إن التباين الطبيعي وتقلبات المناخ في النظام المناخي لطالما كانت جزءًا من تاريخ الأرض، ولفهم تغير المناخ بشكل كامل يجب تحديد أسبابه أولاً، حيث أن مناخ الأرض يتأثر ويتغير من خلال أسباب طبيعية مثل الانفجارات البركانية وتيارات المحيطات والتغيرات المدارية للأرض والتغيرات الشمسية والتغيرات الداخلية.
تغير المناخ الطبيعي
للتغير المناخي أسباب عدة، منها الأسباب البشرية والتي هي بفعل العوامل البشرية، ومنها أسباب طبيعية ليس للبشر أي تدخل بها ومن هذه الأسباب:
الانفجارات البركانية
إن التأثير الرئيسي للبراكين على المناخ هو التبريد على المدى القصير، حيث تضخ الانفجارات البركانية سحبًا من الغبار والرماد، مما يحجب بعض أشعة الشمس، ونظرًا لأن جزيئات الرماد ثقيلة نسبيًا، فإنها ستسقط على الأرض في غضون ثلاثة أشهر تقريبًا، وبالتالي تبرد.
إن هذا التأثير يكون قصير العمر، لكن الحطام البركاني يشمل أيضًا ثاني أكسيد الكبريت فعندما يتحد هذا الغاز مع بخار الماء والغبار في الغلاف الجوي يتشكل الضباب الجوي الكبريتات، والتي تعكس ضوء الشمس بعيدًا عن سطح الأرض. هذا الضباب الجوي أخف من جزيئات الرماد، حيث يمكن أن تبقى في الغلاف الجوي لمدة عام أو أكثر.
كما يكمن تأثيرها بالتبريد للاحترار الناجم عن الغازات الدفيئة البركانية فقد تسبب ثوران جبل بيناتوبو في عام 1991 في انخفاض درجة الحرارة العالمية بمقدار 0.5 درجة مئوية. كما إن الانفجارات البركانية تقذف الحمم البركانية ورماد ثاني أكسيد الكربون (CO2) والجزيئات على الرغم من أن ثاني أكسيد الكربون له تأثير الاحترار، فإن متوسط انبعاثات ثاني أكسيد الكربون البركاني أقل من 1٪ من الانبعاثات من الأنشطة البشرية الحالية.
فمن الممكن أن تؤثر الأحجام الكبيرة من الغازات والرماد على الأنماط المناخية لسنوات عن طريق زيادة الانعكاسية الكوكبية، مما يجعله السبب الرئيس في تبريد الغلاف الجوي.
تيارات المحيطات
تعد المحيطات مكونًا رئيسيًا لنظام المناخ، فالتيارات المحيطية توجد على سطح المحيط وفي المياه العميقة التي تقل عن 300 متر (984 قدمًا)، حيث أن هذه التيارات يمكنها نقل المياه أفقيًا وعموديًا وتحدث على المستويين المحلي والعالمي. إن المحيط يحتوي على تيار مترابط، أو نظام دائري مدعوم بالرياح والمد والجزر ودوران الأرض (تأثير كوريوليس) والشمس (الطاقة الشمسية) واختلافات كثافة المياه. إن أشكال وتضاريس أحواض المحيطات وكتل اليابسة المجاورة تؤثر أيضًا على التيارات المحيطية.
إن تيارات أعماق المحيطات مدفوعة بالكثافة وتختلف عن التيارات السطحية من حيث الحجم والسرعة والطاقة، وهناك العديد من العوامل التي لها دور كبير في التأثير بكثافة الماء وبدرجة الحرارة والملوحة وعمق المياه، فكلما كانت مياه المحيط أكثر برودة وملوحة، كانت أكثر كثافة وكلما زادت الكثافة بين الطبقات المختلفة في عمود الماء، كلما زاد الاختلاط والدوران، حيث تساهم اختلافات الكثافة في مياه المحيطات في نظام دوران على نطاق عالمي، يُطلق عليه أيضًا حزام النقل العالمي.
إن حزام النقل العالمي يشمل كلاً من التيارات السطحية والعميقة للمحيطات التي تدور حول العالم في دورة مدتها 1000 عام. وينتج هذا الدوران عن عمليتين متزامنتين: التيارات السطحية الدافئة التي تحمل مياهًا أقل كثافة بعيدًا عن خط الاستواء باتجاه القطبين، وتيارات المحيطات الباردة العميقة التي تحمل المياه الأكثر كثافة بعيدًا عن القطبين باتجاه خط الاستواء. إن نظام الدوران العالمي للمحيطات يلعب دورًا رئيسيًا في توزيع الطاقة الحرارية وتنظيم الطقس والمناخ وركوب المغذيات والغازات الحيوية.
التغيرات في مدار الأرض
إن التحولات والتذبذبات في مدار الأرض من الممكن أن تؤدي إلى تغيرات في المناخ مثل بداية العصور الجليدية ونهايتها، حيث انتهى العصر الجليدي الأخير منذ حوالي 12000 عام، وقد تبدأ دورة التبريد التالية في غضون 30000 عام تقريبًا.
لكن التغيرات المدارية تظهر على شكل تغييرات تدريجية لدرجة أنها ملحوظة فقط على مدى آلاف السنين، وليس عقودًا أو قرونًا. حيث تصنع الأرض مدارًا كاملاً حول الشمس كل عام، وهذا المدار مائل بزاوية 23.5 درجة على المستوى العمودي لمساره المداري.
إن التغييرات في ميل الأرض من الممكن أن تؤدي إلى تغيرات صغيرة ولكنها مهمة من الناحية المناخية في قوة الفصول، والمزيد من الميل يعني صيفًا أكثر دفئًا وشتاءً أكثر برودة، يعني الميل الأقل صيفًا أكثر برودة وشتاءً أكثر اعتدالًا.
إن حدوث مثل هذه التغييرات البطيئة في مدار الأرض يؤدي إلى تغييرات صغيرة ولكنها مهمة من الناحية المناخية في قوة الفصول على مدى عشرات الآلاف من السنين، حيث إن ما يسمى بالعصور الجليدية ينتج من ردود الفعل المناخية التي تعمل على تضخيم أبسط التغييرات الصغيرة.
الاختلافات الشمسية
تعتبر الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة لنظام المناخ الأرضي، وعلى الرغم من أن إنتاج طاقة الشمس يبدو ثابتًا من وجهة النظر اليومية، إلا أن التغييرات الصغيرة على مدى فترة زمنية طويلة يمكن أن تؤدي إلى تغيرات مناخية، وكما يعتقد بعض العلماء أن جزءًا من الاحترار في النصف الأول من القرن العشرين كان بسبب زيادة في إنتاج الطاقة الشمسية؛ وهذا نظرًا لأن الشمس هي المصدر الأساسي للطاقة التي تلعب دورًا أساسيًا في النظام المناخي.
فمن المنطقي افتراض أن التغيرات في ناتج طاقة الشمس ستؤدي إلى تغير المناخ، حيث أظهرت الدراسات العلمية أن الاختلافات الشمسية لعبت دورًا في تغيرات المناخ السابقة. على سبيل المثال كان يُعتقد أن انخفاض النشاط الشمسي أدى إلى ظهور العصر الجليدي الصغير بين عامي 1650 و 1850 تقريبًا.
فقد أدى انقطاع الجليد إلى حد كبير عن جرينلاند من عام 1410 إلى عشرينيات القرن الثامن عشر إلى تقدم الأنهار الجليدية في جبال الألب، ومع ذلك لا يمكن تفسير الاحترار العالمي الحالي بالاختلافات الشمسية.
منذ عام 1750 فقد ظل متوسط كمية الطاقة القادمة من الشمس ثابتًا أو زاد قليلاً، فإذا كان الاحتباس الحراري ناتجًا عن شمس أكثر نشاطًا، فإن العلماء يتوقعون رؤية درجات حرارة أكثر دفئًا في جميع طبقات الغلاف الجوي، ولكنهم لاحظوا فقط التبريد في الجزء العلوي الغلاف الجوي، مما سبب ارتفاعاً في درجة حرارة السطح.
وفي الأجزاء السفلية من الغلاف الجوي، وهذا كله بسبب غازات الدفيئة التي تلتقط الحرارة في الغلاف الجوي السفلي. بينت النماذج المناخية التي تتضمن تغييرات الإشعاع الشمسي أنه لا يمكنها إعادة إنتاج اتجاه درجات الحرارة الملحوظ في القرن الماضي دون تضمين ارتفاع في غازات الاحتباس الحراري.
التقلبية الداخلية
إن بعض التغيرات في المناخ ليس لها دوافع خارجية وبدلاً من ذلك تحدث هذه التغييرات بسبب التفاعلات داخل النظام المناخي نفسه، والتي غالبًا ما تنطوي على ردود فعل إيجابية.
أحد الأمثلة على ذلك هي (El Niño-Southern Oscillation) دورة النينيو والنينيا، والتي يمكن أن تسبب احترار وتبريد مؤقت كما تؤثر كلتا الظاهرتين على أنماط دوران الغلاف الجوي وتؤثران على المناخ العالمي، فظاهرة النينيو تؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة العالمية، بينما تعمل النينيا على خفضها. هذه الدورة تكرر نفسها في نطاق زمني يبلغ حوالي خمس سنوات لكن هذه التغييرات قصيرة الأجل لا تدوم سوى بضع سنوات.
مثال آخر على التباين الداخلي هو (AO) التذبذب في القطب الشمالي والذي يرتبط بتغير أنماط ضغط الهواء في نصف الكرة الشمالي فهذه الظاهرة تجلب طقسًا أكثر دفئًا إلى أجزاء من أوروبا وأمريكا الشمالية، مما يجعل القطب الشمالي أبرد من المعتاد. وأما المرحلة الأخرى من AO فتجلب الظروف المعاكسة، مما يؤدي إلى دفء أكثر من المعتاد في القطب الشمالي والطقس الأكثر برودة في المناطق شبه القطبية. إن هذا التأثير المتأرجح يسبب تأثير ضئيل على درجات الحرارة العالمية في منطقة AO، ولكن من الممكن أن تؤثر بشكل كبير على الطقس المحلي والإقليمي.
وفي نهاية ذلك tإن العديد من العوامل الطبيعية تؤثر على المناخ، بما في ذلك التغيرات في ناتج الشمس أو مدار الأرض، والانفجارات البركانية الكبيرة والتغيرات الداخلية مثل ظاهرة النينيو. يقيس العلماء هذه التأثيرات، ولكن لا أحد يستطيع تفسير الاتجاه الملحوظ منذ عام 1970. فمن خلال تضمين تأثيرات انبعاثات غازات الاحتباس الحراري البشرية قد تمكن للعلماء فقط من تفسير الاحترار العالمي الأخير.
