För att förstå varför klimatet i Arktis ser ut som det gör, måste vi först ha lite kunskap om det globala klimatsystemet.
Energin från solen är den huvudsakliga motorn för klimatet på jorden. Energin som sänds ut från solen genom kortvågig strålning tas upp, absorberas, till viss del av jorden och atmosfären. När jordytan eller haven tar upp strålningen värms de upp och kan i sin tur värma upp luften ovanför. En del av energin sänds ut som strålning, men denna strålning är långvågig. Hur mycket solinstrålning som faller in mot jordytan beror på vilken breddgrad man befinner sig. Generellt så kommer det mest energi till områden kring ekvatorn och minst till polartrakterna, men skillnaden på den utsända strålningen (den långvågiga) är inte så stor mellan ekvatorn och polerna. Det innebär att det uppstår ett överskott av energi vid ekvatorn och underskott vid polerna, och därför är det kallare i polerna än i tropikerna. Om det inte fanns mekanismer som utjämnade denna ”orättvisa”, skulle polartrakterna bli kallare och kallare, medan tropikerna skulle bli allt varmare.
Atmosfären innehåller olika gaser, så kallade växthusgaser, som absorberar den långvågiga strålning som jorden sänder ut, vilket innebär att temperaturen höjs. De mest betydande växthusgaserna är vattenånga, koldioxid, metan och dikväveoxid. Men denna absorbering av långvågig strålning räcker inte för att jämna ut temperaturskillnaderna. Stor betydelse har transporten av värme genom atmosfären och i haven.
På lägre breddgrader, kring ekvatorn, sker det alltså en kraftig uppvärmning av jorden. Eftersom varm luft är lättare än kall så stiger den och transporteras mot polerna. Om jorden inte roterat skulle denna varma luft ta sig mot polerna, men eftersom jorden roterar så viker luften av och sjunker ner mot marken i de subtropiska områdena (runt 30°N och S, där man finner stora ökenområden). Härifrån sker en marknära återtransport av luft mot ekvatorn, den så kallade passadvinden, men även transport av varma luftmassor mot polerna. Vid polerna utbildas ofta högtryck, eftersom luften är kall och därmed tung, och ifrån dessa transporteras kalla luftmassor mot lägre breddgrader. Vid ”mellanbredderna” (ca 60°N och S) möts polära och subtropiska luftmassor och då uppkommer det lågtryck där kalla luftmassor skjutas mot lägre breddgrader och varma luftmassor mot polerna.
På samma sätt som atmosfärens cirkulation påverkar klimatet så gör havsströmmarna det. På liknande sätt som atmosfären ser haven till att transportera kallt vatten från polartrakterna mot lägre breddgrader, fast denna transport är oerhört mycket långsammare än den i atmosfären. Liksom kall luft sjunker kallt vatten vid polartrakterna och transporteras som djupvatten mot lägre breddgrader där det värms upp. Det varma vattnet, i sin tur, transporteras mot högre breddgrader som ytligt vatten, t ex Golfströmmen.
På grund av jordaxelns lutning så är det skillnad i solinstrålningen över året. På norra hemisfärens sommar så är instrålningen större än på vintern. Denna skillnad är tydlig när man korsar polcirkeln, där solen aldrig går ner/upp under delar av sommaren/vintern. Hur lång denna period är beror på breddgraden: ju närmare Nordpolen, desto längre är den. Allra extremast är det just på Nordpolen, där året egentligen kan delas in i en dag! Här går solen upp ungefär den 21 mars och går ner ungefär den 21 september osv.
Atmosfären påverkar
Allt liv är beroende av vatten, och vatten tillförs vanligen landekosystem via regn och snö. I Arktis är det dock inte bara nederbörd som styr förekomsten av vatten utan även den låga temperaturen har stor betydelse för växter och djurs vattenförsörjning. Ofta når temperaturen under 0°C, vilket leder till att vattnet fryser och blir otillgängligt. Trots detta kan liv spira. En film av flytande vatten kan finnas kvar i marken, vatten som kan föda de mikrobiella processerna ända ner till -39°C.
I Arktis faller huvuddelen av nederbörden som snö. Snön ligger sällan still en hel vinter utan förflyttas av vind och storm, och på så sätt omfördelas vattnet innan det vid snösmältningen blir tillgängligt för växter och markens mikroorganismer. Detta tillsammans med landskapets topografi skapar de förutsättningar som reglerar produktivitet hos vegetationen. I de områden där snö har ackumuleras i stora mängder, de så kallade snölegorna, kan omgivande miljöer få en stadig tillförsel av vatten långt in under vegetationsperioden. Eftersom snöfält kan ligga kvar även in på sommaren, kan renar och andra djur under varma dagar få en tillflyktsort och skydd mot insektsangrepp.
Nederbörd är dock inte alltid enbart av godo. Med regn och snö tillförs mark och vatten allehanda föroreningar. Framförallt snö är bra på att tvätta främmande ämnen ur atmosfären. När snön smälter fördelas föroreningarna över landskapet och kan drabba organismer över stora områden.
Växters tillväxt i Arktis är begränsad av främst tillgång på kväve. Kvävenedfall över de Arktiska områdena är 10-100 gånger lägre än i sydvästra Sverige. Kvävenedfallet varierar dock mellan olika Arktiska områden. Exempelvis är nedfallet i inre Alaska cirka ett gram kväve per kvadratmeter och år medan nordligaste Skandinavien har ett nedfall 0,1-0,5 gram kväve per kvadratmeter och år. Detta kan medföra att ekosystemen kan varierar mycket i hur de påverkas av klimatföreningar mellan olika platser även inom Arktis. Det innebär också att eventuella kvävenedfall över Arktis kan orsaka förändringar av växtligheten men även påverkar omsättningen av kol och därmed också påverka hela ekosystemets funktion och struktur.
Hastigheten med vilken den Arktiska isen växer i tjocklek beror på vilken temperatur man har på isytan. Generellt växer isen snabbare desto kallare det är på ytan. Temperaturen på isytan är starkt kontrollerad av egenskaperna i atmosfären. Vattenånga och andra växthusgaser absorberar värmestrålning vilket höjer atmosfärstemperaturen och gör att värmestrålningen ner mot isen ökar. Detta höjer i sin tur temperaturen på isytan jämfört med en torr och växthusgasfri atmosfär.
Moln har en stark inverkan eftersom de absorberar värmestrålning och reflekterar solstrålning. Nettoeffekten av moln skiljer sig dock mellan sommar och vinter. Under sommaren reflekterar molnen en stor del av solstrålningen direkt tillbaka till rymden och minskar smältningen av is. Vintertid har molnen en värmande effekt på atmosfären eftersom de absorberar värmestrålning och hindrar utstrålning till rymden vilket gör att isen växer långsammare.
Atmosfären spelar också en annan viktig roll för istäcket genom att stora mängder värme transporteras i atmosfären upp mot Arktis. Transporten sker till stor del genom att varma luftmassor strömmar norrut det vill säga in i Arktis, medan kalla luftmassor tenderar att strömma ut från Arktis. Den totala värmetransporten i atmosfären till Arktis motsvarar cirka 100 W/m2 om man sprider ut den jämnt över området norr om latituden 70 oN. Utan denna värmetransport skulle klimatet i Arktis vara väsentligt kallare och då speciellt på vintern när man inte får någon värme från solen. Utan värmetransport skulle temperaturen i atmosfären sjunka med cirka en grad per dygn under vintern. Istäckets tjocklek påverkas mycket starkt av den atmosfäriska värmetransporten. Med hjälp av modellberäkningar kan man visa att en ökning av atmosfäriska värmetransporten med 10 % minskar isens medeltjocklek med cirka 1 meter, samt att en minskning av värmetransporten med lika mycket ökar tjockleken med cirka 1 meter.
Nederbörden som främst kommer som snö i Arktis påverkar isens frys- och smältcykel. Under vintern isolerar snötäcket och hindrar värmeutstrålning från isens ytskikt. Värmeflödet upp genom isen hindras och isens tillväxt minskar. Innan isen kan börja smälta från ovansidan på sommaren måste snön smältas bort vilket fördröjer tidpunkten då isen börjar smälta till längre in på sommaren vilket minskar den totala mängden is som smälter.
Atmosfärens påverkan via vinden är av stor betydelse för istäcket. Vinden gör att isen är i ständig rörelse och omvandling. Det bildas isvallar i områden där istäcket pressas samman och råkar (öppna sprickor i isen) uppstår där isen dras isär. Under vintern i de öppna områdena bildas nyis som successivt växer sig tjockare. Resultatet av dessa processer är ett istäcke som består av många olika istyper av olika tjocklek och karaktär, och som är uppbrutet i flak av olika storlekar. Vinden driver också ut stora mängder is genom Framsundet och vidare ner längs Grönlands östkust. Denna export av is är en viktig kontrollerande faktor för den totala isvolymen inne i Arktiska oceanen.
Temperaturen i havets ytskikt styrs i hög grad av egenskaperna i atmosfären. Vattenånga och andra växthusgaser absorberar värmestrålning vilket höjer atmosfärstemperaturen och gör att värmestrålningen ner mot havet ökar. Detta höjer i sin tur temperaturen i havets ytskikt jämfört med en torr och växthusgasfri atmosfär.
Moln har en stark inverkan eftersom de absorberar värmestrålning och reflekterar solstrålning. Nettoeffekten av moln skiljer sig dock mellan sommar och vinter i Arktis. Under sommaren reflekterar molnen en stor del av solstrålningen direkt tillbaka till rymden och har en avkylande effekt på havet. Vintertid har molnen en värmande effekt eftersom de absorberar värmestrålning och hindrar utstrålning till rymden.
Nära havsytan finns speciella processer som gör att hav och atmosfär påverkar varandra. Om temperaturen i luften nära havsytan skiljer sig från temperaturen i havet sker en direkt överföring av värme, så kallat sensibelt värmeflöde. Detta höjer temperaturen i havsytan om luften är varmare och sänker temperaturen om luften är kallare. Om luftfuktigheten är under mättnadsvärdet (det vill säga den mängd vatten som luften kan bära under givna förhållanden) sker avdunstning av vattenånga från havet vilket kyler havets ytskikt. Det sensibla värmeflödet gör att atmosfären och havet är starkt kopplade vid havsytan vilket gör att temperaturskillnaden mellan hav och atmosfär nära havsytan är mycket liten under normala förhållanden, mindre än 1oC.
En annan direkt påverkan av atmosfären är vindens kraftverkan på havsytan. Vinden genererar vågor, blandar och driver havsströmmar. En stor del av strömmarna i Arktis är drivna av vinden vilket är speciellt tydligt i ytlagret som oftast rör sig i vindens riktning eller något till höger om vinden. Längre ner i djupvattnet är det ofta inte den lokala vinden som är direkt orsak till strömmen utan den samlade effekten av vindar över hela havsbassänger. En viktig effekt av vinden i Arktiska oceanen är att färskvattnet från floderna drivs och sprids ut över shelfen och in i de centrala delarna av bassängen. På så sätt upprätthålls ett ytlager med låg salthalt.
Atmosfären har också viktiga indirekta effekter på cirkulationen i Arktis. Salthalten i ytan i norra Stilla havet är väsentligt lägre än i Nordatlanten på grund av att stora mängder fukt transporteras i atmosfären över amerikanska kontinenten och sen regnar ner i norra Stilla havet. Den låga salthalten gör också att densiteten blir låg och att vattenytan står något högre i norra Stilla havet jämfört med Nordatlanten och Arktis. Denna vattenståndsskillnad är cirka en meter och utgör den viktigaste drivkraften för flödet av Stillahavsvatten genom Beringssund.