Η αύξηση της συγκέντρωσης των αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα της Γης εντείνει το φαινόμενο του θερμοκηπίου και οδηγεί σε υπερθέρμανση της επιφάνειας της Γης. Ο παρακάτω χάρτης αποτυπώνει την αύξηση της θερμοκρασίας στα 2 μέτρα από το 1970 μέχρι το 2024 σύμφωνα με τα δεδομένα ERA5 της υπηρεσίας Copernicus της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Είναι εμφανές ότι το μέγεθος της υπερθέρμανσης δεν είναι ίδιο σε όλα τα γεωγραφικά μήκη και πλάτη της Γης αλλά φαίνεται να ακολουθεί δύο βασικά μοτίβα. Συγκεκριμένα, η άνοδος της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη πάνω από την ξηρά σε σχέση με τη θάλασσα και στον Αρκτικό Κύκλο σε σχέση με τα νοτιότερα γεωγραφικά πλάτη. Σε αυτό το άρθρο, θα ασχοληθούμε με το πρώτο φαινόμενο. Κατά την περίοδο 1970-2024 λοιπόν, η ανάλυση μας δείχνει ότι η θερμοκρασία έχει αυξηθεί κατά 1.23°C πάνω από την θάλασσα, κατά 1.85°C πάνω από την ξηρά και κατά 1.44°C συνολικά. Η αύξηση της θερμοκρασίας επομένως είναι 50% μεγαλύτερη στην ξηρά σε σχέση με τη θάλασσα, μια διαφοροποίηση που αναμένεται να διατηρηθεί και στο μέλλον. Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εικόνα 1. Μεταβολή θερμοκρασίας στα 2 μέτρα από την επιφάνεια κατά την περίοδο 1970-2024 σύμφωνα με τα δεδομένα ERA5 της υπηρεσίας Copernicus της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Η συνολική μεταβολή υπολογίζεται ως η συσσώρευση της μέσης ετήσιας τάσης στα 55 αυτά χρόνια.

Καταρχάς, το νερό έχει μεγαλύτερη ειδική θερμοχωρητικότητα από όλα τα στερεά σώματα στη φύση, άρα και το έδαφος της Γης. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται περισσότερη θερμότητα για να αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού, καθώς μέρος αυτής απορροφάται από τους ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου που συγκρατούν τα μόρια μεταξύ τους και άρα δεν αυξάνει την κινητική τους ενέργεια (δηλαδή την θερμοκρασία). Αυτό το χαρακτηριστικό σε συνδυασμό με την συνεχή ανάμιξη των επιφανειακών με τα υποκείμενα στρώματα της θάλασσας έχουν ως αποτέλεσμα την αντίσταση των ωκεανών στις αλλαγές της θερμοκρασίας τους (θερμική αδράνεια). Είναι ο λόγος που η θερμοκρασία της θάλασσας έχει μικρότερη εποχική διακύμανση από αυτήν της ξηράς και διαφορά φάσης με αυτήν (π.χ., το μέγιστο της επιφανειακής θερμοκρασίας στο Ιόνιο πέλαγος έρχεται κατά μέσο όρο στα μέσα Αυγούστου, περί τις 10 μέρες μετά το μέγιστο της παρακείμενης ξηράς).

Με τον παραπάνω συλλογισμό εύλογα επιχειρείται κάποιες φορές να εξηγηθεί και το γεγονός ότι η κλιματική αλλαγή προκαλεί εντονότερη θέρμανση στην ξηρά από ότι στην θάλασσα. Τι θα ίσχυε όμως αν η θερμική αδράνεια των ωκεανών ήταν το κυρίαρχο αίτιο αυτής της αντίθεσης; Ας κάνουμε ένα νοητό πείραμα. Έστω ότι κάποια στιγμή στο μέλλον οι συγκεντρώσεις αερίων του θερμοκηπίου σταματούν να αυξάνονται και αφήνουμε τον πλανήτη να ισορροπήσει κλιματικά χωρίς άλλες παρεμβολές, δηλαδή να σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία. Ελλείψει άλλων διεργασιών, για να ισορροπήσει κλιματικά η επιφάνεια του πλανήτη στις αυξημένες συγκεντρώσεις αερίων του θερμοκηπίου θα πρέπει να αυξηθεί η θερμοκρασία της τόσο ώστε η εκπεμπόμενη από αυτήν ακτινοβολία να ισούται με την προσπίπτουσα ακτινοβολία που απορροφά (η οποία αυξάνεται όσο εντείνεται το φαινόμενο του θερμοκηπίου). Το μέγεθος της αύξησης ορίζεται από τον νόμο Stefan-Boltzmann και θα πρέπει να είναι ίδιο σε ξηρά και θάλασσα, αφού και στις δύο επιφάνειες ασκείται η ίδια επίδραση ακτινοβολίας (αγγλ. radiative forcing) από την ομοιογενή κατανομή των αερίων του θερμοκηπίου. Λόγω της διαφοράς στην θερμοχωρητικότητα, η επιφάνεια της ξηράς θα επιτύχει σχετικά γρήγορα αυτή την αύξηση, ενώ η επιφάνεια της θάλασσας θα χρειαστεί αρκετούς αιώνες για να ζεσταθεί στον ίδιο βαθμό.

Ο βραβευμένος με Νόμπελ Φυσικής Syukuro Manabe μαζί με τους συναδέλφους του υλοποίησαν το παραπάνω πείραμα το 1991 χρησιμοποιώντας ένα αρκετά εξελιγμένο για την εποχή κλιματικό μοντέλο [1]. Διαπίστωσαν πως όταν επήλθε ισορροπία στο κλίμα, η άνοδος της θερμοκρασίας της θάλασσας δεν είχε προσεγγίσει αυτήν της ξηράς, αλλά παρέμενε εμφανώς χαμηλότερη. Αυτή ήταν μια πρώτη ένδειξη ότι η θερμική αδράνεια των ωκεανών δεν είναι ο κυρίαρχος λόγος για την ηπιότερη θέρμανση τους σε σχέση με την ξηρά.

Ο μηχανισμός που προκρίθηκε στην εν λόγω μελέτη και άλλες μεταγενέστερες είχε να κάνει με το ενεργειακό ισοζύγιο στην επιφάνεια του πλανήτη. Η εξάτμιση του νερού είναι διεργασία που αντλεί ενέργεια από το περιβάλλον για την διάσπαση των δεσμών υδρογόνου (και άρα την μετατροπή υγρού νερού σε υδρατμούς) οπότε ψύχει την επιφάνεια. Με την υπερθέρμανση του πλανήτη η κινητική ενέργεια των μορίων του νερού αυξάνεται, οπότε γίνεται πιο εύκολη η εξάτμιση. Επειδή όμως στην ξηρά το νερό είναι περιορισμένο (ειδικά στις ξηρές περιόδους και περιοχές) και στη θάλασσα βρίσκεται σε αφθονία, η αύξηση της εξάτμισης και άρα η ψύξη που αυτή προκαλεί είναι μεγαλύτερη στη θάλασσα. Στην ξηρά, αντιθέτως, η πρόσθετη ενέργεια (λόγω του ενισχυμένου φαινομένου του θερμοκηπίου) που δεν καταναλώνεται σε εξάτμιση νερού οδηγεί σε άνοδο της θερμοκρασίας μέσω ροών αισθητής αντί λανθάνουσας θερμότητας.

Το 2008 μια ομάδα ερευνητών από το πανεπιστήμιο του Reading και το Met Office Hadley Centre της Αγγλίας πρότειναν έναν ακόμα σημαντικό μηχανισμό πίσω από την διαφορά στη θέρμανση ξηράς και θάλασσας [2]. Ο νέος αυτός μηχανισμός περιλαμβάνει διεργασίες στην ατμόσφαιρα και βασίζεται στην ρεαλιστική παραδοχή ότι σε κάποιο ύψος στην κατώτερη τροπόσφαιρα δεν υπάρχει ανομοιογένεια στην θέρμανση. Εφόσον η ατμόσφαιρα πάνω από τους ωκεανούς είναι πιο πλούσια σε υδρατμούς, η θερμοκρασία μειώνεται καθ’ύψος με μικρότερο ρυθμό από ότι στον ξηρότερο αέρα της ξηράς. Αυτό οφείλεται στην έκλυση λανθάνουσας θερμότητας συμπύκνωσης καθώς υγρός αέρας ανέρχεται και ψύχεται μέχρι να φτάσει το σημείο δρόσου. Σε συνθήκες υπερθέρμανσης του πλανήτη ο αέρας μπορεί να συγκρατεί περισσότερους υδρατμούς (νόμος Clausius-Clapeyron) και όπως προαναφέραμε η εξάτμιση αυξάνεται σε μεγαλύτερο βαθμό στη θάλασσα σε σχέση με την ξηρά. Αυτές οι συνθήκες έχουν ως αποτέλεσμα η θερμοκρασία του θερμότερου και σημαντικά αυξημένου σε υγρασία αέρα πάνω από την θάλασσα να μειώνεται με ακόμα μικρότερο ρυθμό καθ’ ύψος, ενώ ο ρυθμός στο αντίστοιχο προφίλ πάνω από την ξηρά να μην μειώνεται στον ίδιο βαθμό. Επείδη λοιπόν η θερμοκρασία σε κάποιο ύψος της τροπόσφαιρας είναι ίδια πάνω και από τις δύο επιφάνειες και ο ρυθμός μείωσης της θερμοκρασίας καθ’ ύψος μειώνεται περισσότερο πάνω από την θάλασσα προκύπτει ότι η θέρμανση στην επιφάνεια της ξηράς θα είναι εντονότερη.

Μεταγενέστερες έρευνες κατέληξαν ότι αυτοί οι δύο μηχανισμοί δρουν παράλληλα και αποτελούν σημαντικότερους παράγοντες από την θερμική αδράνεια των ωκεανών [3]. Δευτερεύοντες μηχανισμοί που έχουν προταθεί και επηρεάζουν δυσανάλογα την θέρμανση ξηράς και θάλασσας είναι: α) η μείωση των χαμηλών νεφών στην ξηρά (τα οποία θερμαίνουν την επιφάνεια), β) η μείωση της έκτασης της ξηράς που καλύπτεται από πάγο ή χιόνι (οπότε μειώνεται η ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία και θερμαίνεται το έδαφος) και γ) το κλείσιμο των πόρων (στομάτων) των φύλλων σε συνθήκες αυξημένης συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα ώστε να συγκρατούν νερό (οπότε μειώνεται η διαπνοή των φυτών, μια διεργασία που προκαλεί ψύξη στο περιβάλλον όπως η εξάτμιση). Κλείνοντας, θα πρέπει να τονιστεί ότι η συνεισφορά κάθε μηχανισμού και ο βαθμός αλληλεπίδρασής τους σε κάθε εποχή του έτους και περιοχή του πλανήτη είναι δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν ακριβώς και αποτελούν αντικείμενο έρευνας μέχρι σήμερα.

Βιβλιογραφία
[1] Manabe, S., R. J. Stouffer, M. J. Spelman, and K. Bryan, 1991: Transient Responses of a Coupled Ocean–Atmosphere Model to Gradual Changes of Atmospheric CO2. Part I. Annual Mean Response. Journal of Climate, 4, 785–818.
[2] Joshi, M.M., Gregory, J.M., Webb, M.J. et al., 2008: Mechanisms For The Land/Sea Warming Contrast Exhibited by Simulations of Climate Change. Climate Dynamics, 30, 455–465.
[3] Byrne, M. P., and P. A. O’Gorman, 2013: Land–Ocean Warming Contrast over a Wide Range of Climates: Convective Quasi-Equilibrium Theory and Idealized Simulations. Journal of Climate, 26, 4000–4016.