dalam Biologi

Pemanasan global atau Global warming adalah fenomena meningkatnya suhu udara rata-rata di dekat permukaan Bumi selama satu hingga dua abad terakhir.

Para ilmuwan iklim sejak pertengahan abad ke-20 mengumpulkan pengamatan secara rinci mengenai berbagai fenomena cuaca (seperti suhu, curah hujan, dan badai) dan pengaruh terkait pada iklim (seperti arus laut dan komposisi kimia atmosfer).

Data ini menunjukkan bahwa iklim Bumi telah berubah selama hampir setiap skala waktu sejak awal waktu geologi dan bahwa pengaruh kegiatan manusia setidaknya sejak awal Revolusi Industri telah terjalin sangat dalam ke dalam tatanan perubahan iklim.

Sebuah laporan khusus yang dihasilkan oleh IPCC pada tahun 2018 mengasah perkiraan ini lebih lanjut, mencatat bahwa manusia dan kegiatan manusia telah bertanggung jawab untuk peningkatan suhu rata-rata di seluruh dunia antara 0,8 dan 1,2 ° C (1,4 dan 2,2 ° F) pemanasan global sejak zaman praindustri , dan sebagian besar pemanasan yang diamati selama paruh kedua abad ke-20 dapat dikaitkan dengan kegiatan manusia.

Diperkirakan bahwa suhu permukaan rata-rata global akan meningkat antara 3 dan 4 ° C (5,4 dan 7,2 ° F) pada tahun 2100 relatif terhadap rata-rata 1986–2005 jika emisi karbon terus berlanjut pada laju saat ini. Kenaikan suhu yang diprediksi didasarkan pada berbagai kemungkinan skenario yang memperhitungkan emisi gas rumah kaca di masa depan dan langkah-langkah mitigasi (pengurangan keparahan) dan ketidakpastian dalam proyeksi model.

Beberapa ketidakpastian utama termasuk peran yang tepat dari proses umpan balik dan dampak polutan industri yang dikenal sebagai aerosol, yang dapat mengimbangi beberapa pemanasan.

Banyak ilmuwan iklim setuju bahwa kerusakan sosial, ekonomi, dan ekologi yang signifikan akan terjadi jika suhu rata-rata global meningkat lebih dari 2 ° C (3.6 ° F) dalam waktu yang singkat. Kerusakan seperti itu akan mencakup kepunahan yang meningkat dari banyak spesies tanaman dan hewan, pergeseran pola pertanian, dan naiknya permukaan laut. Pada tahun 2015 semua tetapi beberapa pemerintah nasional telah memulai proses melembagakan rencana pengurangan karbon sebagai bagian dari Perjanjian Paris, sebuah perjanjian yang dirancang untuk membantu negara-negara menjaga pemanasan global hingga 1,5 ° C (2,7 ° F) di atas tingkat pra-industri untuk menghindari terburuk dari efek yang diprediksi. Penulis laporan khusus yang diterbitkan oleh IPCC pada tahun 2018 mencatat bahwa emisi karbon harus tetap pada tingkat sekarang, peningkatan suhu udara dekat-permukaan rata-rata akan mencapai 1,5 ° C antara tahun 2030 dan 2052. Penilaian IPCC yang lalu melaporkan bahwa rata-rata global permukaan laut naik sekitar 19–21 cm (antara 7,1-8,3 inci) antara 1901 dan 2010 dan bahwa permukaan laut naik lebih cepat pada paruh kedua abad ke-20 daripada di paruh pertama. Hal ini juga diprediksi, sekali lagi tergantung pada berbagai skenario, bahwa permukaan laut rata-rata global akan naik 26-77 cm (10,2-30,3 inci) relatif terhadap rata-rata 1986–2005 pada tahun 2100 untuk pemanasan global 1,5 ° C, rata-rata 10 cm (3,9 inci) kurang dari apa yang diharapkan jika pemanasan naik menjadi 2 ° C (3,6 ° F) di atas tingkat pra-industri.

Skenario yang disebutkan di atas sangat tergantung pada konsentrasi gas-gas tertentu di masa mendatang, yang disebut gas rumah kaca, yang telah disuntikkan ke atmosfer yang lebih rendah dalam jumlah yang meningkat melalui pembakaran bahan bakar fosil untuk industri, transportasi, dan penggunaan perumahan. Pemanasan global modern adalah hasil dari peningkatan besar efek yang disebut efek rumah kaca, pemanasan permukaan Bumi dan atmosfer yang lebih rendah yang disebabkan oleh keberadaan uap air, karbon dioksida, metana, oksida nitrat, dan gas rumah kaca lainnya. Pada tahun 2014 IPCC melaporkan bahwa konsentrasi karbon dioksida, metana, dan oksida nitrat di atmosfer melampaui yang ditemukan di inti es sejak 800.000 tahun yang lalu.

Dari semua gas ini, karbon dioksida adalah yang paling penting, baik untuk perannya dalam efek rumah kaca dan untuk perannya dalam ekonomi manusia. Diperkirakan bahwa, pada awal usia industri pada pertengahan abad ke-18, konsentrasi karbon dioksida di atmosfer kira-kira 280 bagian per juta (ppm). Pada pertengahan 2018 mereka telah meningkat menjadi 406 ppm, dan, jika bahan bakar fosil terus dibakar pada tingkat saat ini, mereka diproyeksikan mencapai 550 ppm pada pertengahan abad ke-21 — pada dasarnya, penggandaan konsentrasi karbon dioksida dalam 300 tahun .

Perdebatan yang sengit sedang berlangsung mengenai tingkat dan keseriusan meningkatnya suhu permukaan, efek pemanasan masa lalu dan masa depan terhadap kehidupan manusia, dan kebutuhan untuk tindakan untuk mengurangi pemanasan di masa depan dan menghadapi konsekuensinya. Artikel ini memberikan ikhtisar latar belakang ilmiah dan debat kebijakan publik yang terkait dengan subjek pemanasan global. Ini mempertimbangkan penyebab naiknya temperatur udara dekat permukaan, faktor-faktor yang mempengaruhi, proses penelitian iklim dan peramalan, kemungkinan dampak ekologi dan sosial dari peningkatan suhu, dan perkembangan kebijakan publik sejak pertengahan abad ke-20. Untuk penjelasan mendetail tentang iklim Bumi, prosesnya, dan tanggapan makhluk hidup terhadap sifatnya yang berubah, lihat iklim. Untuk latar belakang tambahan tentang bagaimana iklim Bumi telah berubah sepanjang waktu geologi, lihat variasi dan perubahan iklim. Untuk deskripsi lengkap tentang amplop gas Bumi, di mana perubahan iklim dan pemanasan global terjadi, lihat atmosfer.

Penyebab Pemanasan Global

1. Efek Rumah Kaca

Suhu permukaan rata-rata Bumi dijaga oleh keseimbangan berbagai bentuk radiasi matahari dan terestrial. Radiasi matahari sering disebut radiasi “gelombang pendek” karena frekuensi radiasi relatif tinggi dan panjang gelombangnya relatif pendek — dekat dengan bagian yang terlihat dari spektrum elektromagnetik. Radiasi terestrial, di sisi lain, sering disebut radiasi “gelombang panjang” karena frekuensinya relatif rendah dan panjang gelombangnya relatif panjang — di suatu tempat di bagian inframerah spektrum. Energi matahari yang bergerak ke bawah biasanya diukur dalam watt per meter persegi. Energi dari radiasi matahari yang masuk total di bagian atas atmosfer Bumi (yang disebut “konstanta matahari”) berjumlah sekitar 1.366 watt per meter persegi per tahun. Menyesuaikan fakta bahwa hanya separuh permukaan planet yang menerima radiasi matahari pada waktu tertentu, rata-rata insolasinya adalah 342 watt per meter persegi per tahun.

Jumlah radiasi matahari yang diserap oleh permukaan Bumi hanyalah sebagian kecil dari total radiasi matahari yang memasuki atmosfir. Untuk setiap 100 unit radiasi matahari yang masuk, sekitar 30 unit dipantulkan kembali ke angkasa baik oleh awan, atmosfer, atau daerah reflektif dari permukaan Bumi. Kapasitas reflektif ini disebut sebagai albedo planet Bumi, dan tidak perlu tetap tetap dari waktu ke waktu, karena tingkat spasial dan distribusi formasi reflektif, seperti awan dan lapisan es, dapat berubah. Sebanyak 70 unit radiasi matahari yang tidak dipantulkan dapat diserap oleh atmosfer, awan, atau permukaan. Dengan tidak adanya komplikasi lebih lanjut, untuk mempertahankan keseimbangan termodinamika, permukaan dan atmosfer Bumi harus memancarkan 70 unit yang sama kembali ke angkasa. Suhu permukaan Bumi (dan lapisan bawah atmosfer yang secara esensial bersentuhan dengan permukaan) terkait dengan besarnya emisi radiasi yang keluar ini sesuai dengan hukum Stefan-Boltzmann.

Anggaran energi Bumi semakin diperumit oleh efek rumah kaca. Telusuri gas dengan sifat kimia tertentu — apa yang disebut gas rumah kaca, terutama karbon dioksida (CO2), metana (CH4), dan nitrous oxide (N2O) — menyerap sebagian radiasi inframerah yang dihasilkan oleh permukaan Bumi. Karena penyerapan ini, beberapa bagian dari 70 unit asli tidak langsung lolos ke angkasa. Karena gas-gas rumah kaca mengeluarkan jumlah radiasi yang sama yang diserapnya dan karena radiasi ini dipancarkan secara merata ke segala arah (yaitu, sebanyak ke bawah ke atas), efek bersih penyerapan oleh gas-gas rumah kaca adalah meningkatkan jumlah total radiasi yang dipancarkan ke bawah. menuju permukaan bumi dan atmosfer yang lebih rendah. Untuk menjaga keseimbangan, permukaan Bumi dan atmosfer yang lebih rendah harus memancarkan lebih banyak radiasi daripada 70 unit asli. Konsekuensinya, suhu permukaan harus lebih tinggi. Proses ini tidak persis sama dengan yang mengatur rumah kaca sejati, tetapi efek akhirnya serupa. Kehadiran gas rumah kaca di atmosfer menyebabkan pemanasan permukaan dan bagian bawah atmosfer (dan pendinginan yang lebih tinggi di atmosfer) relatif terhadap apa yang diharapkan tanpa adanya gas rumah kaca.

Sangat penting untuk membedakan efek alamiah “alami,” atau latar belakang, dari efek rumah kaca “yang ditingkatkan” yang terkait dengan aktivitas manusia. Efek rumah kaca alami dikaitkan dengan sifat pemanasan permukaan dari konstituen alami atmosfer bumi, terutama uap air, karbon dioksida, dan metana. Keberadaan efek ini diterima oleh semua ilmuwan. Memang, dalam ketiadaannya, suhu rata-rata Bumi akan menjadi sekitar 33 ° C (59 ° F) lebih dingin dari hari ini, dan Bumi akan menjadi planet beku dan kemungkinan tidak bisa dihuni. Apa yang telah menjadi kontroversi adalah apa yang disebut efek rumah kaca yang ditingkatkan, yang dikaitkan dengan peningkatan konsentrasi gas-gas rumah kaca yang disebabkan oleh aktivitas manusia. Khususnya, pembakaran bahan bakar fosil meningkatkan konsentrasi gas rumah kaca utama di atmosfer, dan konsentrasi yang lebih tinggi ini memiliki potensi untuk menghangatkan atmosfer beberapa derajat.

2. Peningkatan Radiasi Matahari

Mengingat diskusi di atas mengenai efek rumah kaca, jelas bahwa suhu permukaan bumi dan atmosfer yang lebih rendah dapat dimodifikasi dalam tiga cara: (1) melalui peningkatan bersih dalam radiasi matahari yang masuk di bagian atas atmosfer Bumi, ( 2) melalui perubahan fraksi radiasi yang mencapai permukaan, dan (3) melalui perubahan konsentrasi gas rumah kaca di atmosfer. Dalam setiap kasus perubahan dapat dipikirkan dalam hal “pemancaran radiasi.” Seperti yang didefinisikan oleh IPCC, pemancaran radiasi adalah ukuran pengaruh faktor iklim yang diberikan terhadap jumlah energi radiasi yang diarahkan ke bawah yang menimpa permukaan Bumi. Faktor iklim dibagi antara yang terutama disebabkan oleh aktivitas manusia (seperti emisi gas rumah kaca dan emisi aerosol) dan yang disebabkan oleh kekuatan alam (seperti radiasi matahari); kemudian, untuk setiap faktor, apa yang disebut nilai pemancaran dihitung untuk periode waktu antara 1750 dan hari ini. “Kekuatan positif” diberikan oleh faktor iklim yang berkontribusi pada pemanasan permukaan Bumi, sedangkan “tekanan negatif” diberikan oleh faktor-faktor yang mendinginkan permukaan Bumi.

Rata-rata, sekitar 342 watt radiasi matahari menyerang setiap meter persegi permukaan Bumi per tahun, dan kuantitas ini pada gilirannya dapat dikaitkan dengan naik atau turunnya suhu permukaan Bumi. Suhu di permukaan juga dapat naik atau turun melalui perubahan dalam distribusi radiasi terestrial (yaitu radiasi yang dipancarkan oleh Bumi) di dalam atmosfer. Dalam beberapa kasus, pemancaran radiatif memiliki asal-usul alami, seperti selama letusan eksplosif dari gunung berapi di mana gas berventilasi dan blok abu beberapa bagian dari radiasi matahari dari permukaan. Dalam kasus lain, pemancaran radiasi memiliki asal-usul antropogenik, atau eksklusif manusia. Sebagai contoh, peningkatan antropogenik karbon dioksida, metana, dan dinitrogen oksida diperkirakan mencapai 2,3 watt per meter persegi pemancaran radiasi positif. Ketika semua nilai pemancaran radiasi positif dan negatif diambil bersama-sama dan semua interaksi antara faktor iklim diperhitungkan, total peningkatan bersih dalam radiasi permukaan karena aktivitas manusia sejak awal Revolusi Industri adalah 1,6 watt per meter persegi.

3. Akibat Aktivitas Manusia

Aktivitas manusia telah mempengaruhi suhu permukaan global dengan mengubah keseimbangan radiasi yang mengatur Bumi pada berbagai skala waktu dan pada skala spasial yang berbeda-beda. Pengaruh antropogenik yang paling dalam dan terkenal adalah peningkatan konsentrasi gas rumah kaca di atmosfer. Manusia juga mempengaruhi iklim dengan mengubah konsentrasi aerosol dan ozon dan dengan memodifikasi tutupan lahan dari permukaan Bumi.

Gas Rumah Kaca

Sebagaimana telah dibahas di atas, gas rumah kaca dapat menghangatkan permukaan Bumi dengan meningkatkan radiasi gelombang panjang ke bawah yang mencapai permukaan. Hubungan antara konsentrasi atmosfer gas rumah kaca dan pemicu radiasi positif terkait permukaan berbeda untuk setiap gas. Hubungan yang rumit ada antara sifat kimia setiap gas rumah kaca dan jumlah relatif radiasi gelombang panjang yang dapat diserap oleh masing-masing. Berikut ini adalah diskusi tentang perilaku radiasi dari setiap gas rumah kaca utama.

Uap Air

Uap air adalah gas rumah kaca yang paling kuat di atmosfer Bumi, tetapi perilakunya secara fundamental berbeda dari gas rumah kaca lainnya. Peran utama uap air bukan sebagai agen langsung pemancaran radiasi melainkan sebagai umpan balik iklim — yaitu, sebagai respons dalam sistem iklim yang memengaruhi aktivitas berkelanjutan sistem (lihat di bawah Umpan balik uap air). Perbedaan ini muncul dari fakta bahwa jumlah uap air di atmosfer tidak dapat, secara umum, langsung diubah oleh perilaku manusia tetapi malah diatur oleh suhu udara. Semakin hangat permukaan, semakin besar tingkat penguapan air dari permukaan. Akibatnya, peningkatan penguapan mengarah pada konsentrasi uap air yang lebih besar di atmosfer bawah yang mampu menyerap radiasi gelombang panjang dan memancarkannya ke bawah.

Karbon Dioksida

Gas rumah kaca, karbon dioksida (CO2) adalah yang paling signifikan. Sumber-sumber alami dari CO2 atmosfer meliputi pelepasan gas dari gunung berapi, pembakaran dan peluruhan alami bahan organik, dan respirasi oleh organisme aerobik (menggunakan oksigen). Sumber-sumber ini seimbang, rata-rata, dengan satu set proses fisik, kimia, atau biologis, yang disebut “sinks,” yang cenderung menghilangkan CO2 dari atmosfer. Penyerap alami yang signifikan termasuk vegetasi terestrial, yang mengambil CO2 selama proses fotosintesis.

Sejumlah proses samudera juga bertindak sebagai penyerap karbon. Salah satu proses tersebut, yang disebut “pompa kelarutan,” melibatkan penurunan permukaan air laut yang mengandung CO2 terlarut. Proses lain, “pompa biologis,” melibatkan penyerapan CO2 terlarut oleh vegetasi laut dan fitoplankton (organisme fotosintesis kecil mengambang bebas) yang hidup di laut atas atau oleh organisme laut lainnya yang menggunakan CO2 untuk membangun kerangka dan struktur lain yang terbuat dari kalsium. karbonat (CaCO3). Ketika organisme ini kadaluwarsa dan jatuh ke dasar lautan, karbon yang dikandungnya diangkut ke bawah dan akhirnya terkubur di kedalaman. Keseimbangan jangka panjang antara sumber-sumber alam dan tenggelam ini mengarah ke latar belakang, atau tingkat alami CO2 di atmosfer.

Sebaliknya, aktivitas manusia meningkatkan level CO2 atmosfer terutama melalui pembakaran bahan bakar fosil – terutama minyak dan batu bara dan gas alam sekunder, untuk digunakan dalam transportasi, pemanasan, dan pembangkitan daya listrik – dan melalui produksi semen. Sumber antropogenik lainnya termasuk pembakaran hutan dan pembukaan lahan. Emisi antropogenik saat ini bertanggung jawab atas rilis tahunan sekitar 7 gigaton (7 miliar ton) karbon ke atmosfer. Emisi antropogenik setara dengan sekitar 3 persen dari total emisi CO2 oleh sumber-sumber alam, dan beban karbon yang diperkuat ini dari aktivitas manusia jauh melebihi kapasitas offsetting dari sink alami (mungkin sebanyak 2–3 gigaton per tahun).

Akibatnya, CO2 diakumulasikan di atmosfer dengan laju rata-rata 1,4 bagian per juta volume (ppmv) per tahun antara tahun 1959 dan 2006, dan antara tahun 2007 dan 2017 tingkat akumulasi CO2 meningkat menjadi sekitar 2,25 ppmv per tahun. Dengan memperhitungkan seluruh data, pertumbuhan konsentrasi karbon di atmosfer telah cukup linear, tetapi ini bisa berubah. Penyerap arus tertentu, seperti lautan, bisa menjadi sumber di masa depan (lihat umpan balik siklus Karbon). Hal ini dapat menyebabkan situasi di mana konsentrasi CO2 atmosfer terbentuk pada tingkat eksponensial (yaitu, tingkat peningkatannya juga meningkat).

Tingkat latar belakang alami dari karbon dioksida bervariasi pada rentang waktu jutaan tahun karena perubahan lambat dalam outgassing melalui aktivitas vulkanik. Sebagai contoh, sekitar 100 juta tahun yang lalu, selama Periode Cretaceous (145 juta hingga 66 juta tahun yang lalu), konsentrasi CO2 tampaknya telah beberapa kali lebih tinggi daripada saat ini (mungkin mendekati 2.000 ppm). Selama 700.000 tahun terakhir, konsentrasi CO2 telah bervariasi dalam rentang yang jauh lebih kecil (antara sekitar 180 dan 300 ppm) dalam kaitannya dengan efek orbit Bumi yang sama terkait dengan datang dan perginya zaman es Pleistocene (lihat di bawah Pengaruh alam pada iklim) . Pada 2017 tingkat CO2 mencapai 403 ppm, yaitu sekitar 44 persen di atas tingkat latar belakang alam sekitar 280 ppm yang ada pada awal Revolusi Industri. Menurut pengukuran inti es, tingkat ini (403 ppm) diyakini sebagai yang tertinggi dalam setidaknya 800.000 tahun dan, menurut bukti lain, mungkin yang tertinggi dalam setidaknya 5 juta tahun.

Pemancaran radiasi yang disebabkan oleh karbon dioksida bervariasi dalam cara logaritmik dengan konsentrasi gas tersebut di atmosfer. Hubungan logaritmik terjadi sebagai akibat dari efek jenuh di mana ia menjadi semakin sulit, seperti konsentrasi CO2 meningkat, untuk molekul CO2 tambahan untuk lebih mempengaruhi “jendela inframerah” (suatu band sempit panjang gelombang tertentu di wilayah inframerah yang tidak diserap oleh gas atmosfer). Hubungan logaritmik memprediksi bahwa potensi pemanasan permukaan akan meningkat sekitar jumlah yang sama untuk setiap dua kali lipat konsentrasi CO2. Pada tingkat penggunaan bahan bakar fosil saat ini, dua kali lipat konsentrasi CO2 di atas tingkat pra-industri diperkirakan terjadi pada pertengahan abad ke-21 (ketika konsentrasi CO2 diproyeksikan mencapai 560 ppm). Penggandaan konsentrasi CO2 akan mewakili peningkatan sekitar 4 watt per meter persegi pemancaran radiasi. Diberikan perkiraan khas “sensitivitas iklim” dalam ketiadaan faktor pengimbang, peningkatan energi ini akan menyebabkan pemanasan 2 hingga 5 ° C (3,6 hingga 9 ° F) selama masa praindustrial (lihat Mekanisme umpan balik dan sensitivitas iklim). Total pemancaran radiasi oleh emisi CO2 antropogenik sejak awal usia industri adalah sekitar 1,66 watt per meter persegi.

Gas Metana

Metana (CH4) adalah gas rumah kaca kedua yang paling penting. CH4 lebih kuat daripada CO2 karena kekuatan radiasi yang dihasilkan per molekul lebih besar. Selain itu, jendela inframerah kurang jenuh dalam rentang panjang gelombang radiasi yang diserap oleh CH4, sehingga lebih banyak molekul dapat mengisi di wilayah tersebut. Namun, CH4 ada dalam konsentrasi yang jauh lebih rendah daripada CO2 di atmosfer, dan konsentrasinya berdasarkan volume di atmosfer umumnya diukur dalam bagian per miliar (ppb) daripada ppm. CH4 juga memiliki waktu tinggal yang jauh lebih singkat di atmosfer daripada CO2 (waktu tinggal untuk CH4 kira-kira 10 tahun, dibandingkan dengan ratusan tahun untuk CO2).

Sumber alami metana termasuk lahan basah tropis dan utara, bakteri pengoksidasi metana yang memakan bahan organik yang dikonsumsi rayap, gunung berapi, ventilasi rembesan dasar laut di daerah yang kaya dengan sedimen organik, dan hidrat metana yang terperangkap di sepanjang rak kontinental lautan dan di permafrost kutub. Penyerap alami utama untuk metana adalah atmosfer itu sendiri, karena metana mudah bereaksi dengan radikal hidroksil (∙OH) di dalam troposfer untuk membentuk CO2 dan uap air (H2O). Ketika CH4 mencapai stratosfer, ia hancur. Penyerap alami lainnya adalah tanah, di mana metana dioksidasi oleh bakteri.

Seperti halnya CO2, aktivitas manusia meningkatkan konsentrasi CH4 lebih cepat daripada yang dapat diimbangi oleh sink alami. Sumber-sumber antropogenik saat ini mencapai sekitar 70 persen dari total emisi tahunan, yang mengarah ke peningkatan konsentrasi yang substansial dari waktu ke waktu. Sumber antropogenik utama CH4 di atmosfer adalah penanaman padi, peternakan, pembakaran batubara dan gas alam, pembakaran biomassa, dan penguraian bahan organik di tempat pembuangan akhir. Tren masa depan sangat sulit untuk diantisipasi. Hal ini sebagian karena pemahaman yang tidak lengkap tentang umpan balik iklim yang terkait dengan emisi CH4. Selain itu sulit untuk memprediksi bagaimana, ketika populasi manusia tumbuh, kemungkinan perubahan dalam pemeliharaan ternak, penanaman padi, dan pemanfaatan energi akan mempengaruhi emisi CH4.

Diperkirakan bahwa peningkatan konsentrasi metana di atmosfer secara tiba-tiba bertanggung jawab atas peristiwa pemanasan yang meningkatkan suhu global rata-rata 4-8 ° C (7.2–14.4 ° F) selama beberapa ribu tahun selama apa yang disebut Paleosen -Eosen Termurah Maksimum, atau PETM. Episode ini terjadi sekitar 55 juta tahun yang lalu, dan peningkatan CH4 tampaknya terkait dengan letusan gunung berapi besar yang berinteraksi dengan endapan banjir yang mengandung metana. Akibatnya, sejumlah besar CH4 gas disuntikkan ke atmosfer. Sulit untuk mengetahui dengan tepat seberapa tinggi konsentrasi ini atau berapa lama mereka bertahan. Pada konsentrasi yang sangat tinggi, waktu tinggal CH4 di atmosfer dapat menjadi jauh lebih besar daripada waktu tinggal 10 tahun nominal yang berlaku saat ini. Namun demikian, kemungkinan konsentrasi ini mencapai beberapa ppm selama PETM.

Konsentrasi metana juga bervariasi dalam rentang yang lebih kecil (antara sekitar 350 dan 800 ppb) dalam kaitannya dengan siklus usia es Pleistocene (lihat pengaruh alam pada iklim). Tingkat preindustri CH4 di atmosfer sekitar 700 ppb, sedangkan tingkat awal abad 21 melebihi 1.770 ppb. (Konsentrasi ini jauh di atas tingkat alami yang diamati setidaknya selama 650.000 tahun terakhir.) Radiasi bersih yang dipaksakan oleh emisi CH4 antropogenik adalah sekitar 0,5 watt per meter persegi — atau kira-kira sepertiga pemancaran radiasi CO2.

Lapisan Ozon dan Senyawa Lain

Gas rumah kaca paling berpengaruh berikutnya adalah lapisan permukaan, atau tingkat rendah, ozon (O3). Permukaan O3 adalah hasil dari polusi udara; itu harus dibedakan dari O3 stratosfer alami, yang memiliki peran yang sangat berbeda dalam keseimbangan radiasi planet. Sumber alami utama permukaan O3 adalah penurunan O3 stratosfer dari atmosfer atas (lihat di bawah ozon deposisi Stratosfer). Sebaliknya, sumber antropogenik utama permukaan O3 adalah reaksi fotokimia yang melibatkan karbon monoksida pencemar atmosfer (CO). Perkiraan terbaik dari konsentrasi O3 permukaan adalah 50 ppb, dan pemantik radiasi bersih karena emisi antropogenik dari permukaan O3 kira-kira 0,35 watt per meter persegi.

Nitrogen Oksida dan Gas Terfluorinasi

Gas jejak tambahan yang dihasilkan oleh aktivitas industri yang memiliki sifat rumah kaca termasuk Nitrogen oksida (N2O) dan gas terfluorinasi (halocarbons), yang terakhir termasuk sulfur hexafluoride, hydrofluorocarbons (HFCs), dan perfluorocarbons (PFC). Nitrous oksida bertanggung jawab atas 0,16 watt per meter persegi radiasi memaksa, sementara gas terfluorinasi secara kolektif bertanggung jawab untuk 0,34 watt per meter persegi. Oksida nitrat memiliki konsentrasi latar belakang yang kecil karena reaksi-reaksi biologis alami dalam tanah dan air, sedangkan gas-gas terfluorinasi berutang keberadaannya hampir seluruhnya ke sumber-sumber industri.

Aerosol

Produksi aerosol mewakili pemicu radiasi antropogenik yang penting dari iklim. Secara kolektif, blok aerosol yaitu, mencerminkan dan menyerap sebagian dari radiasi matahari yang masuk, dan ini menciptakan pemancaran radiasi negatif. Aerosol berada di urutan kedua hanya untuk gas rumah kaca yang relatif penting dalam pengaruhnya terhadap suhu udara dekat-permukaan. Tidak seperti waktu tinggal selama satu dekade dari gas-gas rumah kaca “yang tercampur dengan baik”, seperti CO2 dan CH4, aerosol dapat langsung keluar dari atmosfer dalam beberapa hari, baik oleh hujan atau salju (pengendapan basah) atau dengan menetap di udara. (deposisi kering). Oleh karena itu mereka harus terus-menerus dihasilkan untuk menghasilkan efek stabil pada pemancaran radiasi. Aerosol memiliki kemampuan untuk mempengaruhi iklim secara langsung dengan menyerap atau memantulkan radiasi matahari yang masuk, tetapi mereka juga dapat menghasilkan efek tidak langsung pada iklim dengan memodifikasi pembentukan awan atau properti awan. Kebanyakan aerosol berfungsi sebagai inti kondensasi (permukaan di mana uap air dapat mengembun membentuk awan); Namun, aerosol berwarna lebih gelap dapat menghalangi pembentukan awan dengan menyerap sinar matahari dan memanaskan udara sekitarnya. Aerosol dapat diangkut ribuan kilometer dari sumber asal mereka oleh angin dan sirkulasi tingkat atas di atmosfer.

Mungkin jenis aerosol antropogenik yang paling penting dalam pemancaran radiatif adalah aerosol sulfat. Ini dihasilkan dari emisi sulfur dioksida (SO2) yang terkait dengan pembakaran batu bara dan minyak. Sejak akhir 1980-an, emisi global SO2 telah menurun dari sekitar 73 juta ton menjadi sekitar 54 juta ton sulfur per tahun.

Nitrat aerosol tidak sepenting aerosol sulfat, tetapi memiliki potensi untuk menjadi sumber signifikan dari kekuatan negatif. Salah satu sumber utama nitrat aerosol adalah kabut asap (kombinasi ozon dengan oksida nitrogen di atmosfer yang lebih rendah) yang dilepaskan dari pembakaran bahan bakar yang tidak lengkap di mesin pembakaran internal. Sumber lain adalah amonia (NH3), yang sering digunakan dalam pupuk atau dikeluarkan oleh pembakaran tanaman dan bahan organik lainnya. Jika jumlah nitrogen atmosfer yang lebih besar dikonversi ke amonia dan emisi amonia pertanian terus meningkat seperti yang diproyeksikan, pengaruh aerosol nitrat pada pemancaran radiasi diperkirakan akan tumbuh.

Kedua aerosol sulfat dan nitrat bertindak terutama dengan memantulkan radiasi matahari yang masuk, sehingga mengurangi jumlah sinar matahari yang mencapai permukaan. Kebanyakan aerosol, tidak seperti gas rumah kaca, memberi pengaruh pendinginan daripada pemanasan di permukaan Bumi. Satu pengecualian utama adalah aerosol karbon seperti karbon hitam atau jelaga, yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar fosil dan biomassa. Karbon hitam cenderung menyerap daripada mencerminkan radiasi matahari yang terjadi, dan sehingga memiliki dampak pemanasan pada atmosfer yang lebih rendah, di mana ia berada. Karena sifat daya serapnya, karbon hitam juga mampu memiliki efek tidak langsung tambahan pada iklim. Melalui pengendapannya di salju, ia dapat menurunkan albedo penutup salju. Pengurangan jumlah radiasi matahari yang dipantulkan kembali ke angkasa oleh permukaan salju menciptakan pemancaran radiatif positif minor.

Bentuk alami aerosol termasuk debu mineral tertiup angin yang dihasilkan di daerah kering dan semi kering dan garam laut yang dihasilkan oleh aksi ombak memecah di lautan. Perubahan pola angin sebagai akibat dari modifikasi iklim dapat mengubah emisi aerosol ini. Pengaruh perubahan iklim pada pola kekasaran regional bisa menggeser sumber dan tujuan awan debu. Selain itu, karena konsentrasi aerosol garam laut, atau aerosol laut, meningkat dengan kekuatan angin di dekat permukaan laut, perubahan kecepatan angin karena pemanasan global dan perubahan iklim dapat mempengaruhi konsentrasi aerosol garam laut. Sebagai contoh, beberapa penelitian menunjukkan bahwa perubahan iklim dapat menyebabkan angin lebih kuat di atas bagian-bagian dari Samudera Atlantik Utara. Daerah dengan angin yang lebih kuat dapat mengalami peningkatan konsentrasi aerosol garam laut.

Sumber alami aerosol lainnya termasuk letusan gunung berapi, yang menghasilkan aerosol sulfat, dan sumber biogenik (misalnya, fitoplankton), yang menghasilkan dimetil sulfida (DMS). Aerosol biogenik penting lainnya, seperti terpene, diproduksi secara alami oleh jenis pohon tertentu atau tanaman lain. Sebagai contoh, hutan lebat Pegunungan Blue Ridge Virginia di Amerika Serikat memancarkan terpen selama bulan-bulan musim panas, yang pada gilirannya berinteraksi dengan kelembaban tinggi dan suhu hangat untuk menghasilkan kabut asap fotokimia alami. Antropogenik polutan seperti nitrat dan ozon, keduanya berfungsi sebagai molekul prekursor untuk generasi aerosol biogenik, tampaknya telah meningkatkan tingkat produksi aerosol ini beberapa kali lipat. Proses ini tampaknya bertanggung jawab atas beberapa polusi aerosol yang meningkat di daerah-daerah yang mengalami urbanisasi yang cepat.

Aktivitas manusia telah sangat meningkatkan jumlah aerosol di atmosfer dibandingkan dengan tingkat latar belakang zaman pra-industri. Berbeda dengan efek global gas rumah kaca, dampak aerosol antropogenik terbatas terutama di belahan bumi utara, di mana sebagian besar aktivitas industri dunia terjadi. Pola peningkatan aerosol antropogenik dari waktu ke waktu juga agak berbeda dari gas rumah kaca. Selama pertengahan abad ke-20, ada peningkatan substansial dalam emisi aerosol. Hal ini tampaknya setidaknya sebagian bertanggung jawab atas penghentian pemanasan permukaan yang terjadi di belahan bumi utara dari tahun 1940 hingga 1970-an. Sejak saat itu, emisi aerosol telah mereda karena langkah-langkah antipolusi yang dilakukan di negara-negara industri sejak tahun 1960-an. Emisi aerosol dapat meningkat di masa depan, bagaimanapun, sebagai akibat dari munculnya secara cepat pembangkit tenaga listrik berbahan bakar batubara di Cina dan India.

Total pemancaran radiatif dari semua aerosol antropogenik adalah sekitar -1,2 watt per meter persegi. Dari jumlah ini, -0,5 watt per meter persegi berasal dari efek langsung (seperti pantulan energi surya kembali ke ruang angkasa), dan -0,7 watt per meter persegi berasal dari efek tidak langsung (seperti pengaruh aerosol pada pembentukan awan). Pemancaran radiasi negatif ini mewakili offset sekitar 40 persen dari pemancaran radiasi positif yang disebabkan oleh aktivitas manusia. Namun, ketidakpastian relatif dalam memaksa radiasi aerosol (sekitar 90 persen) jauh lebih besar daripada gas rumah kaca. Selain itu, emisi aerosol masa depan dari kegiatan manusia, dan pengaruh emisi ini terhadap perubahan iklim di masa depan, tidak diketahui dengan pasti. Namun demikian, dapat dikatakan bahwa, jika konsentrasi aerosol antropogenik terus menurun seperti yang terjadi sejak tahun 1970-an, pengimbangan yang signifikan terhadap efek gas rumah kaca akan berkurang, membuka iklim masa depan untuk pemanasan lebih lanjut.

Pengalihan Fungsi Lahan

Ada sejumlah cara di mana perubahan dalam penggunaan lahan dapat mempengaruhi iklim. Pengaruh paling langsung adalah melalui perubahan albedo Bumi, atau reflektansi permukaan. Misalnya, penggantian hutan oleh lahan pertanian dan padang rumput di garis lintang tengah selama beberapa abad terakhir telah menyebabkan peningkatan albedo, yang pada gilirannya telah menyebabkan refleksi yang lebih besar dari radiasi matahari yang masuk di wilayah tersebut. Penggantian hutan oleh pertanian ini telah dikaitkan dengan perubahan rata-rata global pemaksaan radiasi sekitar –0,2 watt per meter persegi sejak 1750. Di Eropa dan kawasan pertanian utama lainnya, konversi penggunaan lahan tersebut dimulai lebih dari 1.000 tahun yang lalu dan telah berjalan hampir selesai. Untuk Eropa, pemaksaan radiasi negatif karena perubahan penggunaan lahan mungkin sangat substansial, mungkin mendekati –5 watt per meter persegi. Pengaruh penggunaan lahan awal pada pemaksaan radiasi dapat membantu menjelaskan periode panjang pendinginan di Eropa yang mengikuti periode kondisi yang relatif ringan sekitar 1.000 tahun yang lalu. Secara umum dipercaya bahwa suhu ringan dari “periode hangat abad pertengahan” ini, yang diikuti oleh periode pendinginan yang panjang, menyaingi Eropa abad ke-20.

Perubahan penggunaan lahan juga dapat mempengaruhi iklim melalui pengaruhnya pada pertukaran panas antara permukaan Bumi dan atmosfer. Misalnya, vegetasi membantu memfasilitasi penguapan air ke atmosfer melalui evapotranspirasi. Dalam proses ini, tanaman mengambil air cair dari tanah melalui sistem akar mereka. Akhirnya air ini dilepaskan melalui transpirasi ke atmosfer, seperti uap air melalui stomata dalam daun. Sementara deforestasi umumnya mengarah ke pendinginan permukaan karena faktor albedo yang dibahas di atas, permukaan tanah juga dapat dihangatkan sebagai akibat dari pelepasan panas laten oleh proses evapotranspirasi. Kepentingan relatif dari kedua faktor ini, yang satu memberikan efek pendinginan dan efek pemanasan lainnya, bervariasi menurut musim dan wilayah. Sementara efek albedo cenderung mendominasi di garis lintang menengah, terutama selama periode dari musim gugur hingga musim semi, efek evapotranspirasi dapat mendominasi selama musim panas di garis tengah dan sepanjang tahun di daerah tropis. Kasus terakhir sangat penting dalam menilai dampak potensial dari deforestasi tropis lanjutan.

Tingkat di mana wilayah tropis terdeforestasi juga relevan dengan proses penyerapan karbon (lihat Carbon cycle feedbacks), penyimpanan karbon jangka panjang di rongga-rongga bawah tanah dan biomassa daripada di atmosfer. Dengan menghilangkan karbon dari atmosfer, sekuestrasi karbon bertindak untuk mengurangi pemanasan global. Deforestasi berkontribusi terhadap pemanasan global, karena lebih sedikit tumbuhan yang tersedia untuk mengambil karbon dioksida dari atmosfer. Selain itu, seperti pohon tumbang, semak, dan tanaman lainnya dibakar atau dibiarkan secara perlahan terurai, mereka melepaskan karbon dioksida sebagai karbon yang disimpan selama hidup mereka. Selanjutnya, perubahan penggunaan lahan yang mempengaruhi jumlah, distribusi, atau jenis vegetasi di suatu wilayah dapat mempengaruhi konsentrasi aerosol biogenik, meskipun dampak perubahan tersebut pada iklim tidak langsung dan relatif kecil.

4. Pengaruh Alamiah

Ada sejumlah faktor alam yang memengaruhi iklim Bumi. Faktor-faktor ini termasuk pengaruh eksternal seperti letusan gunung berapi eksplosif, variasi alami dalam output Matahari, dan perubahan lambat dalam konfigurasi orbit Bumi relatif terhadap Matahari. Selain itu, ada osilasi alami dalam iklim Bumi yang mengubah pola global sirkulasi angin, pengendapan, dan suhu permukaan. Salah satu fenomena tersebut adalah El Niño / Southern Oscillation (ENSO), peristiwa atmosferik dan samudera yang terjadi di Samudra Pasifik setiap tiga sampai tujuh tahun. Selain itu, Atlantik Multidecadal Oscillation (AMO) adalah fenomena serupa yang terjadi selama beberapa dekade di Samudera Atlantik Utara. Tipe lain dari perilaku berosilasi yang menghasilkan perubahan dramatis dalam iklim dapat terjadi di sepanjang skala abad dan milenium (lihat variasi dan perubahan iklim).

Penipisan Ozon di Stratosfer

Sejak tahun 1970-an hilangnya ozon (O3) dari stratosfer telah menyebabkan sejumlah kecil pemaksaan radiasi negatif dari permukaan. Pemaksaan negatif ini mewakili persaingan antara dua efek berbeda yang disebabkan oleh fakta bahwa ozon menyerap radiasi matahari. Dalam kasus pertama, karena tingkat ozon di stratosfer berkurang, lebih banyak radiasi matahari mencapai permukaan Bumi. Dengan tidak adanya pengaruh lain, peningkatan insolasi ini akan mewakili pemaksaan radiasi positif dari permukaan. Namun, ada efek kedua dari penipisan ozon yang terkait dengan sifat rumah kaca. Karena jumlah ozon di stratosfer menurun, ada juga lebih sedikit ozon untuk menyerap radiasi gelombang panjang yang dipancarkan oleh permukaan Bumi. Dengan sedikit penyerapan radiasi oleh ozon, ada penurunan yang sesuai dalam reemisi ke bawah radiasi. Efek kedua ini menguasai yang pertama dan menghasilkan pemaksaan radiasi negatif sederhana dari permukaan Bumi dan pendinginan sederhana dari stratosfer bawah sekitar 0,5 ° C (0,9 ° F) per dekade sejak tahun 1970-an.

Aerosol Vulkanik

Letusan gunung berapi eksplosif memiliki potensi untuk menyuntikkan sejumlah besar aerosol sulfat ke stratosfer bawah. Berbeda dengan emisi aerosol di troposfer bawah (lihat di atas Aerosol), aerosol yang memasuki stratosfer dapat tetap selama beberapa tahun sebelum menetap, karena relatif tidak adanya gerakan turbulen di sana. Akibatnya, aerosol dari letusan gunung berapi eksplosif memiliki potensi untuk mempengaruhi iklim Bumi. Letusan yang kurang eksplosif, atau letusan yang kurang vertikal dalam orientasi, memiliki potensi yang lebih rendah untuk dampak iklim yang substansial. Selanjutnya, karena pola sirkulasi skala besar dalam stratosfer, aerosol yang disuntikkan di daerah tropis cenderung menyebar ke seluruh dunia, sedangkan aerosol yang disuntikkan di tengah-tengah dan daerah kutub cenderung tetap terbatas pada garis lintang tengah dan tinggi dari belahan bumi tersebut. Letusan tropis, oleh karena itu, cenderung memiliki dampak iklim yang lebih besar daripada erupsi yang terjadi ke arah kutub. Pada tahun 1991 letusan Gunung Pinatubo yang moderat di Filipina memberikan pemaksaan sekitar -4 watt per meter persegi dan mendinginkan iklim sekitar 0,5 ° C (0,9 ° F) selama beberapa tahun berikutnya. Sebagai perbandingan, letusan Gunung Tambora tahun 1815 di Indonesia saat ini, yang secara tipikal berimplikasi pada 1816 “tahun tanpa musim panas” di Eropa dan Amerika Utara, diyakini telah dikaitkan dengan pemaksaan radiasi sekitar –6 watt per meter persegi.

Sementara di stratosfer, aerosol sulfat vulkanik sebenarnya menyerap radiasi gelombang panjang yang dipancarkan oleh permukaan Bumi, dan penyerapan di stratosfer cenderung menghasilkan pendinginan troposfer di bawahnya. Pola perubahan suhu vertikal di atmosfer memengaruhi perilaku angin di atmosfer bawah, terutama di musim dingin. Jadi, sementara pada dasarnya ada efek pendinginan global untuk beberapa tahun pertama setelah letusan gunung berapi eksplosif, perubahan pola musim dingin angin permukaan sebenarnya dapat menyebabkan musim dingin yang lebih hangat di beberapa daerah, seperti Eropa. Beberapa contoh modern letusan besar termasuk Krakatau (Indonesia) pada tahun 1883, El Chichón (Meksiko) pada tahun 1982, dan Gunung Pinatubo pada tahun 1991. Ada juga bukti bahwa letusan gunung berapi dapat mempengaruhi fenomena iklim lainnya seperti ENSO.

Variasi Output Matahari

Pengukuran langsung radiasi matahari, atau output matahari, telah tersedia dari satelit hanya sejak akhir 1970-an. Pengukuran ini menunjukkan variasi puncak-ke-puncak yang sangat kecil dalam radiasi matahari (sekitar 0,1 persen dari 1.366 watt per meter persegi yang diterima di bagian atas atmosfer, sekitar 1,4 watt per meter persegi). Namun, ukuran tidak langsung dari aktivitas matahari tersedia dari pengukuran sunspot historis yang berasal dari awal abad ke-17. Upaya telah dilakukan untuk merekonstruksi grafik variasi radiasi matahari dari data sunspot historis dengan mengkalibrasi mereka terhadap pengukuran dari satelit modern. Namun, sejak modern pengukuran hanya mencakup beberapa siklus surya 11 tahun terbaru, perkiraan variabilitas output matahari pada rentang waktu 100 tahun dan lebih panjang berkorelasi buruk. Asumsi yang berbeda mengenai hubungan antara amplitudo siklus surya 11-tahun dan perubahan output surya jangka panjang dapat menyebabkan perbedaan yang cukup besar dalam rekonstruksi matahari yang dihasilkan. Perbedaan ini pada gilirannya menyebabkan ketidakpastian yang cukup besar dalam memperkirakan pemaksaan positif oleh perubahan radiasi matahari sejak 1750. (Estimasi berkisar antara 0,06 hingga 0,3 watt per meter persegi.) Bahkan lebih menantang, mengingat kurangnya analog modern, adalah estimasi radiasi matahari selama apa yang disebut Maunder Minimum, periode yang berlangsung dari pertengahan abad ke-17 hingga awal abad ke-18 ketika sangat sedikit bintik matahari yang diamati. Meskipun kemungkinan radiasi matahari berkurang pada saat ini, sulit untuk menghitung berapa banyak. Namun, ada tambahan output surya yang cocok dengan catatan sunspot yang diturunkan mengikuti Maunder Minimum; ini dapat digunakan sebagai perkiraan kasar variasi radiasi matahari.

Dalam teori mungkin untuk memperkirakan radiasi matahari bahkan lebih jauh ke masa lalu, setidaknya selama milenium terakhir, dengan mengukur tingkat isotop kosmogenik seperti karbon-14 dan berilium-10. Isotop kosmogenik adalah isotop yang terbentuk oleh interaksi sinar kosmik dengan inti atom di atmosfer dan yang kemudian jatuh ke Bumi, di mana mereka dapat diukur dalam lapisan tahunan yang ditemukan di inti es. Karena tingkat produksi mereka di atmosfer atas dimodulasi oleh perubahan aktivitas matahari, isotop kosmogenik dapat digunakan sebagai indikator tidak langsung dari radiasi matahari. Namun, seperti dengan data sunspot, masih ada ketidakpastian yang cukup besar dalam amplitudo variabilitas matahari masa lalu yang tersirat oleh data ini.

Tenaga surya juga mempengaruhi reaksi fotokimia yang memproduksi ozon di stratosfer. Melalui modulasi konsentrasi ozon stratosfer ini, perubahan iradiasi matahari (terutama di bagian ultraviolet spektrum elektromagnetik) dapat memodifikasi bagaimana radiasi gelombang pendek dan gelombang panjang di stratosfer bawah diserap. Akibatnya, profil suhu vertikal atmosfer dapat berubah, dan perubahan ini pada gilirannya dapat mempengaruhi fenomena seperti kekuatan aliran jet musim dingin.

Variasi di Orbit Bumi

Pada rentang waktu puluhan milenium, pemaksaan radiasi dominan iklim Bumi dikaitkan dengan variasi lambat dalam geometri orbit Bumi tentang Matahari. Variasi ini termasuk presesi ekuinoks (yaitu, perubahan waktu musim panas dan musim dingin), terjadi pada skala waktu sekitar 26.000 tahun; perubahan sudut kemiringan sumbu rotasi bumi relatif terhadap bidang orbit Bumi di sekitar Matahari, terjadi pada skala waktu sekitar 41.000 tahun; dan perubahan eksentrisitas (keberangkatan dari lingkaran sempurna) dari orbit Bumi di sekitar Matahari, terjadi pada skala waktu 100.000 tahun. Perubahan dalam eksentrisitas sedikit memengaruhi radiasi matahari tahunan rata-rata di bagian atas atmosfer Bumi, tetapi pengaruh utama dari semua variasi orbital yang tercantum di atas adalah pada distribusi musiman dan latitudit radiasi matahari yang masuk ke permukaan Bumi. Zaman es utama zaman Pleistosen sangat terkait dengan pengaruh variasi ini pada insolation musim panas di lintang utara yang tinggi. Variasi orbital demikian diberikan kontrol utama pada sejauh mana lapisan es kontinental. Namun, perubahan orbit Bumi umumnya diyakini memiliki sedikit dampak pada iklim selama beberapa milenium terakhir, sehingga mereka tidak dianggap sebagai faktor signifikan dalam variabilitas iklim saat ini.

Tulis Komentar

Komentar