagos aeroszol optikai mélység (AOD, hullámhossz 550 nm-en) a 20. században a GISS klímamodellben a CMIP5 szimulációkhoz használt vulkáni aeroszol-erőltetésnek megfelelően ( Miller et al., 2014 ) - Globális (szürke görbe); NH (piros görbe); SH (kék görbe) és NH SAT anomáliák, °C (fekete görbe), a Berkley-adatkészlet szerint. A hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980.

A vulkáni aeroszolok több éven keresztül kompenzálhatják vagy akár meg is fordíthatják az üvegházhatású gázok növekvő koncentrációja által kiváltott SST-emelkedést, és az óceánok hőtartalmának és tengerszintjének gyors változásához is vezethetnek. A Pinatubo kitörése következtében az óceán hőtartalmának csökkenése körülbelül 3 × 10 22 J-t tett ki, ami a globális tengerszint körülbelül 5 mm-es csökkenésével járt. A vulkánkitörések hatással lehetnek az óceáni cirkulációra, különösen az AMO-ra is, elsősorban a trópusi SST-értékek lehűlése és az Atlanti-óceán északi részén a termohalinkeringés megváltozása miatt. Az AMO az észak felé irányuló óceáni hőszállítás erősségével függ össze, ami viszont befolyásolja az éghajlatot az északi extratrópusokon és az Északi-sarkvidéken.

A vulkáni aeroszolok globális SAT-ra gyakorolt hatására vonatkozó becslések bizonytalansága azzal függ össze, hogy a vulkáni aeroszol tér-időbeli dinamikája függ a kitörés erősségétől és geológiai típusától, az aeroszol kémiai összetételétől, valamint az évszaktól és a földrajzi elhelyezkedéstől. Ez megnehezíti a vulkáni aeroszol által kiváltott erő reális meghatározását az éghajlati modellekben. Alacsony földrajzi szélességű kitörés esetén a sarkvidékeken a lehűlés kifejezettebb, mint a trópusokon, ahogyan ez az Agung-hegy 1963-as kitörése után is történt. Azt az eseményt a teljes rövidhullámú napsugárzás 7%-os csökkenése kísérte a Déli-sarkon a kitörést követő első évben, míg a trópusi szélességeken a teljes sugárzás zavara alig emelkedett a zajszint fölé.

A SAT külső természeti tényezőkkel szembeni érzékenységének elemzése a 20. századi klímára vonatkozó kapcsolt klímamodell-szimulációk alapján arra utal, hogy a megnövekedett napsugárzás, valamint az 1930-as és 1950-es évek nagy vulkánkitöréseinek szünete jelentős mértékben hozzájárulhatott az ETCW-hez. Ezek a tényezők azonban nem elegendőek a korai felmelegedés teljes nagyságrendjének magyarázatához, és ki kell egészíteni őket más tényezőkkel, például az éghajlat belső változékonyságával, az antropogén üvegházhatású gázok és az aeroszolok változásaival.

5. Mechanizmusok: antropogén hatás 

5.1. Antropogén aeroszolok 

Bár a naptevékenység és a vulkáni tevékenység változása önmagában nem magyarázza az ETCW nagyságát - egyes tanulmányok szerint a külső antropogén tényezők, mint például az üvegházhatású gázok növekedése a naperősséggel azonos mértékben járulhatott hozzá az ETCW SAT növekedéséhez. A fokozatos globális felmelegedéstől való eltérések, amelyeket az üvegházhatású gázok légköri koncentrációjának növekedése okoz, az antropogén aeroszolok kibocsátásában bekövetkező változásokkal hozhatók összefüggésbe. A CMIP5 klímamodellek együtteséből származó történelmi egy- és összes erőhatás-szimulációk elemzése arra utal, hogy az antropogén aeroszolok a 20. század folyamán a középső szélességi fokú eurázsiai nyári hőmérsékleti trendek egyik fő hajtóereje voltak, és az 1940-70 közötti európai hőmérséklet évtizedek közötti ingadozásának több mint felét magyarázták.

A globális éghajlat antropogén aeroszolok által előidézett erőhatása az elmúlt évtizedekben intenzíven tárgyalt fogalom. Az éghajlati rendszer antropogén aeroszolokra adott válasza rendkívül bizonytalan a térben heterogén és időfüggő kényszer-mintázatok, valamint a légköri reflektivitásra gyakorolt közvetlen és közvetett hatásuk miatt. Továbbá néhány újabb tanulmány közvetett aeroszolhatásra utal az aeroszolnak az Atlanti-óceán északi részén az óceáni cirkuláció változékonyságára gyakorolt lehetséges hatásán keresztül, ami fontos hatással van a globális éghajlatra. Ezeket az eredményeket azonban Zhang vitatja.

Az aeroszolok eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek, és ellentétes hatást gyakorolhatnak a felszíni hőmérsékletre. A közvetlen aeroszolhatást a napsugárzás szórása vagy elnyelése (az aeroszol típusától függően) okozza, amikor a szulfát, nitrát, szerves aeroszol vagy vízgőz részecskék szórják a beérkező napsugárzást, és negatív sugárzási kényszerhez vezetnek. Ezzel szemben az aeroszol szénrészecskék, azaz a korom ("fekete szén") főként elnyelik a sugárzást, ami pozitív sugárzási kényszerhez és az alacsony troposzféra felmelegedéséhez vezet. Ez a felmelegedés jelentős hatást gyakorolhat a légköri stabilitásra, ami a konvekció megváltozásához vezet, és következésképpen hatással van a nagyléptékű cirkulációra és a hidrológiai ciklusra, ami jelentős regionális és távoli éghajlati hatásokhoz vezet.

Az antropogén eredetű aeroszolok hatásának értékelésében a fő bizonytalanság a közvetett hatásukhoz kapcsolódik, amikor az aeroszolok részecskéi a felhő optikai tulajdonságainak változásán keresztül befolyásolják az éghajlati rendszert. A közvetett hatás viszont két fő kategóriára osztható. Az első az aeroszolrészecskék növekvő koncentrációja által okozott felhőkondenzációs magok (cseppek) számának növekedése és effektív sugarának (méretének) csökkenése. Ez nagyobb felhőfelületet és a felhővisszaverő képesség fokozódását eredményezi - ezt nevezzük Twomey-effektusnak. A második hatás a felhők hosszabb élettartamában nyilvánul meg, mivel a felhőcseppek effektív sugarának csökkenése lassítja a csapadékképződést. A hosszabb élettartamú felhők száma növeli a bolygó albedóját, ezáltal hozzájárul a felszín lehűléséhez, és nagymértékben ellensúlyozhatja az üvegházhatás okozta globális felmelegedést. Az aeroszol-felhő kölcsönhatás azonban a különböző felhőtípusoktól függ, beleértve a szuperhűtött felhőcseppekkel való érintkezés esetét is, amikor az aeroszolok jégmagként viselkedhetnek, ami fagyást indít el, ami a felhő gyors jegesedéséhez és a felhő élettartamának, borítottságának és optikai mélységének csökkenéséhez vezet, ami a napsugárzás nagyobb mértékű elnyelését eredményezi a földi éghajlati rendszerben.

A CMIP5 éghajlati modellkísérletek elemzése azt sugallja, hogy az üvegházhatású gázok által a 20. század folyamán okozott globális felmelegedés akár 60%-át is kompenzálhatja az éghajlati rendszer más antropogén aeroszolokra adott válasza. Ilyen kompenzáló hatás nélkül az Északi-sarkvidéken a 20. század folyamán erősebb, 1,8 °C-os felmelegedés következett volna be. Más kísérletek azt mutatják, hogy az aeroszolok hatására az 1950-1975 közötti időszakban az Északi-sarkvidék tengeri jégtakarójának az üvegházhatású gázok hatására bekövetkező csökkenése elhalasztható. Ugyanakkor egy másik, a CMIP5 éghajlati modellek szimulációin alapuló tanulmány azt mutatta, hogy a 20. században az északi-sarkvidéki hőmérséklet-változások egyformán jól reprodukálhatók a teljes közvetett aeroszolhatást tartalmazó és a teljes közvetett aeroszolhatás nélküli szimulációkban.

Az aeroszolok sugárzási egyensúlyra gyakorolt közvetlen és közvetett hatásait kiegészítik a légköri keringésre gyakorolt hatások a légkör különböző részeinek hűtése vagy melegítése révén (mind vízszintes, mind függőleges dimenzióban). Ezeknek a hatásoknak az értékelése még bizonytalanabb. A légköri változékonyság belső módozatainak elemzése egy éghajlati modellben azt mutatja, hogy az Északi-sarkvidékre irányuló légköri hőszállítást jelentősen befolyásoló sarkvidéki oszcilláció nem mutat statisztikailag szignifikáns választ az üvegházhatású gázokra, a szulfátaeroszolokra vagy az ózonhatásra. Ugyanakkor más modellezési tanulmányok az aeroszolok fontos szerepét jelzik a regionális éghajlati trendek alakításában, beleértve a felgyorsult modern felmelegedést az Északi-sarkvidéken. Az eredmények eltérése a modell felbontásával, a fejlesztés előrehaladásával és a szimulációk beállításával is összefügghet.

 

Az Északi-sarkvidék éghajlata érzékeny a fekete szén (BC) aeroszolok pozitív sugárzási kényszerhatására is, amelyek komoly hatással vannak a légkör és a felszín fizikai és kémiai tulajdonságaira. A BC-t általában koromként ismerik, amelyet fosszilis tüzelőanyagok és biomassza elégetése során bocsátanak ki. A feketeszén legnagyobb koncentrációja és az éghajlatra gyakorolt hatása elsősorban az északi féltekén figyelhető meg ( 13. ábra ), ahol a szárazföldi terület aránya nagyobb, ahol a világ népességének nagy része él, és ahol következésképpen az ipari termelés nagy része is található.

13. ábra. Az ipari feketeszén (BC) tömegmennyisége (kg/m2 ) a 20. században globális átlagban (fekete görbe), az NH (kék görbe), az Északi-sarkvidék (60-90°N) (rózsaszín görbe) a 20. században a GISS Climate Model for CMIP5 és a globális/sarkvidéki SAT anomáliák, °C (fekete szaggatott/fekete szaggatott), a Berkley-adatkészlet szerint. A hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980, 5 éves futó átlag.

A koromrészecskék csökkentik a hó és a tengeri jég albedóját. Az éves átlagban mért albedócsökkenés az Északi-sarkvidéken 1,5%-ot, az Északi-sarkvidéken pedig 3%-ot tesz ki, ami a 20. században az északi féltekén 0,3 W/m2 -rel növeli a sugárzási erőhatást. Egy ilyen hatás pozitív visszacsatolást is feltételez - az erősebb és korábbi hóolvadás több BC aeroszol kibocsátásához vezethet. 

Továbbá változásokat okoz a hidrológiai ciklusban és hatással van a felhőborításra, így befolyásolja a légköri stabilitást és a cirkulációt az Északi-sarkvidéken. A grönlandi jégmagok elemzése szerint az Északi-sarkvidéken a 20. században a BC-koncentráció maximuma 1906 és 1910 között volt megfigyelhető, amelyet az 1940-es évek végéig kisebb csökkenés, majd az 1950-es években hirtelen csökkenés követett, ami részben összhangban van a CMIP5 modellegyüttesben előírt kényszerrel ( 13. ábra ). Ez arra utal, hogy a feketeszén-kényszer hozzájárulhat az ETCW-hez.

Az antropogén aeroszol hozzájárulása az elmúlt évszázad globális és regionális éghajlati változásaihoz jelentős tényező lehetett, és - mint fentebb említettük - részben kompenzálhatja az üvegházhatású gázok pozitív sugárzási kényszerét, de mennyiségi becslései erősen bizonytalanok a sugárzási egyensúlyra gyakorolt közvetlen és közvetett hatások, valamint a légköri, sőt az óceáni cirkulációban bekövetkező lehetséges változások miatt, amelyek nem lineáris és távoli éghajlati változásokat eredményeznek.

5.2. Üvegházhatású gázok

Az üvegházhatású gázok antropogén eredetű növekedése volt az elmúlt 50 évben megfigyelt globális és félgömbi hőmérséklet-változások egyik fő mozgatórugója. Az üvegházhatású gázok hozzájárulása a 20. század közepi felmelegedéshez azonban bizonytalan, mivel az üvegházhatású gázok koncentrációjának gyors növekedése az 1940-es évek után kezdődött ( 14. ábra ). A szén-dioxid koncentrációja a Föld légkörében 1979 és 2019 között 336-ról 411 részecskéről millió per millióra (ppm) nőtt az antropogén kibocsátások következtében, ami az 1850-es iparosodás előtti értékektől (286 ppm) napjainkig tartó teljes növekedés mintegy 60%-át teszi ki. A CO2-koncentráció növekedése az 1906-1945 közötti időszakban mindössze 10%-os volt (299 ppm-ről 311 ppm-re), és ez önmagában nem magyarázza az ETCW-t. Továbbá, annak ellenére, hogy az 1940-1950-es években az üvegházhatású gázok koncentrációjának növekedése lelassult, ebben az időszakban tovább emelkedett, ami nem állt összhangban az egyidejű globális és különösen az Északi-sarkvidéki lehűléssel.

14. ábra. A légkör szén-dioxid-koncentrációja (ppm) 1860-2015 között a CMIP5 klímamodell-együttes (vastag szürke vonal), az antarktiszi jégmagok CO2-rekonstrukciói (fekete vonal) és a Mauna Loa megfigyelési adatai (rózsaszín vonal), valamint a globális SAT-anomáliák, °C (szaggatott vonal), a Berkley-adatkészlet szerint. A hőmérsékleti anomáliák referencia-időszaka 1951-1980, 5 éves futó átlag.

Így az üvegházhatású gázok koncentrációjának viszonylag lassú növekedési üteme az ETCW felmelegedési szakaszában nem egyezik a 20. század közepén tapasztalt SAT-változásokkal, míg az 1940-es és 1950-es években az üvegházhatású gázok koncentrációjának kiegyenlítődése ( 14. ábra ) részben szerepet játszhatott az Északi-sarkvidék lehűlésében, mivel ebben az időszakban az antropogén aeroszolok terhelése nőtt. Az éghajlati modellek szimulációi szerint azonban az 1920-1930-as évek felmelegedése az antropogén tényezőt is magában foglaló erők összegének eredménye lehetett.

A kapcsolt éghajlati modellel végzett kísérletek azt sugallják, hogy a 20. század eleji globális felmelegedés az antropogén sugárzási kényszer és az éghajlat belső változékonyságának kombinációja miatt következhetett be. A 20. század első felében bekövetkezett felmelegedés reprodukálásához a szoláris és antropogén tényezők kombinációja szükséges, míg az üvegházhatású gázok növekedése miatti sugárzási kényszer a domináns tényező a modern felmelegedési időszak éghajlati reakciójában. Hasonló következtetést vontak le négy lehetséges külső kényszerítő tényező kvantitatív értékelése alapján a sugárzás és a sztratoszférikus vulkáni aeroszolok, valamint a külső antropogén - ÜHG és szulfátaeroszolok) éghajlati modellszimulációk segítségével. Arra a következtetésre jutottak, hogy a külső természetes és antropogén tényezők egyformán fontosak az ETCW kialakulásában. Újabb éghajlati modellszimulációk azt mutatják, hogy a külső természetes és antropogén tényezők kombinációja járult hozzá az Északi-sarkvidék hőmérséklet-változásához a korai felmelegedés idején, amelynek nagyobb részét ebben az időszakban a természetes forcingnak tulajdonították. Ezeket a következtetéseket alátámasztja egy elemzés, amelynek becslése szerint a 20. század első felében bekövetkezett globális felmelegedés közel felét (40-54%) az egyre növekvő antropogén és természetes forcingek kombinációja kényszerítette ki.

Így az üvegházhatású gázok szerepe az ETCW-időszakban nem feltétlenül meghatározó. Az üvegházhatású gázok hozzájárulása azonban észrevehető a külső természeti tényezőkhöz és a belső éghajlati változékonysághoz képest.   

6. Következtetések 

A 20. század eleji felmelegedés az északi extratrópusokon a felmelegedés mértékét tekintve a mai felmelegedéshez hasonlítható, de abban az időszakban történt, amikor a légkörben lévő üvegházhatású gázok teljes növekedése az iparosodás előtti értékekhez képest 50%-kal kisebb volt, mint az elmúlt 40 évben. Mindez kizárja az üvegházhatást, mint az ETCW fő hajtóerejét, és más éghajlati változékonysági mechanizmusokra utal, amelyek mind belső (természetes) eredetűek, mind pedig külső természetes és antropogén hatásokhoz kapcsolódnak. Az évszázad közepi felmelegedési mechanizmusok megértése kulcsfontosságú annak meghatározásához, hogy a belső természetes változékonyság és a külső erőhatások milyen mértékben járultak hozzá a globális és regionális éghajlati változásokhoz az elmúlt évszázadban, beleértve a modern felmelegedési időszakot is.

Az Északi-sarkvidéken az ETCW amplitúdója (az időszak és a földrajzi meghatározások függvényében) körülbelül két-háromszor nagyobb volt, mint az északi félteke átlaga. Az ilyen fokozott hosszú távú regionális hőmérséklet-ingadozás egyrészt válasz lehet a globális éghajlati változásokra, amelyeket számos regionális sugárzási és dinamikai pozitív visszacsatolás erősít, másrészt az Északi-sarkvidéki éghajlati rendszer belső eredetű lehet, ami a globális hőmérséklet-változásokra való lehetséges visszacsatolással járhat. Az ETCW-hez hozzájáruló főbb mechanizmusok közé tartozik a természetes belső változékonyság, a külső természetes tényezők, mint például a napsugárzás és a vulkáni tevékenység, valamint a különböző természetű aeroszolok és az üvegházhatású gázok változó koncentrációja miatti külső antropogén hatás.

Annak ellenére, hogy a napsugárzás a Föld felszíni hőmérsékletének változását befolyásoló fő tényező, a különböző rekonstrukciók és modellkísérletek szerint hozzájárulása viszonylag csekélynek becsülhető, és önmagában nem magyarázza a korai éghajlati ingadozást. Az 1915-ös Katmai-kitörést követő nagyobb vulkánkitörések szüneteltetése szintén hozzájárulhatott az 1920-1930-as évek felmelegedéséhez. Az éghajlati modellkísérletek eredményei azonban azt mutatják, hogy bár a naptevékenységnek és a vulkáni tevékenységnek vitathatatlanul jelentős hatása van, ezek nem képesek megmagyarázni a hőmérséklet-ingadozás teljes amplitúdóját az ETCW alatt, és további külső kényszerekkel és belső változékonysággal kell kiegészíteni őket.

Az antropogén aeroszolhatás alaposan megvitatott fogalom a legújabb tanulmányokban. Az aeroszol koncentrációjának változása valószínűleg megváltoztathatta az Északi-sarkvidéki SAT alakulását az elmúlt évszázadban, de az ETCW-hez való hozzájárulásának mennyiségi becslései továbbra is a legbizonytalanabbak. A különböző fizikai mechanizmusok, köztük a közvetlen és közvetett sugárzási hatások miatt az aeroszolok részben kompenzálni, vagy éppen ellenkezőleg, fokozni tudják a növekvő CO2 által okozott pozitív sugárzási erőhatást. Néhány, sarkvidéki állomásadatokon alapuló tanulmány szerint a hóra ható feketeszén hatása részben hozzájárul az ETCW-hez. Ez utóbbi koncentrációja egyes becslések szerint a 20. század első felében növekedett.

Egyes tanulmányok szerint a 20. század eleji felmelegedést részben az üvegházhatású gázok növekedése okozhatta. Ez az erő nem valószínű, hogy a fő hajtóerő lenne, mivel az üvegházhatású gázok koncentrációjának intenzív növekedése 1950 után kezdődött, bár valószínűleg szerepet játszhatott az 1930-as évek néhány szélsőséges éghajlati eseményében. A CO2 növekedése háromszor-négyszer lassabb volt a korai felmelegedés során, ha összehasonlítjuk a 20. század utolsó három évtizedével, hasonló hőmérséklet-emelkedési ütemek mellett. Az éghajlati modellvizsgálatokon alapuló megvalósítható becslések a 20. század első felében bekövetkezett globális felmelegedés közel felét az antropogén és természetes külső tényezők kombinációjának tulajdonítják.

Az áttekintés szerint a természetes belső változékonyság a legvalószínűbb mechanizmus, amely magyarázatot adhat az ETCW nagy részére, ahol a SAT-anomáliák változásait a főbb légköri és óceáni cirkulációs módok diszpozíciója kényszeríti ki. A modern felmelegedés időszakában az északi félteke vezető légköri változékonysági módozatai (NAO, AO és PNA) az NH magas szélességein a hőmérséklet-változások több mint 40%-át magyarázhatják, míg az óceánok hosszú távú belső változékonysága tűnik az ETCW-t befolyásoló fő természetes változékonysági tényezőnek. A legújabb tanulmányok szerint az óceáni cirkuláció a globális és az északi félteke hosszú távú éghajlati eltéréseinek forrása a szekuláris felmelegedési trendtől, de az atlanti és csendes-óceáni szektor ETCW-hez való hozzájárulásának mennyiségi értékelése még vita tárgyát képezi, bár a legújabb tanulmányok rávilágítanak a Csendes-óceánnak a korábban véltnél jelentősebb szerepére. A többszörös lineáris regresszióelemzésen alapuló becsléseink szerint a 20. században a sarkvidéki SAT-anomáliák közel 40%-át az óceáni és légköri természetes változékonyság számos fő óceáni és légköri módszere által képviselt belső változások magyarázzák, az atlanti multidecadikus oszcilláció túlsúlyos szerepével.

Így a korai éghajlati anomália az északi extratrópusokon a belső éghajlati változékonyságnak tulajdonítható, mint fő tényezőnek, amelyet az Északi-sarkvidéken a külső természetes és antropogén hatások (fokozott napsugárzás a vulkáni tevékenység szüneteltetésével és az üvegházhatású gázok növekedésével) mellett pozitív visszacsatolások is fokoznak. Az egyes mechanizmusok pontos hozzájárulása azonban továbbra is bizonytalan, mivel a 20. század közepén és korábban a sarkvidéki szélességeken nem álltak rendelkezésre műszeres adatok, az éghajlati modellek eltérő eredményei, valamint az aeroszolok kényszerítő szerepének és az éghajlati rendszer más összetevőivel való kölcsönhatásuk folyamatainak tisztázatlansága miatt.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825221003214

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/606/1/012008/pdf