Núnings-hitalögmálið og þöglir jarðskjálftar

Eftir að hafa skoðað vísbendingarnar um uppruna jarðhitans, getum við nú komið auga á nýtt náttúrulögmál með hraun-núnings líkaninu:

Það eru margar breytur sem leggja sitt af mörkum til framleiðslu hrauns og næstum því allar þeirra tengjast annaðhvort beint eða óbeint þeim hita sem myndast með núningi.

Jarðskjálftar eru oft vísir á hreyfinu jarðar, þó ekki alltaf. Á síðustu árum hafa vísindamenn uppgötvað nýja og áður óþekkta tegund jarðskjálfta – þögla jarðskjálfta. Ekki hafði verið tekið eftir hægfara færslum í jarðskorpunni fyrr en nýlega:

Snemma í nóvember 2000 varð Havaíeyjan Big Island fyrir stærsta jarðskjálftanum á því svæði í rúman áratug. Í kringum 2.000 rúmkílómetrar af suðurhlíð eldfjallsins Kilauea skjögraðist í áttina að sjónum og leysti orkuhögg úr læðingi af stærðargráðunni 5,7. Hluti þessarar hreyfingar átti sér stað undir svæði þar sem þúsundir manns koma daglega við til þess að sjá eitt af tilkomumesta hraunflæði eyjunnar. En samt tók enginn eftir því þegar jarðskjálftinn reið yfir – ekki einu sinni jarðskjálftafræðingar.

Hvernig var hægt að yfirsjást slíkan athyglisverðan viðburð? Það hefur komið í ljós að titringur er ekki eðlislægur hluti allra jarðskjálfta. Viðburðurinn í Kilauea var ein af fyrstu ótvíræðu mælingum á hinum svokölluðu þöglum jarðskjálftum, tegund mikilla jarðhreyfinga sem voru óþekkt í vísindunum þar til fyrir aðeins fáeinum árum síðan. (The Threat of Silent Earthquakes, Peter Cervelli, Scientific American, mars 2004, bls. 87).

Rannsakendur hafa tekið eftir því að á rúmlega 36 klukkustunda tímabili færðist jarðvegurinn um 10 cm, sem mældist vegna nýrra og nákvæmari mælitækja. Uppgötvun þessara gríðarstóra þögla jarðskjálfta tryggir að vísindamenn verði að rannsaka „gamalgrónar kenningar um alla jarðskjálfta“ á ný:

Ef rannsóknir í framtíðinni leiða í ljós að þöglir jarðskjálftar séu algeng fyrirbæri flestra sprungna, þá munu vísindamenn neyðast til að endurskoða gamalgrónar kenningar um alla jarðskjálfta. Athuganir á mörgum mismunandi hröðum á færslum í sprungum er raunveruleg áskorun fyrir kenningasmiði sem reyna að útskýra ferli sprungna, til dæmis með grundvallar eðlisfræðilögmálum. Það er talið í dag að fjöldi og stærð mældra jarðskjálfta getur verið útskýrt með nokkuð einföldu núningslögmáli. (The Threat of Silent Earthquakes, Peter Cervelli, Scientific American, mars 2004, bls. 91).

Tenglsin á milli jarðskjálfta, núnings og hrauns eru skýrari vegna þess að hægfara, þöglir jarðskjálftar, sem orsakast af voldugum en þó hljóðlátum hreyfingum í jörðinni, framleiða gífurlegan hita með núningi. Þessar hljóðlátar hreyfingar eru afleiðingar þyngdaráhrifa frá öðrum himintunglum.

Hve mikið vita vísindin um núningshita sem myndast í sprungum?

Ef nútíma vísindi myndu viðurkenna möguleikann á að jarðskjálftar séu að valda, eða að minnsta kosti að stuðla að hraungosum, myndi maður ætla að til væru umtalsverðar rannsóknir á viðfangsefninu, og með slíkum rannsóknum myndi koma fram þekking á því hversu mikill núningshiti í raun myndast í sprungum á hreyfingu. Einnig, því meira sem jarðfræðingar vita um núningshita úr jarðskjálftavirkni, því minna myndu þeir hallast að því að hafna honum. Ótrúlega lítið ítarefni er til þegar skoðaðar eru faggreinar í tímaritum um núningshita í sprungum. Það var líkt og það hafi verið ‚ekki fara þangað‘ viðhorf – líkt og það hafi verið að segja að ‚við vitum að hitinn er til kominn vegna kviku‘ þannig að hvers vegna að leita annars staðar? En leit okkar leiddi okkur til þessarar greinar í Science frá 1998:

Möguleikinn á bráðnun vegna núnings í sprungum hefur verið lagður fram af nokkrum rannsakendum. (Frictional Melting During The Rupture Of The 1994 Bolivian Earthquake, Kanmori, Andersen & Heaton, Science, Vol. 279, 6. febrúar 1998, bls. 839).

Ef til vill var það langsótt á þeim tíma að leggja fram þá hugmynd að núningur gæti valdið bráðnun vegna örfárra mælinga sem teknar voru á hitamyndunum í sprungum. Eins og aðrir sérfræðingar á þessu sviði hafa sagt í eftirfarandi tilvitnun, þá vita þeir það hreinlega ekki:

Vandamálið með hitamyndun á yfirborðinu við sprungur hefur ekki verið leyst á fullnægjandi hátt. Það virðist líklegt úr fyrri umræðum að mismunandi sprungur gætu sýnt mismunandi hegðun hvað þetta varðar, ef til vill vegna mismikilla smurningu vegna þrýstings í holufylltum vökva. Þegar tækni byggð á tölulegum aðferðum verða betri og fleiri varmaflæðigögn fást í grennd við stórar sprungur, gæti þessari spurningu verið svarað. Hinsvegar er engin einföld lausn til í dag um það hve mikill núninghiti myndast í sprungum. (Crustal Heat Flow: a guide to measurement and modeling, G. R. Beardsmore, J. P. Cull, Cambridge University Press, 2001, bls. 41).

Þrátt fyrir að jarðfræðingar hafi viðurkennt að þeir vita ekki hversu mikill núningshiti myndast í sprungum, lýsa sumir því yfir að sprungur framleiða ekki nægilega mikinn hita til að mynda bráðið hraun:

Návist sprungna er hinsvegar aðeins ábyrg fyrir því að kvika geti komiægilega mikinn hita til að mynda bráðið hraun:st upp á yfirborðið, hún útskýrir ekki hvers vegna kvikan [innskotshraun] upprunalega myndast. (Mount Etna´s Ferocious Future, Tom Pfeiffer, Scientific American, apríl 2003, bls. 63).

Úr sömu grein í Science vitnað í hér að ofan, viðurkenna rannsakendur töluverða hitamyndun á meðan jarðskjálfti stóð yfir í Bólivíu árið 1994:

Orkumagn sem myndaðist í Bólivíu jarðskjálftanum var sambærilegt eða stærri en varmaorkan í eldgosinu í St. Helens fjallinu árið 1980 en hún var nægilega mikil til að bræða allt að 31 cm lag. (Frictional Melting During The Rupture Of The 1994 Bolivian Earthquake, Kanmori, Andersen & Heaton, Science, Vol. 279, 6. febrúar 1998, bls. 839).

Hið mikla eldgos í St. Helens fjallinu, sem sumir líkja við kjarnorkusprengingu, framleiddi gífurlegt magn af varmaorku, þannig að hvernig getur það verið að spurningar haldast óspurðar um hvernig hiti hefur áhrif á bráðnun á meðan jarðskjálftar eiga sér stað? Er þetta mikilvægur þáttur eða ekki? Hér er svarið úr sömu vísindagrein:

Þessar rannsóknir benda til þess að bráðnun vegna núnings geta átt sér stað ef spennan á sprungusvæðinu er nægilega mikil. Þrátt fyrir þessar rannsóknir, er bráðnum vegna núnings ekki almennt talin vera mikilvægt ferli í jarðskjálftum vegna óvissu í spennustigi.

Það er ótrúlegt að vísindamenn skuli hafa tekið eftir furðumiklu magni af hita sem myndaðist á sprungusvæðinu í jarðskjálftanum í Bólivíu þar sem þykkt bráðnunar var aðeins 3,7 mm:

Ef notuð er dýptin sem varminn smýgur um, Delta d = 3,7 mm, þarf staðbundið hitastig að hækka í stærðargráðuna 52.000°C. (Sama vísindagrein, bls. 840).

Það þarf aðeins 1.700°C til að bræða kísilsteina, þar á meðal kvars, og rannsakendurnir segja að þessi jarðskjálfti hafi myndað hita sem samsvarar rúm 30 sinnum hærra hitastig!

Í annarri vísindagrein, birt árið 2005, útskýrir greinarhöfundur:

Bráðin smurning getur útskýrt magn orku í stórum jarðskjálftum til að vera 10 til 100 sinnum meiri en í smærri jarðskjálftum. (Abstract, Evidence for melt Lubrication during large earthquakes, Geophysical Research Letters, VOL. 32, 5. apríl 2005).

Hann tók eftir því að með því að velta graníti undir þrýstingi, eykst hreyfinúningurinn í réttu hlutfalli við hitastig, þar til það nær markgildi sem samsvarar bræðslumark feldspats (~1150°C), mikilvægur efnisþáttur graníts. Ef hitastigið fer yfir mörkin:

… í náttúrulegum víxlgengum, sem er háð bergtegundinni, getur það leitt til bráðnunar vegna núnings. (Sama vísindagrein).

Jarðfræðingar horfa almennt á sprungur sem rás sem kvika notar til að komast upp á yfirborðið, en þeir eru tregir til að líta á þær sem hitauppsprettu sem getur framleitt bráðið hraun. Þegar hraun flæðir úr sprungum, endurtaka þeir þá ímyndun að sprungan væri beinlínis leiðin sem ‚kvikan‘ notar til að sleppa út. Jarðskjálftar eru tíðir án þess hraun myndast, sem leiðir til þess að sumir rannsakendur koma með þá staðhæfingu að engin bráðnun eigi sér stað vegna hreyfinga í sprungum. En eldgos eru sjaldan, ef nokkurn tímann, afleiðing eins meiriháttar jarðskjálfta, heldur frekar afleiðing jarðskjálftahrina, sem oft standa yfir í viku eða lengur í senn. Snögg losun orku undir álagi framkallar uppsprengingu í hitastigi og síðar eitthvað magn af afgangs hita, en það er langvarandi og stöðug hreyfing jarðskorpunnar sem geymir orku og framleiðir nægan núningshita til að bræða berg.

Að lokum langar mig að deila stuttu myndbandi um bráðnun hrauns vegna núnings, gerð í tilraunastofu.

Vísbendingin um jarðskjálftahrinur og hraun

Margir jarðskjálftar og mörg eldgos voru skoðuð til að svara spurningunni

Að sjálfsögðu framkalla ekki allir jarðskjálftar eldgos vegna þess að þeir standa venjulega stutt yfir. Jarðskjálftahrinur standa venjulega yfir í fleiri daga í einu og fylgja vanalega eldgosum. Vegna nýrrar tækni gátu John Benoit og Steve McNutt frá Háskólanum í Alaska, Jarðvísindastofnun í Fairbanks, rannsakað og greint hundruði jarðskjálftahrina og tengt þær við eldgos á rúmu 10 ára tímabili. Þetta þykir til þessa vera víðáttumesta rannsókn heimsins sinnar tegundar. Rannsóknin innihélt meira en 600 jarðskjálftahrinur víða um heim sem áttu sér stað á tímabilinu 1979 til 1989. Eftirfarandi mynd er skýringamynd jarðskjálftahrina og eldgosa, en hún sýnir niðurstöður þessarar rannsóknar.

Þeir flokkuðu virknina í þrjár gerðir af hrinum. Gerð 1 hrinu (sú algengasta) eru þær sem eru undanfarar eldvirkni, gerð 2 hrinu fylgdi eldvirkni og gerð 3 hrinu voru ekki í neinu sambandi við eldvirkni. Gerð 3 hrinu kom í 39% skipta fyrir en greinilega hafði jarðskjálftavirknin ekki nægan tíma til að framleiða nægilegt mikið magn af hrauni sem nauðsynlegt er fyrir eldgos, eða þeir áttu sér stað of djúpt í jörðu til að hraunið gæti komist upp á yfirborðið. Gerð 3 hrinu stóð yfir aðeins í 3,5 daga að meðallagi, á meðan gerð 1 hrinu stóð yfir í allt að 9 daga, næstum þrisvar sinnum lengur.

Skýringamynd jarðskjálftahrina og eldgosa hér að ofan sýnir hið sérstaka samband á milli jarðskjálftahrina og eldgosa. Takið eftir tímasetningunni á gerð 1 og 2 hrinu miðað við tímasetningu eldgosa.

Önnur þýðingarmikil tengsl er hægt að sjá í gerð 1b hrinu. Flestar jarðskjálftahrinur eru af þessari gerð og það er eina gerðin þar sem jarðskjálftar eiga sér stað rétt á undan eldgosinu. Þessi athugun leiðir okkur skrefi nær því að staðfesta það að jarðskjálftar orsaka hraungos.

Þegar tímar líða og með skráningu fleiri og fleiri eldgosa og með æ fleiri jarðskjálftagögn, halda upplýsingarnar áfram að styðja samband jarðskjálfta og hrauns. Að auki hafa rannsóknir á hitastigi og hitastigsbreytingum í sprungum og á sprungusvæðum gefið okkur gögn sem undirstrika tengslin á milli núningshita og jarðskjálfta. Ef kvika væri ábyrg fyrir jarðskjálftum, myndi hiti vegna aflögunar og kvikuinnskots myndast fyrir jarðskjálftann, ekki eftir. Eins og er, þá virðist lítil sem engin bein þekking vera til um hita og myndun hans í sprungum.

Tengsl á milli jarðskjálfta og hrauns

Svörum fyrst spurningunni „Hvað fylgir hraungosum alls staðar í heiminum?“

Í síðast liðnum október [2002] flúðu í kringum 1.000 Ítalir heimili sín eftir að Etna, fræga eldfjallið á Sikiley vaknaði til lífsins. Fljúgandi glóandi hraunmolar skutust rúma 500 metra upp í loftið og hraun flæddi hratt niður hlíðarnar norðaustan og sunnan megin. Gosinu fylgdi hundruðir jarðskjálftar sem mældust í allt að 4,3 á Richter kvarðanum. (Mount Etna´s Ferocious Future, Tom Pfeiffer, Scientific American, apríl 2003, bls. 60).

Þar sem eldgos eiga sér stað, þar eru jarðskjálftar en geta rannsakendur, þrátt fyrir yfirlýsingar USGS um að vísindamenn trúa því að flestir jarðskjálftar orsakast af „hægfara hreyfingum [kviku] innan í jörðinni“, sýnt að ‚fræðileg kvika‘ er orsök jarðskjálftanna? Þegar jarðskjálfti á sér stað, vitum við oft af honum bara vegna jarðskjálftamæla sem safna gögnum. Það sem mælarnir raunverulega mæla eru titringar, eða ‚hljóð‘, en rannsakendur hafa sagt:

Rannsóknir á jarðskjálftum hafa sýnt að stígandi kvika framleiðir örlítið hljóð og virðist hreyfast nokkuð greiðlega, án þess að verða fyrir meiri háttar hindrunum. (Mount Etna´s Ferocious Future, Tom Pfeiffer, Scientific American, apríl 2003, bls. 63).

Annars vegar eru hægfara hreyfingar kviku innan í jörðinni sögð vera orsök jarðskjálfta en hins vegar framleiðir stígandi kvika lítið hljóð og hreyfist nógu greiðlega að jarðskjálftamælar nemi hana ekki, e.t.v. að mjög litlu leyti. Þetta er þýðingarmikil en þó mótsagnarkennd yfirlýsing, sérstaklega þegar við könnum, hvor kom á undan eins og skráð var í eftirfarandi lýsingu á eldgosi í Mauna Loa á Havaí:

Eftir gos í fjallshlíðinni 1935 fylgdi rúm fjögurra ára hvíld. En árið 1939 og í byrjun árs 1940 bentu æ fleiri jarðskjálftar að þögli tíminn væri senn á enda. Klukkan 23:00 þann 7. apríl 1940 hófust gosskjálftar sem mældust á jarðskjálftamælum við eldfjallaathugunarstöðinni og kl. 23:30 sá fólkið í Kona appelsínugula bjarma goss á fjallstoppnum. (Volcanoes in the Sea, the Geology of Hawaii, Gordon A. Macdonald og Agatin T. Abbott, University of Hawaii Press, 1970, bls. 57).

Jarðskjálftar Mauna Loa gefa skýr dæmi um að jarðskjálftar eru undanfarar eldgosa. En eitt stakt dæmi svarar ekki jarðskjálfta-hraun spurningunni:

Valda jarðskjálftar eldsumbrotum?

Samkvæmt flestum vísindamönnum er „innri hitinn“ sem settur er í samband við kviku orsök jarðskjálfta. Frá heimasíðu USGS (Jarðfræðistofnun Bandaríkjanna) gátum við (ekki lengur tiltæk) lesið svarið við eftirfarandi spurningu:

Sp: Valda jarðskjálftar eldgosum?

Sv: Nei, það eru mismunandi ferli í jörðinni ábyrg fyrir eldgosum. Jarðskjálftar geta komið fyrir á svæði fyrir og eftir eldgos en einnig á meðan á því stendur, en þeir eru afleiðingar virkra krafta tengda eldgosum, en eru ekki orsök eldsumbrota.

Jarðskjálftar eru oft tengdir eldgosum, en eldfjallafræðingar álíta þá vera tákn um yfirvofandi eldsumbrot í virkum sem og í óvirkum eldfjöllum. Þó svo að nærri öll eldfjöll og hraunflæði eru tengd aragrúa af jarðskjálftum þegar þau eru virk, þá nær skyndileg skjálftavirkni í dvalandi eldfjöllum athygli vísindamanna og veldur hún viðvörun í nærliggjandi héruðum. Engu að síður hafa vísindamenn almennt ekki trúað því að jarðskjálftar valda eldsumbrotum.

Hvað telja vísindamenn að valdi eldgosum?

Frá sömu heimasíðu USGS svara vísindamenn þessari spurningu þannig:

Jarðvísindamenn trúa því að flestir jarðskjálftar eru orsakaðir að hægfara hreyfingum innan í jörðinni sem ýtir á móti stökkri og tiltölulega þunnri ytri skorpunni, sem veldur skyndilegu broti í bergi.

Vísindamenn „trúa“ að hægfara hreyfingar innan í jörðinni eru orsakaðar af hreyfingum flekanna:

Flekakenningin er útgangspunktur skilnings okkar á kröftum innan í jörðinni sem valda jarðskjálftum.

Flekakenningin segir að jarðskorpuhreyfing sé til vegna uppstreymis kviku, sem er ein hlið kvikuplánetulíkansins. Flekahreyfingar er mikilvægt viðfangsefni og munum við koma nánar að því síðar, en fyrst höldum við áfram að rannsaka hvernig jarðskjálftar og hraun eru tengd.

Hraun-núnings líkanið

Þegar við höfum gert okkur grein fyrir því að kvika djúpt í jörðu sé bara kenning og eftir að hafa gert þá stórfenglegu yfirlýsingu að hún sé ekki til, verðum við að svara spurningunni:

Hvaðan kemur hraunið?

Mig langar að kynna útlínurnar á hraun-núnings líkaninu sem inniheldur þrjá hluti: uppruna jarðhita (núnings-hitalögmálið), uppruna þeirra hreyfinga sem orsaka núning (þyngdarafls-núningslögmálið) og áhrif þessara tveggja lögmála. Til stuðnings þessa líkans, metum við þýðingu jarðskjálfta og hreyfingu jarðarinnar ásamt samhengi og samband þeirra við uppruna hrauns.

Til að skilja uppruna hrauns, þurfum við fyrst að leggja ákveðinn grunn þar sem við getum komið auga á vísbendingarnar en þá kemur nýr skilningur í ljós á ferlum sem hægt er að athuga. Byggt að hluta til á þeirri staðreynd að núningur framkallar hita, er nýja hraun-núnings líkanið grunnurinn að útskýringu á uppruna hrauns, bæði á innskotum og á storkubergi á yfirborðinu. Hraun-núnings líkanið samanstendur af þremur grundvallarreglum:

1. Hraun á uppruna sinn í núningshita (núnings-hitalögmálið) sem stafar af hreyfingu innan í jarðskorpunni.

2. Hreyfing jarðskorpunnar má rekja til áhrifa daglegra sveifla sólar og tungls (þyngdarafls-núningslögmálið).

3. Hið framleidda bráðnaða berg hreyfist eftir leiðum minnsta viðnáms, t.d. sprungum, sem leiðir til frekari bráðnun vegna þrýstingsfalls.

Sagt á einfaldan hátt, heildarhugmyndin inniheldur: uppruna hita í jarðskorpunni, uppruna hreyfinganna sem skapa hitann og sameiginlegar afleiðingar þessa beggja. Jarðvísindasamfélagið er enn að reyna að skilja hversu mikill núningshiti hreyfist um sprungurnar og þarf það að líta á núningshita sem uppsprettu eða uppruna þess hita sem framleiðir heitt hraun. Til að geta skilið hraun, þurfum við fyrst að skilja jarðskjálfta og uppruna þeirra hreyfinga sem valda jarðskjálftum, þar með talið hvernig stjarnfræðilegar lotur hafa áhrif á þessar hreyfingar. Með þessum skilningi munum við sjá að það er ákveðið samband á milli jarðskjálfta og hrauns.

Hitastig sjávar er lykillinn

Eitt sem veðurfræðingar hafa réttilega ályktað varðandi hnattræn veðurkerfi er að frávik frá venjulegu hitastigi sjávar ákveður hvenær, hvar og hvernig miklir stormar eins og El Niño munu gerast í heiminum.

HITASTIG SJÁVAR ER LYKILLINN

Besti mátinn til að komast að raun um hvort El Niño eða La Niña er í aðsigi, er að fylgjast með mynstri af hitastigi yfirborðs sjávar á hitabeltissvæði Kyrrahafsins. Á meðan öflugir El Niño stormar standa yfir, verður yfirborðshitastig sjávar óvenju hátt yfir miðbaugssvæði austurhluta Kyrrahafsins, einkum við strendur Perú. (Weather, A Visual Guide: Bruce Buckley, Edward J. Hopkins, Richard Whitaker, Firefly Books Ltd., 2004, bls. 276).

Á meðan hækkun og lækkun á yfirborðshitastigi Kyrrahafsins er lykilþáttur og vísir að þróun El Niño eða La Niña skilyrðum, stöndum við andspænis þessari grundvallar spurningu:

Hvernig hitnaði yfirborð sjávarins?

Fyrir nútíma veðurfræðing virðist svarið við þessari spurningu nægilega einfalt – það hitnaði vegna sólarinnar. En ef við lítum á það örlítið nánar, þá virkar það svar ekki. Hvernig gat sólin aðeins hitað hlýja El Niño sjóinn, sýnt í hvítu á Mynd 9.4.2 (hægra megin efst), en á sama tíma ekki hitað kaldara yfirborð sjávar La Niña sýnt í fjólubláu á sömu mynd? Svæðið við miðbaug fær jafn mikinn hita frá sólinni og skýjahulur samsvara ekki hituðu eða kældu svæðin.

Fyrsta vísbendingin um hvernig yfirborð sjávar hitnaði, kemur frá gervihnattarmælingum sem notaðar voru til að búa til myndina. Þessi mynd og sú síðasta eru ekki gefnar úr innrauðum eða hitamælingum, heldur eru búnar til með gögnum sem mæla hæð yfirborðs, miðað við þá venjulegu!

Ef við skoðum kvarðann neðst til vinstri á síðustu mynd (sjá hér), þá sjáum við að yfirborð sjávar breyttist úr –18 í +14 cm miðað við meðaltal (venjulegt), samtals sveifla upp á 32 cm. Hvað hefur hækkun í sjónum með hitastigið að gera? Það kemur í ljós að  kaldara vatn hefur lægri staðfræðilega hæð, á meðan hlýrra vatn en meðalgildi hefur hærra:

Þessi gervihnöttur [TOPEX/Poseidon] notar radar hæðamæli sem endurvarpar radarmerki frá yfirborð sjávar til að hljóta nákvæmar mælingar á fjarlægð milli gervihnattarins og yfirborðsins. Þessar upplýsingar eru notaðar saman með hárnákvæmum brautargögnum úr GPS gervihnatta til þess að búa til kort af yfirborðshæð sjávarins. Slík kort sýna staðfræði yfirborð sjávar. Staðbundnar hækkanir (‚hólar‘) benda til hlýrra vatns en að meðaltali, á meðan lækkanir (‚dalir‘) benda til kaldara vatns en að meðaltali. (The Atmosphere An Introduction to Meterology: Frederick K. Lutgens, Edward J. Tarbuck, Pearson Prentice Hall, 10. útg., 2007, bls. 228).

Hvers vegna ætti hæð sjávar að samsvara hitastigi? Eini kosturinn sem veðurfræðingar hafa er vindurinn, en haugur af hlýju vatni úr vindum sem blása í áttina að hitanum er ekki rökrétt, og er ekki stutt af gögnunum. Reyndar er hið öfuga tilfellið. Eins og kaflinn um uppruna veðurs afhjúpaði, þenst hitað loft út sem veldur vindstefnu frá háþrýstisvæðum. Hlýr sjór gerir það sama, háþrýstisvæði myndast í sjónum sem knýr vatnið upp á við og síðan í burtu. Rannsakendur tóku eftir því að vindar eru ekki endilega orsökin:

Það eru miklu fleiri vestanvindar sem geysa en fjöldi El Niño, þannig að það er klárt að þessir vestanvindar sem geysa, ræsa ekki alltaf El Niño storm. (The Oryx Resource Guide to El Niño and La Niña, Joseph S. D‘Aleo, Oryx Press, 2002, bls. 16).

Sjór þenst aðeins út í litlum mæli þegar það er hitað, en megin ástæðan fyrir því að hlýtt vatn sýnir sig í hækkuðu yfirborði er sjáanlegt á Mynd 9.4.2, neðst til hægri. Vaskjávarmar á sjávarbotni eru orsökin fyrir hituðu vatni og þegar vatn rís, eykur það hæðina á hlýju vatninu. Hitaður sjór blandast illa við kaldan sjó, þar af leiðandi þegar vatn hitnar, rís djúpur sjór (hann rís vegna lægri eðlismassa) upp á yfirborðið í strókum sem síðan ‚flýtur‘ á toppnum á kaldara umliggjandi vatninu, en þetta leiðir bæði til hækkunar á hitastigi og staðfræðilegri hækkunar. Þegar virknin í vaskjávarma fjarar út, flæðir kaldari vatn frá gosbrunnum á sjávarbotninum. Þetta innleiðir tímabil samdrátts sem lækkar yfirborðið og hitastigið. Þessi skilyrði benda til La Niña hringrásar.

Takið eftir að þessi texti í kennslubók í loftslagsfræði lýsir hvað gerist á meðan El Niño viðburður stendur yfir, en gefur enga útskýringu á því hvers vegna yfirborð sjávar rís:

Þegar suðræna sveiflan [El Niño] á sér stað, breytast venjulegar aðstæður sem útskýrðar voru stórkostlega. Loftþrýstingur rís í kringum Indónesíu, sem veldur því að þrýstingsstigullinn meðfram miðbaug veikist og snýst jafnvel við. Afleiðingin er sú, að það dregur úr vindum sem voru stöðugir og geta jafnvel breytt um stefnu. Þessi snúningur veldur meiriháttar breytingum í straumkerfum miðbaugsins, með hlýtt vatn sem flæðir í austurátt. Með tímanum vex hitastigið í vatninu í mið- og austurhluta Kyrrahafsins og hæð yfirborðsins á svæðinu rís. (The Atmosphere An Introduction to Meteorology: Frederick K. Lutgens, Edward J. Tarbuck, Pearson Prentice Hall, 10. útg., 2007, bls. 220-221).

Veðurfræðingar eru enn ófærir um að útskýra hvers vegna yfirborð sjávar rís vegna hitunar frá sólu. Enn fremur geta rannsakendur ekki útskýrt hvers vegna El Niño og La Niña viðburðir sem sýndir eru í mynd hér að neðan gerast eingöngu vegna hita frá sólinni. Þessir viðburðir gefa vit ef hægt er að koma auga á aðra hitauppsprettu. Beina sönnunin um hina síðari hitauppsprettu – vaskjávarmanar – kemur úr djúpsjávarrannsóknum sem staðfesti tengsl milli jarðskjálfta og hitaðs vatns.

Veðurspá El Niño og La Niña

Árið 1997, á meðan stærsti El Niño sögunnar stóð yfir, vann Michael Glantz fyrir National Center for Atmospheric Research (Þjóðarmiðstöð loftslagsrannsókna). Hann tók eftir hve lítið var vitað á þeim tíma:

Ósamræmið milli þess sem við höldum að við vitum um El Niño og hvað hægt er að vita er væntanlega enn nokkuð stórt. (Is it El Niño of the Century?, J. Madeleine Nash, Time, 18. Ágúst 1997, bls. 57).

Fjórum árum síðar voru gögnin sem mátu spár tölvulíkans úr El Niño viðburðinum 1997 komin inn. Glantz segir frá eftirfarandi í bók sinni Currents of Change, Impacts of El Niño and La Niña on Climate and Society (Cambridge University Press, 2001):

Áhugavert að þetta hafi verið mesta áhorf allra tíma á El Niño, með rannsakendur og veðurfræðinga að spá, sem notuðu öll tiltæk hjálpargögn til að ákvarða ástand Kyrrahafsins nokkrum mánuðum fram í tímann: gervihnetti, baujur, skipakosti og tölvulíkön. Hins vegar héldu flestir athugendur aftur sínum spám þangað til yfirborðshitastigið tók að hækka mælanlega. Þetta var að hluta til vegna staðreyndarinnar að hið leiðandi líkan (sumir segja flaggskip) fyrir El Niño spáði að sterkur og kaldur viðburður (La Niña) myndi eiga sér stað árið 1997. Það var brátt uppgötvað að þetta líkan hafði rangt fyrir sér og að sjórinn var raunverulega að hita sig, og stefndi fljótlega í meiriháttar El Niño viðburð.

Það virtist vera að El Niño viðburðir héldu áfram að koma rannsakendum á óvart. Um leið og viðburður líður hjá, greina rannsakendur hvað gerðist og hvers vegna, til þess að finna ástæðuna fyrir því að hafa spáð rangt. Síðan gera þeir viðeigandi endurbætur og trúa að þeir hafa svo gott sem leyst El Niño gátuna. Sumir koma með afsakanir fyrir röngum spám sínum. Enn aðrir grípa til spunalækninga, það er að kynna rangar spár sínar eins og hafa haft einhvern veginn rétt fyrir sér.

Glantz og aðrir óháðir rannsakendur viðurkenndu að ekkert líkan spáði fyrir um styrk El Niño viðburðarins áður en hann gerðist:

Ekkert líkan spáði fyrir um styrk El Niño 1997-98 þar til hann var á góðri leið með að verða mjög sterkur á norðurhvelinu síðla vors 1997.

Þessi játning er tákn um afhjúpun myrku tíma vísindanna á 20. öldinni. Þrátt fyrir að hafa eytt miklum upphæðum í rannsóknarsjóði, tækniframförum og þúsundum rannsóknartíma, voru haffræðingar ekki færir um að spá fyrir um hvenær eða í hve miklu magni þessi hnattrænu veðurskilyrði myndu eiga sér stað, einfaldlega vegna þess að vísdómurinn um hvers vegna þeir eiga sér stað hélst óuppgötvaður. Þetta hins vegar hélt ekki suma aftur til að blekkja almenninginn með því að fullyrða að líkönin sín „náðu þessu loksins rétt“, eins og Glantz heldur áfram:

Á sama tíma og framfarir halda áfram að gerast í athugunum, líkanagerð og forspám á mismunandi þáttum El Niño, sýndu endurskoðun okkar að framfarir í að spá fyrir um upphaf El Niño hafa ekki verið eins góðar eins og vísindablaðamaðurinn Kerr (1988) og fréttir (NSF, 1998) hafa greint frá. Vafasamar yfirlýsingar um velgengni eins og ‚Stóru líkönin náðu þessu loksins rétt‘ og ‚El Niño og veðurfar er einfaldara að spá fyrir um en menn héldu‘, blekktu almenning og löggjafarmenn um ástand vísindanna og hefur mjög líklega hámarkað væntingar um betri spár fyrir næsta El Niño. Hinn eftirsótti hágæða árangur í spám hefur enn ekki verið náð. Yfirlýsingar sem lofsyngja árangur í spám hafa einnig þá tilhneigingu að koma almenningi, fjölmiðlum, ábyrgðarmönnum og jafnvel El Niño rannsakendum á óvart í næsta viðburð, enda hafa þeir verið sannfærðir af undanförnum fyrirsögnum frétta um að geta vísindasamfélagsins til að spá fyrir um upphaf El Niño hafi tekið miklum framförum.

Að blekkja almenning í málefnum vísindanna eru ekki sjaldgæf atvik hjá nútíma vísindum. Eitt af vandamálunum sem almenningurinn hefur, er að hvergi er hægt að fara til þess að ákvarða hinn raunverulega sannleika á allflestum vísindalegum málaflokkum. Þetta er einmitt megin markmið Universal Model, að leyfa opnu aðgengi að vísindalegum rannsóknum og gögnum til skoðunar og umræðu almennings. Universal Model mun innleiða algerlega ný svið vísindanna, þar sem hundruðir nýrra vísindalegra uppgötvana munu leyfa almenningi til að taka meiri þátt í vísindunum, og þar sem notkunin á allsherjar vísindalegum aðferðum (USM) og fullt gegnsæi mun vera normið. Þetta mun efla ábyrgðarskyldu í öllum rannsóknarverkefnum sem eru kostuð af hinu opinbera.

Veðursilyrði El Niño og La Niña

El Niño og La Niña veðurkerfin samanstanda af lotubundnum sveiflum á hitastigi og hæð yfirborðs sjávar sem eiga uppruna sinn í hitabelti austurhluta Kyrrahafsins. Myndin hér að neðan inniheldur tvær NASA gervihnattarmyndir af jörðinni sem sýna Kyrrahafið á meðan El Niño og La Niña stóðu yfir árin 1997 og 1999. Skilyrði El Niño olli flóðum, þurrkum og öðrum víðáttumiklum veðurtruflunum víða um heim.

Í grein í Time tímaritinu undir heitinu Is it El Niño of the century? voru viðburðirnir frá 18. ágúst 1997 skrásettir eins og þeir gerðust:

El Niño er venjulega í hámarki í kringum desember, sem er ástæðan fyrir því að sjómenn í Perú gáfu aðkomuveðrinu á aðventunni nafn sem þýðir á spænsku ‚Kristbarn‘. Ef hlýnunin heldur áfram, segja vísindamenn, gæti El Niño á byrjunarstigi dælt svo miklum hita í hafið að meðalhiti yfirborðs sjávar gæti hækkað um 3,5°C – og ef það gerist, myndu áhrifin vera gætt langt inn í nýja árið. Hamfarirnar sem myndu fylgja væru m.a. aurskriður, flóðbylgjur, miklir vindar og uppskerubrestir. (Is it El Niño of the century?, J. Madeleine Nash, Time, 18. ágúst 1997, bls. 56).

Íbúar Perú er mjög vitaðir um hversu mikið El Niño getur breytt lífi þeirra, en restinn af heiminum byrjaði að taka eftir þessu fyrir nokkrum áratugum síðan. Samantekt af viðburðunum sem spáð var um árið 1997 var birt í nóvember 1998 útgáfunni af Reader´s Digest:

Á hringrás síðasta tímabils hækkaði hitastig á yfirborði sjávar vesturstrandar Suður-Ameríku úr venjulegum [23°C] í [30°C]. Þetta gríðarlega stóra svæði volgs vatns, tvöfalt flatarmál Bandaríkjanna, víxlverkaði við andrúmsloftið sem myndaði storma og færði hávinda úr stað.

El Niño færði regn sem flæddi annars þurr strandsvæði Ekvadors, Chile og Perú. Á sama tíma geysuðu sterkir vindar í Ástralíu og Indónesíu.

Eldar hafa eyðilagt fimm milljónir ekrur af skógum Indónesíu. Sterku vindarnir, ásamt efnahagskreppu, hafa skilið um fimm milljónir Indónesíubúa eftir með brýna þörf fyrir matvæli og drykkjarvatni. Þessar aðstæður hjálpuðu við að leggja grunninn að óeirðum sem leiddu til endaloka á stjórnartíð Suharto.

Nær heimaslóðum: það rigndi meira en 750 mm í Los Angeles frá 1. júlí 1997 til og með 30. júní 1998 – tvöfalt venjulegs magns. San Fransisco mældi rúm 1200 mm úrkomu, næstum 27 sinnum meira en venjulega. Miklar úrkomur gjöreyddu uppskerur á mörgum svæðum Kaliforníu.

El Niño var einnig ábyrgt fyrir miklum vindum og hita í Texas sem hækkaði hitatigið í bænum College Station í yfir 38°C í 30 daga í röð sl. sumar, sem var met. Hitabylgjan kostaði 125 mannslíf í ríkinu. Á meðan Flórída upplifði vætusamari vetur en ella, breyttist blómlegur gróðurinn í þurran brennivið á óvenju heita og þurra sumrinu, og kynti undir gróðureldum sem herjuðu á ríkið. (Here Comes More Weird Weather, Per Ola, Emily dAulaire, Reader´s Digest, nóvember 1998, bls. 139).

Með slíka truflun á athöfnum mannsins er skilningurinn á orsökum og breytingum á þessum hnattrænum veðurkerfum bráðnauðsynlegur! Á meðan El Niño setur venjulegt hnattrænt veður algerlega á hvolf, ýkir La Niña almennt venjuleg veðurskilyrði. En geta veðurfræðingar spáð fyrir um þessi hnattrænu veðurkerfi?

Vísbendingin um mjóa hæðarhryggi

Ef hæðir myndast með jarðföllum og vaskjávarma, getum við átt von á að hæðir myndast oft mjóar í laginu vegna þess að jarðskjálftar koma fyrst og fremst fyrir á ílöngum sprungusvæðum. Þar sem margar sprungur eru reyndar samsíða fjallgörðum, virðast hæðirnar sjálfar vera eins og „hæðarhryggir“ í laginu. Í grein frá 2005 undir heitinu Weather‘s Highs and Lows: Part 1 The High (sjá hér), útskýrir Keith C Heidorn einmitt slíkt fyrirbæri:

Ef formið er skoðað, eru flestar hæðir almennt sporöskjulaga og oft stórar og flatmaga. En þegar þær víxlverka við aðra loftmassa og önnur svæði, og eru aflagaðar af kröftum í háloftunum, verða hæðirnar oft langar og mjóar í laginu. Þegar þær eru teiknaðar á veðurkortum, líkjast þessar ílangar þrýstilínur fjallgarða á landakortum. Veðurfræðingar vísa þess vegna í þær sem hæðarhryggi eða einfaldlega hryggi.

Þessi athugun útvegar þýðingamikið stykki úr púsluspili hæða. Háþrýstisvæði eru „flestar almennt sporöskjulaga“ og eru „langar og mjóar“. Þetta er í samræmi við virk og mjó jarðskjálftasvæði sem búast má við að mynda háþrýstikerfi. Þetta er enn ein vísbending um vaskjávarma uppruna á háþrýstisvæðum og það sýnir einnig að háþrýstikerfi eru ekki veðurkerfi sem myndast af handahófi með ‚þyngd loftsúlu‘. Eins og við sjáum hér, og í næstu færslum, þá eru hæðir í eðli sínu lotubundnar sem myndast oft á sömu slóðum.