آیا گرمایش فعلی زمین طبیعی است؟

در تاریخ زمین، پیش از انقلاب صنعتی، دمای زمین نه به خاطر فعالیت‌های بشر بلکه به واسطه‌ی علل طبیعی تغییر می‌کرد. بیشتر اوقات، این تغییرات حاصل از تغییرات نور خورشید بود چرا که مدار گردش زمین در اثر تابش آفتاب تغییرات کوچکی می‌کند. همچنین تغییرات در خود خورشید هم موجب کم و زیاد شدن میزان انرژی خورشیدی که زمین دریافت می‌کند می‌گردد. فوران‌های آتشفشانی ذراتی را تولید می‌کند که نور آفتاب را بازتاب داده و موجب روشن‌تر شدن سیاره و در نتیجه خنک‌تر شدن آن می‌گردد. در گذشته‌های بسیار دور، فوران آتشفشان در طول میلیون‌ها سال، موجب افزایش گازهای گلخانه‌ای می‌شده و در نتیجه چند فقره گرمایش جهانی را موجب شده بود.
هرچند که دلایل طبیعی تغییرات دما همچنان پابرجا هستند، ولی تاثیرات‌شان آنقدر کم است و یا آنقدر به آهستگی اتفاق می‌افتند که نمی‌توان آن‌ها را عامل این گرمایش سریع جهانی دانست که در چند دهه‌ی اخیر در حال وقوع بوده است. این نتایج در واقع حاصل از بررسی دقیق آن دسته از فعالیت‌های طبیعت و انسان که بر وضعیت آب و هوا تاثیر می‌گذارند می‌باشد.
این بررسی‌ها از طریق ماهواره‌ها و یک سری دستگاه‌های اندازه گیری دیگر که بر روی سطح زمین نصب شده‌اند صورت گرفته است.
ایستگاه‌های هواسنجی از راه دور (که نمونه‌اش در شکل سمت چپ دیده می‌شود) و ماهواره‌هایی که در حال گشتن به دور زمین هستند (مانند شکل سمت راست) به دانشمندان کمک می‌کنند تا علل و آثار گرمایش جهانی را بررسی کنند.
ماهواره های ناسا اطلاعات مربوط به تعدادی از علائم حیاتی طبیعت را ثیت می‌کنند که این علائم حیاتی عبارتند از ذرات معلق در هوا (که می‌توانند منشأ در طبیعت و یا در فعالیتهای انسانی همچون کارخانه‌ها، آتش سوزی‌ها، بیابان‌ها، و فوران آتشفشان‌ها داشته باشند)، انرژی تابیده شده از سطح زمین و خورشید، سطح آب‌های آزاد، تغییرات دمای سطح اقیانوس، اندازه و وسعت یخسارها، یخچال‌های طبیعی، رودهای یخ زده و دریاهای یخ زده، رشد گیاهان، میزان بارندگی، ساختار ابرها، و غیره.
برخی کشورها و موسسات، شبکه‌هایی از ایستگاه‌های دیده بانی وضعیت آب و هوا بر روی زمین دارند که در آنها میزان درجه حرارت، بارندگی و عمق برف به ثبت می‌رسد و با جسم‌هایی شناور، سطح آب و دمای عمق اقیانوس اندازه گیری می‌گردد. این اندازه گیری‌ها با هم، گزارشی از وقایع طبیعی و فعالیت‌های بشری در 150 سال گذشته را ارائه می‌کند که این گزارش همواره در حال به روز شدن می‌باشد.
دانشمندان از ترکیب این اندازه گیری‌ها برای ایجاد مدل‌های آب و هوایی استفاده می‌کنند تا با این مدل‌ها، دمای هوا در طول 150 سال گذشته را بازسازی کنند. مدل شبیه سازی شده‌ای برای آب و هوا از سال 1750 که در آن تنها تغییرات طبیعی خورشیدی و فوران‌های آتشفشانی در نظر گرفته شده و افزایش مشاهده شده در گازهای گلخانه‌ای در آن لحاظ نشده است تنها می‌تواند تا سال 1950 با دمای جهانی هوا تطبیق کند. از این سال به بعد، روند افزایش گرمای جهانی را نمی‌توان بدون در نظر گرفتن گازهای گلخانه‌ای افزوده شده توسط بشر توضیح داد.
بنابرین از سال 1950 تا کنون تغییرات اعمالی توسط بشر مؤثرترین عامل بر دما بوده است، البته اخیراً تغییراتی طبیعی نیز در دمای زمین رخ داده است. برای مثال، دو فوران بزرگ آتشفشانی در سال‌های 1991 و 1982 باعث پمپاژ شدن گاز سولفور دی اکسید به سطوج بالای اتمسفر شد. این گاز به ذرات ریزی تبدیل شده و بیش از یک سال برجای ماند و منجر به انعکاس نور خورشید گشت و بر سطح زمین سایه انداخت و در نتیجه دمای کره‌ی زمین به مدت دو تا سه سال کاهش یافت.
هرچند که دمای زمین به صورت طبیعی نوسان می‌کند ولی در 120 سال گذشته فعالیت‌های بشر میزان تغییرات طبیعی دما را تحت الشعاع قرار داده است. اثر پدیده‌های طبیعی (همچون النینو، تغییرات خورشیدی، و ریزگردهای آتشفشانی) بر دما، به طور تقریبی بین مثبت و منفی ℃ 2ر0 ( با میانگینی تقریباً برابر صفر) می‌باشد. در حالیکه تأثیرات فعالیت‌های بشر بر دما از سال 1889 به میزان ℃ 8ر0 و صرفاً به صورت افزایشی بوده است.
هرچند که آتشفشان‌ها در اقصی نقاط جهان فعال‌اند و در آزادسازی کربن دی اکسید نقش دارند ولی مقدار کربن دی اکسیدی که آتشفشان‌ها آزاد می‌کنند در مقایسه با کربن دی اکسید آزاد شده توسط بشر بسیار کمتر می‌باشد. به طور میانگین، آتشفشان‌ها سالانه بین 130 تا 230 میلیون تن کربن دی اکسید آزاد می‌کنند. ولی بشر با سوزاندن سوخت‌های فسیلی سالانه بیش از 100 برابر این مقدار یعنی در حدود 26 میلیارد تن کربن دی اکسید به اتمسفر وارد می‌کند. بنابرین هر گونه تأثیر آتشفشا‌ن‌ها بر گرمایش جهانی در دهه های اخیر توسط فعالیت‌های بشر تحت الشعاع قرار می‌گیرد.
هرچند تغییرات تابشی خورشید می‌تواند بر آب و هوای زمین تأثیر بگذارد ولی این تغییرات نمی‌تواند برای توضیح گرمایش اخیر جهانی کافی باشد. ماهواره‌های ناسا از سال 1987 تا کنون، انرژی تابشی خروجی خورشید را اندازه می‌گرفته‌اند. کل انرژی تابشی خورشید طبق یک سیکل 11 ساله تغییر می‌کند. انرژی تابشی خورشید در حالت ماکسیمم به طور میانگین تقریباً 1ر0 درصد بیشتر از حالت مینیمم است.
هاله‌ی شفاف حول خورشید نیز در حین این سیکل دچار تغییرات می‌گردد. در حالت ماکسیمم انرژی به شکل سمت چپ و در حالت مینیمم انرژی به شکل سمت راست در می‌آید.
هر سیکلی با سیکل‌های دیگر از نظر شدت تابش و طول مدت ماکسیمم و مینیمم تفاوت‌هایی دارد. مثلاً از سال 2005 تا اوایل سال 2010 تابش خورشیدی کمتر از مینیمم فعالیت خورشیدی در دوره‌ی 11 ساله‌ی قبل در دهه‌ی 1990 بوده است. این نشان می‌دهد که بین سال‌های 2005 تا 2010 اثر تابش خورشید بر گرمایش جهانی به صورت کاهنده بوده است.
اندازه گیری‌های ماهواره‌ای از تابش خورشید در طول روز (خط روشن) و میانگین ماهانه‌ی آن (خط تیره) از سال 1979 نشان می‌دهند که هیچگونه افزایش یا کاهش طولانی مدتی در تابش خورشید وجود نداشته است.
دانشمندان گمتن می‌کنند که شاید در دوره‌های زمانی طولانی مثلاً پس از چند دهه احتمال وجود افزایش یا کاهش در برایند انرژی خورشیدی وجود داشته باشد ولی اگر چنین چیزی صحت داشته باشد هم تا به حال فرصت کافی برای مشاهده‌ و اثبات آن وجود نداشته است. حتی اگر روند تابش خورشید در این سال‌ها افزایشی بوده باشد باز هم الگوی گرمایش زمین از سال 1950 با میزان گرمایشی که صرفاً ناشی از تابش خورشید باشد تطابقی ندارد. وقتی انرژی خورشیدی در اوج است دمای در لایه‌ی پایینی اتمسفر (تروموسفر) و لایه‌ی بالایی آن (استراتوسفر)، بالاتر می‌رود. از سوی دیگر طبق مطالعات، اثر مورد انتظار از گازهای گلخانه‌ای این است که سطح زمین و لایه‌ی تروپوسفر را گرم، و استراتوسفر را خنک کند.
اندازه گیری‌های ماهواره‌ای نشان می‌دهند تروپوسفر (خط سبز) گرم شده و استراتوسفر (خط قرمز) سرد شده است. این الگوی گرمایش، با الگوی گرمایش حاصل از گازهای گلخانه‌ای تطابق داشته و با الگوی گرمایش حاصل از دلایل طبیعی ناسازگار می‌باشد.
در زمانی که انرژی خورشیدی در حالت حد اکثری‌اش می‌باشد استراتوسفر گرم‌تر می‌گردد چرا که لایه‌ی ازن اشعه‌ی فرابنفش را جذب می‌کند و هرچه اشعه‌ی فرابنفش بیشتر شود درجه‌ی حرارت بالاتر میرود. تخلیه‌ی ازن دلیل بخش عمده‌ی از خنک شدن استراتوسفر در دهه‌های اخیر است ولی دلیل کل آن نیست. افزایش کربن دی اکسید در تروپوسفر و استراتوسفر باعث خنک شدن استراتوسفر شده است.