Modül 2 - İklim Gözlem ve Ölçümleri

İklim değişikliğine ışık tuttuğumuz serimizin ikinci modülünde iklim gözlem ve ölçümlerini inceliyoruz.

Reyhan Menetlioğlu • 22 Tem 2023

Gezegenin ısınması söz konusu olduğunda; geçmişten günümüze kadarki süreci kapsayan bilgi birikimimizi nasıl edindiğimiz, iklim bilimini ve iklim bilimcilerin çalışmalarını anlamak ile aydınlatılabilecek bir konudur. Bu temel önemlidir, çünkü bilimsel tartışmaları anlamlandırmanızı, güvenilir bilimsel kaynakları belirlemenizi ve eğer hevesliyseniz bazı temel yorumlamaları kendi kendinize yapabilmenizi sağlayacaktır.

Bu modül, çeşitli iklim bilimi kuruluşlarının iklim modellerinin temelini oluşturan ve bu modellerin çalışmasını sağlayan iklim gözlem ve ölçümleri konusunu aydınlatır.

Dünya'nın küresel ortalama sıcaklığı, dünya ikliminin durumunu değerlendirmek için kullandığımız en önemli ölçütlerden biridir. Küresel ortalama sıcaklığı şu şekilde kontrol edilir:

Güneşten gelen enerji
Dünya'nın albedosu (güneş enerjisinin absorbe edilmesine karşın yansıma miktarı)
Dünya atmosferi tarafından tutulan enerji miktarı (sera etkisi)

Peki bu maddeler arasında iklim değişikliğine neden olan faktörün sera etkisi olduğundan nasıl emin olabiliriz? Bu konuya bir açıklık getirmek için, 1850 yılından bu yana sera gazları, aerosoller, arazi kullanımı, ozon, güneş ve volkanlar dahil olmak üzere farklı iklim zorlayıcılarının küresel yüzey sıcaklıklarını değiştirmedeki tahmini rolünü aşağıdaki grafik üzerinde biraz zaman geçirerek inceleyelim:

Grafikteki verilere göre küresel ısınmaya sebep olabilecek etkeni aşağıdaki çıkarımlar yoluyla bulabiliriz:

Güneş’i temsil eden ve 1850'den bu yana pek değişmeyen sarı çizgi takip edildiğinde bu etkinin güneş olmadığı anlaşılmaktadır.
Turuncu çizgi volkanların iklim üzerindeki tahmini etkisini göstermektedir. Yanardağlar patladıklarında açığa çıkan sülfat aerosolleri birkaç yıl boyunca havada asılı kalarak gelen güneş ışığını uzaya geri yansıttığından iklim üzerinde kısa süreli bir soğutma etkisine sahiplerdir, böylece küresel ısınmaya sebep olmazlar.
Aerosoller de değildir (lacivert çizgi). Atmosferdeki bu küçük parçacıklar, hem gelen güneş radyasyonunu uzaya geri yansıtır hem de yüksek, yansıtıcı bulutların oluşumunu artırarak Dünya'yı soğutma etkisi yaratır.
Arazinin kullanım şeklindeki değişiklikler (mavi çizgi) dünya yüzeyinin yansıtıcılığını değiştirir. Örneğin, karanlık ormanların güneş ışığını daha fazla yansıtan daha soluk bir meraya dönüştürülmesinin özellikle karlı bölgelerde uzaya geri yansıyan güneş ışığı miktarını genellikle artıracağından makul bir soğutma etkisi yaratır ve küresel ısınmaya sebep olduğu söylenemez. 1850'den bu yana arazi kullanımı değişikliklerinin net iklim etkisi, nispeten soğuma yönündedir.
Ozon dışarı çıkan ısıyı hapseden kısa ömürlü bir sera gazıdır ve atmosferi biraz ısıttığı mor çizgi ile gözlemlenebilir. Atmosfere doğrudan değil, metan, karbonmonoksit, nitrojen oksitler ve uçucu organik bileşikler atmosferde parçalandığında salınır ve meydana gelen artışlar doğrudan bu gazların insan emisyonlarından kaynaklanmaktadır.
Grafik, analiz edilen tüm ışınımsal zorlayıcılar arasında yalnızca sera gazı emisyonlarındaki (kırmızı çizgi) artışların son 150 yılda yaşanan ısınma boyutuna sebep olduğunu vurgulamaktadır.

Bu bilgilere ek olarak, siyah noktalar ile temsil edilen gözlemlenmiş küresel ortalama yüzey sıcaklıkları değerleri de incelenebilir. Tüm ışınımsal zorlayıcıların kombinasyonu olan gri çizgi (tahmini değerimiz) ile bu gözlem noktaları (ölçülmüş gerçek değerler) karşılaştırıldığında, bu tahmin çizgisi genellikle gözlemlenen sıcaklıklardaki uzun vadeli değişikliklerle oldukça iyi eşleşmektedir. Fakat 1900-1920 ve 1930-1950 yılları arasında, hem bu basit modelde hem de daha karmaşık iklim modellerinde tahmin edilen ve gözlemlenen ısınma arasında bazı büyük uyuşmazlıkların görüldüğü periyotlar da vardır.

Bir önceki grafik ile bağlantılı olarak yukarıdaki grafik üzerinden insan faktörleri ile doğal faktörler karşılaştırıldığında küresel ısınmadan kimin sorumlu olduğu açık bir şekilde görülebilir: Tüm sorumlu biziz.

Anlaşılacağı üzere, küresel ısınmayı kavramak çok yönlü bir bilimsel çabadır. İklim modelleri kullanılarak oluşturulan bu grafikler, farklı faktörlerin iklim üzerindeki etkilerine işaret eder ve doğal faktörlerin bugün gördüğümüz ısınmayı nasıl tek başına açıklayamayacağını aydınlatır. Bunların yanı sıra, grafiklerin albedoyu içermemesine ve albedonun iklim değişikliğine olan etkisinin iklim bilimciler tarafından hala tam olarak çözülememesine karşın, albedo da tek başına iklim değişikliğini açıklayamaz.

Bir önceki modülde, Dünya'nın enerji dengesini anlamak için bazı temel fizik kurallarını (örneğin Stefan-Boltzmann kuralı) kullandık. Buna ek olarak, iklim bilimcilerin yaptığı iki önemli şey daha vardır:

Gözlem toplamak ve ölçüm yapmak,
Sera gazı seviyeleri ve CO2 konsantrasyonları gibi önemsenen değişkenler arasındaki ilişkileri bulmak için istatistik bilimini kullanmak.

İklim bilimi gözlemlere, istatistiğe, fizik gibi bilimin temel ilkelerine ve biyojeokimya gibi diğer bilimlere dayanır.

İklim biliminde gözlemler

Küresel İklim Gözlem Sistemi (Global Climate Observing System, GCOS) adı verilen uluslararası bir kuruluş, bilim insanlarının Dünya'nın iklim sistemini daha iyi anlamak için takip ettikleri 54 Temel İklim Değişkenini (Essential Climate Variables, ECV) belirlemiştir. GCOS ECV'yi "Dünya ikliminin karakterizasyonuna kritik katkıda bulunan fiziksel, kimyasal veya biyolojik bir değişken veya bağlantılı değişkenler grubu" olarak tanımlamaktadır.

ECV'ler hakkındaki yukarıda şemayı incelemek ve bu değişkenlerden bazılarını keşfetmek için birkaç dakikanızı ayırmalısınız. Bundan sonra en çok önemsediğimiz iki tanesini daha derinlemesine irdeleyebiliriz: Başlıca sera gazı tehdidi olan karbondioksit ve küresel ortalama sıcaklıklar. Şemada görebileceğiniz üzere sıcaklıklar birkaç farklı yerde ölçülmüştür. Ancak iklim değişikliği ile ilgili tartışmalarda genellikle küresel ortalama yüzey sıcaklığından bahsedilir.

Karbondioksit ve sıcaklığı nasıl ölçüyoruz?

Karbondioksit konsantrasyonları tüm zamanların en yüksek seviyesinde. Bunu, uydu verilerinin yanı sıra dünya çapında yaklaşık yüz noktada yapılan ölçümler sayesinde de biliyoruz. Geçmiş iklimimiz hakkında ipuçları içeren hava kabarcıklarının hapsedildiği buz çekirdeklerinden elde edilen veriler sayesinde de bugünkü verileri yüz binlerce yıl öncesine dayanan geçmiş kayıtlarla karşılaştırabiliyoruz.Sıcaklığa ilişkin ölçümler ise karada, denizde (gemiler ve şamandıralar aracılığıyla) ve bazen de uydular aracılığıyla yapılmaktadır. Bu ölçümler daha sonra birleştirilerek küresel veri setleri oluşturulur. Böylece araştırmacıların "anomalileri" veya uzun vadeli ortalamalardan farklı olan sıcaklıkları belirleyerek sıcaklıkların zaman içinde nasıl değiştiğini görmelerine yardımcı olur. Bu veri setleri, verilerin seyrek olduğu alanları veya zaman dilimlerini nasıl ele aldıkları ve ne kadar ayrıntı sağladıkları gibi çeşitli farklılıklar gösterir.

Şimdi, hem karbondioksit konsantrasyonlarını hem de sıcaklığı nasıl ölçtüğümüzü daha derinlemesine ele alalım.

Karbondioksit konsantrasyonlarının ölçümü

Dünya atmosferdeki karbondioksit seviyelerinin ölçülmesi ilk olarak 1958 yılında Hawaii'deki sönmüş bir yanardağın incelenmesi ile başlanmıştır. Günümüzde, atmosferdeki CO2 seviyeleri dünya üzerinde yaklaşık 100 noktada daha ölçülmekte elde edilen veriler ise, Charles David Keeling tarafından kurulan Scripps CO2 programı da dahil olmak üzere çok sayıda grup tarafından toplanmaktadır.

Bu ölçüm noktalarının yanı sıra, Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (National Aeronautics and Space Administration, NASA) uydu verilerini kullanarak değişen CO2 seviyelerini ve akışlarını uzaydan ölçebilmektedir. Uydu verileri, giderek küçülen buzullardan orman örtüsündeki değişime kadar iklim değişikliğiyle ilgili önemsediğimiz bir dizi parametrenin izlenmesi açısından önemlidir. Ayrıca uydu ve diğer gözlemsel veriler, Dünya'nın enerji dengesizliğinde önemli bir artış olduğunu belgeleyen araştırmaların da temelini oluşturmaktadır.

Ancak kritik verileri sağlayan tek kaynak uydu verileri değildir. Bilim insanları binlerce yıldır donmuş olan buzuları, binlerce metre derinliğe kadar delerek buzun içine hapsolmuş hava kabarcıkları ile Dünya atmosferinin zaman içindeki jeolojik geçmişini (800.000 yıl öncesine kadar) gün yüzüne çıkarabilmekteler. Bu hava kabarcıklarından karbondioksit konsantrasyonları ve sudaki izotop oranları da dahil olmak üzere farklı değerler ölçülebilmektedir. Hatta araştırmacıların, antik ısınmayı anlamak için küçük deniz organizmalarının fosillerinin kimyasal yapısını inceleyerek 66 milyon yıl önceki CO2 seviyelerini yeniden yapılandırdıkları da bilinmektedir.

Ne yazık ki, CO2'ye ilişkin toplanan bunca veri, konsantrasyonların 66 milyon yıl öncesine, dinozorlar çağına kadar uzanan fosil kayıtlarındaki herhangi bir zamandan daha yüksek olduğunu ve sürekli artmaya devam ettiğini ortaya koyuyor.

Yukarıdaki grafiğin kaynağında buzun içine hapsolmuş hava kabarcıkları verileri yer almaktadır. Binlerce yıl öncesine bakabilmek, içinde bulunduğumuz iklim koşullarını daha iyi anlamamıza yardımcı olacak önemli bir bilgi sunuyor. Grafiği incelersek:

Hava kabarcıkları verilerine (mor çizgi) dayalı olarak son 800.000 yıl için milyonda parça (parts per million, ppm) cinsinden küresel atmosferik CO2, koyu mor nokta ile temsil edilen 2021 konsantrasyonuyla karşılaştırılmıştır.
Grafikteki çukur noktaları buzul çağlarını (düşük CO2) ve tepe noktaları ise daha sıcak buzul arası dönemleri (daha yüksek CO2) işaret etmektedir.
Bu süre boyunca CO2 hiçbir zaman 300 ppm'den yüksek olmamıştır (açık mor nokta, 300.000 - 400.000 yıl önce).
Son 60 yıldaki artışın, önceki doğal artışlardan 100 kat daha hızlı olduğu gözlenebilir. Aslında jeolojik zaman ölçeğinde, son buzul çağının sonundan günümüze kadar olan artış neredeyse anlık görünüyor.

Bilim insanları Dünya'nın sıcaklığını nasıl ölçüyor?

Termometre 1714'ten beri hayatımızda olsa da, büyük bir kısmı okyanuslarla kaplı Dünyamızın denizlerinde karalardaki kadar çok termometremiz olmadığından ya da daha seyrek kapsama alanına sahip karadaki sıcaklık ölçümlerinin de farklılık göstermesi gibi sebeplerden Dünya'nın küresel ortalama sıcaklığını ölçmek kolay değildir.

Bilim insanları gemiler, şamandıralar ve bazen de uydular tarafından toplanan hava ve okyanus yüzey ölçümlerini birleştirmektedir. Her bir kara ve okyanus istasyonundaki sıcaklık, günlük olarak o konum ve zaman için "normal" olanla (genellikle 30 yıllık bir dönemdeki uzun vadeli ortalama) karşılaştırılır. Farklılıklar "anomali" olarak adlandırılır ve bilim insanlarının sıcaklığın zaman içinde nasıl değiştiğini değerlendirmelerini sağlar. Günlük anomalilerin belirli bir ay için ortalaması alınır. Bunlar da mevsimden mevsime ve yıldan yıla anomalilerin hesaplaması için kullanılır.

Her veri setinin zaman içinde uzak bölgelerdeki seyrek verileri, verilerdeki boşlukları ve enstrümantasyondaki (ölçüm cihazındaki) değişiklikleri hesaba katmak için farklı yolları vardır. Ayrıca veri setleri ne kadar uzun süreli kayıt tuttukları, ne düzeyde ayrıntı sağladıkları (Dünya yüzeyini bölmek için kullandıkları 'grid box'ların ne kadar büyük veya küçük olduğuna bağlı olarak) ve dünya çapında kara istasyonu sayıları açısından da farklılık gösterir. Uydu verileri son zamanlarda bu yüzeye yakın sıcaklık kayıtlarından ölçülen ısınma eğilimlerini doğrulamak ve bir "kontrol" sağlamak için kullanılmaktadır. Ancak yer tabanlı sıcaklık ölçümleri ile (yani bildiğimiz termometreler) uydu ölçümlerine göre daha sağlıklı sonuçlar elde edilir.

Küresel sıcaklık veri setlerini derleyen ve kısmen farklı yöntemler kullanarak farklı yıllık ortalama sıcaklık kayıtları elde eden birkaç büyük meteoroloji kurumu mevcuttur. Tüm önemli veri setleri ABD Ulusal Atmosferik Araştırma Merkezi'nin (National Center for Atmospheric Research) Küresel Sıcaklık Veri Setleri deposunda bulunabilir.

Her veri setinin kendine özgü güçlü ve zayıf yönleri vardır. Örneğin, East Anglia Üniversitesi ve Birleşik Krallık Met Ofisi Hadley Merkezi tarafından üretilen ve sürdürülen HadCRUT4 ve CRUTEM4’ün güçlü yönleri şunlardır:

HadCRUT4 kendi türündeki en uzun veri setidir.
Veri setleri ile ilişkili belirsizlikleri şeffaf ve anlaşılır bir şekilde ölçme ve karakterize etme süreci olan açık belirsizlik analizleri içermektedir.
Ayrı kara ve okyanus veri setleri vardır.

Ve aşağıdaki zayıflıklara sahiptirler:

Karşılaştırılabilir veri setlerine göre daha fazla mekansal kapsama boşlukları vardır.
Kısmen bu kapsama boşlukları nedeniyle HadCRUT4, diğer veri setlerine kıyasla son küresel ortalama yüzey ısınmasını az örnekleme eğilimindedir.

Buna karşılık Berkeley Dünya Yüzey Sıcaklıkları veri seti, belirli bölgeler ve zaman dilimleri için daha yüksek mekansal ve zamansal çözünürlüklere sahiptir, ancak benzersiz homojenizasyon yaklaşımı, hızlı yerel sıcaklık değişiminin olduğu bölgelerde iyi performans göstermeyebilir, bu da kıyı bölgelerinde ısınmanın fazla ve iç bölgelerde ise eksik tahmin edilmesine yol açabilir.

Sıcaklık: Bugün ne durumdayız?

Dünya son birkaç yılda endişe verici yeni sıcaklık rekorları kırdı. NASA ve Ulusal Okyanus İdaresi’nin (NOAA) de doğruladığı gibi geçtiğimiz dokuz yıl, modern kayıtların tutulmaya başlandığı 1880 yılından bu yana en sıcak yıllar oldu.

Endişeden de öte, artan sıcaklar toplumlara ve ekosisteme ciddi zararlar verdi ve vermeye de devam ediyor. Araştırmalara göre, aşırı sıcak dalgalarının bir sonucu olarak Dünya okyanuslarında sıkışan ısı da rekor seviyelere ulaştı. Okyanus ısı dalgaları 1980'lerin başına kıyasla şu anda muhtemelen iki kat daha yaygın. Bu da deniz yaşamı ve kıyı toplulukları için yıkıcı olabilmekte: Mercanları öldürüyor, balıkçılık ve yengeççilik endüstrilerine zarar veriyor ve hatta karadaki kuraklıkları daha da şiddetlendirebiliyor.

2015 Paris Anlaşması'nda dünyanın dört bir yanındaki ülkeler bu ısınmanın büyük bir kısmında payı olan CO2 emisyonları kapsamında harekete geçmek amaçlı 'net sıfır' karbondioksit emisyon hedefi üzerinde çalışmayı kabul etti. Bu, her şeyden önce CO2 emisyonlarının azaltılması anlamına gelmektedir. İklim hedeflerine ulaşmak için yerel, ulusal ve küresel düzeyde cesur politika değişiklikleri, temiz enerji teknolojilerine yatırım ve karbon ayak izimizi azaltmaya yönelik bireysel çabalar gerekecektir.

Bir sonraki modülde: İklim biliminde istatistik konusunu ele alacağız.

Gözlemler ve ölçümler tek başlarına o kadar da anlamlı ve yeterli değildir, bu nedenle sıcaklık ve CO2 hakkında topladığımız verilerde anlam bulmak için istatistik bilimine ihtiyacımız vardır. Bir sonraki modül, opsiyonel bir task'i de içeren, istatistik merkezli bir makaleyi kapsayacaktır.

Kaynaklar

Terra.do Climate Change: Learning for Action Lecture Notes

Brian E. J. Rose, University at Albany Climate Science Lecture Notes

CarbonBrief, Analysis: Why scientists think 100% of global warming is due to humans

Global Warming Index, Human-induced warming

Global Warming Index, What is human-induced warming?

QBerlin, YouTube, Q Berlin 2019 - Dr. Friederike Otto

PNAS, Albedo is a simple concept that plays complicated roles in climate and astronomy

GCOS, About Essential Climate Variables

GCOS, Essential Climate Variables

Scripps Institution of Oceanography, Carbon Dioxide Measurements

Earth's CO2