Climate change–what and why?

Since the industrial revolution, late in the 18th century, massive changes in human activities have led to greatly increased emissions of carbon dioxide (CO2) and other so-called greenhouse gases (GHGs) into the atmosphere. This is the main cause of the current observed global warming. The rapid increase in the concentration of CO2 and other GHGs in the atmosphere, on the other hand, is due to combustion of fossil fuels, such as coal and oil, in electric power plants, transportation and industry and a decrease in the uptake of carbon dioxide, mainly due to deforestation, soil erosion, agriculture and expanding cities.

Earth’s climate is largely determined by the planet’s energy budget, i.e. the balance of incoming short-wave radiation from the Sun and the outgoing long-wave radiation of the Earth back into outer space. The atmosphere absorbs a small portion of the suns incoming warming rays, a larger portion is reflected by the atmosphere and cloud coverage but approximately half of the incoming solar radiation reaches the Earth and warms its surface.

Reflection and absorption of solar radiation. Of all the sunlight that passes through the atmosphere annually, only 51% is available at the Earth’s surface to do work. This energy is used to heat the Earth’s surface and lower atmosphere, melt and evaporate water, and drive photosynthesis in plants. Of the other 49%, 4% is reflected back to space by the Earth’s surface, 26% is scattered or reflected to space by clouds and atmospheric particles, and 19% is absorbed by atmospheric gases, particles and clouds. Source: physicalgeography.net.


The nature of GHGs in the atmosphere has been known for decades. Both the Sun and the Earth emit electromagnetic rays. GHGs in the atmosphere allow the majority of the high energy radiation (short-wave radiation) from the Sun to easily pass through and reach the Earth’s surface – fortunately though the ozone layer (O3) blocks most of the harmful ultraviolet rays from reaching the surface. The Earth warms up as a result of the incoming radiation and reflects heat rays (long-wave infrared rays) back into the atmosphere. However, the atmosphere prevents this infrared radiation to pass through into space, but rather absorbs them or reflects back to Earth, thus functioning like a blanket. Hence, the mean temperature of the Earth is at present around 15°C, not -18°C as it would be without the atmosphere.

Many greenhouse gases, such as carbon dioxide, methane, water vapor, and nitrous oxide, occur naturally while others are synthetic. However, humans are altering their balance and especially the concentration of CO2 through interference with the carbon cycle (burning forests, mining and burning coal). These activities artificially remove carbon from solid storage and convert it into its gaseous state, thereby increasing atmospheric concentrations of CO2. As a result, they are higher now than ever during the last 650.000 years according to scientific studies on ice cores from Antarctica.

Atmospheric gases absorb long-wave radiation very strongly. This causes a warming of planetary surfaces by a process called the greenhouse effect. The greenhouse effect is said to “trap heat” like a blanket making the planet’s surface warmer than it would be without it. The yellow arrows refer to solar (shortwave) radiation and pink arrows refer to terrestrial (long-wave) radiation. Source: laulima.hawaii.edu.


The fifth scientific report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) of the United Nations was published in 2014. IPCC’s reports are based upon research of thousands of scientists and are the most comprehensive syntheses about climate change ever compiled. The results of the latest report confirmed and strengthened the findings of the 4th IPCC report from 2007, which marked a turning point in the world debate on climate change. Ever since, the vast majority of climate scientists have recognised it as a fact that the current global warming is mainly due to anthropogenic emissions of CO2.

Natural climate fluctuations are well known in geological history. The glacial periods of the Ice Age that began some 2.7 million years ago have been punctuated repeatedly by interglacial periods of warmer global average temperature, lasting thousands of years. Changes in the earth’s orbit and the tilt of its axis cause systematic variations in the amount and distribution of solar radiation. Cyclical variations in three elements of earth-sun geometry combine to produce these variations:


  1. Variations in the shape of the Earths’s orbit around the sun; every 100.000 years the orbit changes from being oval to circular.
  2. Changes in obliquity; i.e. in the angle that the Earth’s axis makes with the plane of the orbit, with 41.000 years passing between the least and most tilt of the axis.
  3. Precession, or the change in the direction of the Earth’s axis of rotation, with a cyclus of 22.000 years.


The difference in globally averaged temperatures between glacials and interglacials is about 5°C. The current Holocene interglacial began at the end of the Pleistocene, about 11,700 years ago. Indicators of past climate can be found within the stratum of the ancient ice sheets in Greenland and Antarctica that preserve information about the chemical composition of the atmosphere and the air temperature during its formation. Sedimentary layers on the bottom of the ocean also preserve details of the climate history of the Earth.


Solar energy reaching the Earth began to increase some 18.000 years ago and reached a maximum 9000 years ago. This increasing solar energy warmed up the atmosphere and the oceans and marked the end of the last glacial period. Approximately 5000 to 7000 years ago average temperatures where higher in the northern hemisphere than ever during the Holocene, due to a change in the Earth´s orbital eccentricity and obliquity, a period called the Holocene Thermal Maximum. Some 3000 years ago, the climate cooled again, and glaciers started to form on the highest mountains in Iceland, called the Neoglacial period. In addition to amount of solar radiation changing over tens of thousands of years, there are also seasonal and annual anomalies in climate, especially due to variations in atmospheric and ocean currents.

Although, similar temperatures as today are acknowledged during earlier interglacial periods, scientists believe that the current warming has occurred ten times faster than the median rate of earlier warming periods before and that the rate of warming is getting even faster during the last two decades. Global surface temperatures increased by 0.8°C on average during the 20th century and considerably more in the Arctic and in sub-polar areas. This rapid warming is traced to increased anthropogenic GHG emissions. The temperature increase in Iceland during the same time period is close to 1.5°C.

The above mentioned numbers do not appear high considering day-to-day or seasonal temperature fluctuations, but as a change in global mean annual temperature it has substantial consequences, resulting in sea-ice and glacier melting, rising sea levels, increased vegetation growth and changes in migratory routes of birds and animals. The year 2016 was the warmest on record since the beginning of measurements, and 2017 was the second warmest year on record.

Ten key climate indicators that all point to a warming world. Source:  http://cpo.noaa.gov/warmingworld

Comparison of atmospheric samples contained in ice cores and more recent direct measurements, provides evidence that atmospheric CO2 has increased since the Industrial Revolution. (Credit: Vostok ice core data/J.R. Petit et al.; NOAA Mauna Loa CO2 record). Source: https://climate.nasa.gov/evidence/


The burning of fossil fuels is estimated to have contributed to a 78% increase, above natural levels, in CO2 emissions between 1970 and 2010.  Approximately 40% of this “extra” CO2 is still circulating in the atmosphere, while the oceans have absorbed approximately 30%, and vegetation and soil have bound some 30%. Obviously, increasing concentrations of GHGs upset the natural balance in the atmosphere and as a result the IPCC forecasts a warming of 0.3-4.8°C over the next 100 years depending on different scenarios of human behaviour and efforts put into reducing emissions and implementing countermeasures.







Sigríður P. Friðriksdóttir: The evolution of life and earth. Flensborg 1999.


Af hverju eru jöklar og ís á jörðinni? Spurningar af vísindavefnum um jökla og loftslagsmál. Helgi Björnsson, Þórarinn Már Baldursson myndskreytti. Mál og Menning, Reykjavík 2015.


Loftlagsbreytingar – Hvað og af hverju?

Frá upphafi iðnbyltingarinnar, seint á 18. öld, hefur mannkynið haft veruleg áhrif á loftslag jarðar, einkum með losun gróðurhúsalofttegunda út í andrúmsloftið. Notkun jarðefnaeldsneytis hefur margfaldast síðan þá, sem hefur leitt af sér mikla losun koltvísýrings (CO2 ) sem áður hafði varðveist í jarðlögum í tugi og hundruð milljónir ára í formi kola og olíu. Losun metans og nituroxíðs hefur jafnframt aukist vegna landbúnaðar og annarrar starfsemi og þá hefur losun einnig hafist á nýjum manngerðum gróðurhúsalofttegundum. Aukning í ákveðnum lofttegundum breytir varmageislun frá jörðinni þannig að neðri hluti lofthjúpsins og yfirborð jarðar hlýna.

Stór hluti af sólgeislun endurkastast en um 51% ná til yfirborðs jarðar og breytast í varma. Þegar sólargeislar falla á lofthjúp jarðar endurkastast 26% þeirra strax aftur út í geiminn vegna frákasts frá skýjum og ýmsum ögnum í lofthjúpnum. Skýin og agnir í andrúmsloftinu gleypa svo í sig um 19% þeirra geisla sem berast frá sólu. Heimild: http://visindavefur.is/svar.php?id=4686.

Eðli gróðurhúsalofttegunda og áhrif þeirra hefur verið þekkt í áratugi. Lofthjúpur jarðar ver líf á jörðinni fyrir útfjólubláum geislum sólarinnar og viðheldur jöfnu hitastigi. Sólarorkan (með stutta bylgjulengd) fer gegnum lofthjúpinn og breytist þar í varmageislun sem endurkastast frá jörðinni (með langa bylgjulengd) og á því ekki greiða leið út úr lofthjúpnum. Geislun frá jörðinni rekst á gassameindir í loftinu sem senda þessa geislun tilbaka til yfirborðs jarðar. Þannig er lofthjúpurinn eins og gildra sem hleypir sólarorkunni inn, en ekki út.

Gróðurhúsalofttegundir í andrúmsloftinu taka í sig eða endurvarpa miklum hluta varmageislunarinnar frá jörðinni og draga þannig úr varmatapinu frá henni. Vegna þessa er meðalhiti jarðar um 33°C hærri en hann væri án lofthjúps, eða 15°C í stað -18°C. Aukin losun gróðurhúsalofttegunda hefur raskað því efnajafnvægi sem ríkt hefur í andrúmsloftinu og styrkur koltvísýrings er nú meiri þar en í að minnsta kosti 650.000 ár, eða svo lengi sem vísindamenn geta greint efnasamsetningu andrúmsloftsins, t.d. með rannsóknum á ískjörnum.


Geislar sólar sem ná yfirborði jarðar eru með stuttri bylgjulengd. Orka þeirra vermir jörðina og jörðin fer að senda frá sér sem varmageislun með lengri bylgjulengd en upphaflega ljósið. Aðeins brot af síðarnefndu geislunum berst út fyrir lofthjúpinn; meirihluti þeirra er gleyptur af gróðurhúsalofttegundum. Heimild: http://visindavefur.is/svar.php?id=4686.

Fimmta yfirlitsskýrsla Milliríkjanefndar Sameinuðu þjóðanna um loftslagsmál (IPCC) var gefin út árið 2014. Skýrslur IPCC eru byggðar á vinnu þúsunda vísindamanna og eru lang viðamestu vísindalegu samantektir sem gerðar eru um loftslagsbreytingar. Niðurstöður síðustu skýrslu frá 2014 styrktu enn frekar niðurstöðu 4. skýrslunar frá 2007, sem markaði tímamót í umræðunni um loftslagsmál. Síðan þá hefur þorri vísindamanna talað afdráttarlaust um að hlýnun jarðar frá iðnbyltingu sé staðreynd og að hún sé að mestu leyti tilkomin vegna athafna manna.
Loftslagsbreytingar eru vel þekktar í jarðsögunni enda hafa skipst á köld og hlý skeið í gegnum tíðina. Við lifum á ísöld (sem hófst fyrir um 2,7 milljónum ára) þar sem skiptast á hlýskeið og kuldaskeið. Loftslag sveiflast vegna þess að styrkur geislunar sem jörðin fær á braut sinni um sólu breytist og er þrennt sem veldur því:


  1. Á hundrað þúsund árum breytist braut jarðar um sólu (sporbaugur) frá því að vera nánast hringlaga í að vera sporöskjulaga. Þegar brautin er nær hringlaga er jörðin allt árið jafnlangt frá sólinni og styrkur sólgeislunar alltaf jafn, en þegar brautin er sporöskjulaga er fjarlægðin mismunandi eftir árstíðum.
  2. Jörðin hallast einnig mismikið að sólinni. Um 41.000 ár líða milli þess að snúningsás jarðar (möndulásinn) hallast mest og minnst.
  3. Jörðin vaggar eins og skopparakringla og tekur það 22.000 ár fyrir snúningsásinn að fara einn hring.


Hafa þarf í huga að þó að sólgeislun ráði mestu um hitastig á jörðinni þá er loftslag breytilegt frá einu ári og áratug til annars, vegna náttúrulegra sveiflna, straumar sem bera varma í hafi, lofti og ís eru stöðugt á iði. Sólgeislun á norðurhveli jarðar jókst stöðugt frá því fyrir átján þúsund árum og varð mest fyrir níu þúsund árum. Hlýnunin batt enda á síðasta kuldaskeiðið ísaldar (kallað Weichselian) fyrir um tíu þúsund árum og markaði upphaf núverandi hlýskeiðs, sem kallast Nútími. Fyrir sjö til fimm þúsund árum var mun hlýrra á norðurhveli en nú er en þá fór minni sólgeislun að segja til sín vegna breytinga á lögun sporbaugs og möndulhalla jarðar. Fyrir þrjú þúsund árum var orðið svo kalt að jöklar tóku að myndast á ný á Íslandi.

Vísbendingar um kulda- og hlýskeið ísaldar er að finna í íslögum Grænlandsjökuls og á Suðurskautslandinu, ásamt setlögum á sjávarbotni og í stöðuvötnum víðsvegar á jörðinni. Þótt hitastig á fyrri hlýskeiðum hafi náð svipuðum gildum og mælast í dag, þá er hraði breytinganna, einkum frá iðnbyltingu, sérstakur áhyggjuvaldur nú. Vísindamenn telja að hlýnunin frá iðnbyltingu hafi verið allt að 10 sinnum hraðari en að jafnaði á fyrri hlýskeiðum og hraði hlýnunarinnar virðist enn fara vaxandi.

Á síðustu 100 árum nemur hlýnun loftslags að meðaltali um 0,8°C við yfirborð jarðar, en er mun meiri á norðlægum slóðum. Frá því að samfelldar mælingar hófust á Íslandi fyrir miðbik 19. aldar hefur hlýnað verulega á landinu og nemur hlýnunin um 0,8 °C á öld. Síðustu áratugi hefur hlýnun verið mjög áköf og frá 1980–2015 nam hún 0,5°C á áratug, mest vestan og norðvestan til á landinu.Innan við ein gráða á Celcius virðist ekki há tala, en þar sem um vik frá meðalárshita er að ræða eru áhrifin víðtæk og birtast m.a. í bráðnun hafíss og jökla, hækkun sjávarborðs, lengri vaxtartíma gróðurs og breytingum á farháttum dýra. Árið 2016 var heitasta ár síðan mælingar hófust og árið 2017 hið næstheitasta.


 Það má sjá ýmis merki þess að loftslag fer hlýnandi.Heimild: http://visindavefur.is/svar.php?id=62047


Magn koltvíoxíðs í andrúmsloftinu, sem er mælt í Vostok ískjarnanum á Suðurskautslandinu og eftir árið 1950 með beinum mælingum á Hawaii (Mauna Loa mæliröðin), sýnir að mikil aukning hefur átt sér stað eftir iðnbyltingu. Heimild: https://climate.nasa.gov/evidence/

Ástæða þessarar hröðu hlýnunar er fyrst og fremst aukinn styrkur koltvísýrings (CO2) og fleiri gróðurhúsalofttegunda í andrúmsloftinu. Aukningin er af mannavöldum og stafar einkum af bruna á kolum og olíu til raforkuframleiðslu, í samgöngum og iðnaði, minni bindingu koltvísýrings vegna gróðureyðingar og losun metans í landbúnaði. Af þessum umfram koltvísýringi er áætlað að 40% séu enn bundin í andrúmsloftinu, um 30% hafi sjórinn tekið upp en 30% verið bundið í jarðlög eða plöntur. Ljóst er að aukin losun gróðurhúsalofttegunda raskar því jafnvægi sem áður var til staðar. Meðan losunin er ekki takmörkuð með einhverjum hætti, eða binding aukin, mun magn þessara lofttegunda í lofthjúpnum halda áfram að aukast og hitastig hækkar að sama skapi. IPCC spáir hækkun á hitastigi á bilinu 0,3–4,8°C næstu hundrað árin, allt eftir magni losunar gróðurhúsalofttegunda og mótvægisaðgerðum til bindingar þeirra.







Sigríður P. Friðriksdóttir: Þróun lífs og jarðar. Flensborg 1999. https://www.stjornarradid.is/media/umhverfisraduneyti-media/media/PDF_skrar/loftslagsbreytingar.pdf

Af hverju eru jöklar og ís á jörðinni? Spurningar af vísindavefnum um jökla og loftslagsmál. Helgi Björnsson, Þórarinn Már Baldursson myndskreytti. Mál og Menning, Reykjavík 2015.



Mynd 1: Jón Már Halldórsson. „Hvað veldur gróðurhúsaáhrifum?“ Vísindavefurinn, 29. desember 2004. Sótt 7. júní 2017. http://visindavefur.is/svar.php?id=4686 )

Mynd 2:Jón Már Halldórsson. „Hvað veldur gróðurhúsaáhrifum?“ Vísindavefurinn, 29. desember 2004. Sótt 7. júní 2017. http://visindavefur.is/svar.php?id=4686 )

Mynd 3:NASA (e.d.) https://climate.nasa.gov/evidence/

Mynd 4: „Það má sjá ýmis merki þess að loftslag fer hlýnandi.” Halldór Björnsson. „Hafa gróðurhúsaáhrifin einhverjar jákvæðar afleiðingar?“ Vísindavefurinn, 4. apríl 2013. Sótt 7. júní 2017. http://visindavefur.is/svar.php?id=62047