Климатическое изменение Земли

     Содержание 

1. Климатическая система Земли

2. Причины изменения климата

3. Главные наблюдаемые изменения

4. Будущий климат

Список  используемой литературы  

      1. Климатическая  система Земли 

     Параметры климатической системы. Климатическая система Земли охватывает атмосферу, океан, сушу, криосферу (лед и снег) и биосферу. Эта комплексная система описывается рядом параметров, часть из них очевидна: температура, атмосферные осадки, влажность воздуха и почв, состояние снежного и ледового покрова, уровень моря. Также климатическая система описывается и более сложными характеристиками: динамикой крупномасштабной циркуляции атмосферы и океана, частотой и силой экстремальных метеорологических явлений, границами среды обитания растений и животных. Часто при малой изменчивости “простых” параметров происходят значительные изменения “сложных”, что в основном и означает изменение климата.

     Связи между компонентами климатической системы. Глобальные климатические, биологические, геологические и химические процессы и природные экосистемы тесно связаны между собой. Изменения в одном из процессов могут сказаться на других, причем вторичные эффекты могут по силе превосходить первичные. Позитивные для жизни человека изменения в одной из сфер могут перекрываться вызванными ими вторичными изменениями, пагубными для жизни людей, животных и растений. Газы и аэрозольные частицы, которые человечество выбрасывает в атмосферу с начала промышленной революции, изменяют не только состав атмосферы, но и энергетический баланс. Это, в свою очередь, влияет на взаимодействие между атмосферой и океаном – главный генератор экстремальных погодных явлений. Океан занимает большую часть планеты, и именно течения и циркуляция вод определяют климат многих густонаселенных регионов мира. Потенциально очень опасно изменение циркуляции океанских вод, например, Гольфстрима, под действием глобального изменения климата.

     Механизмы обратной связи. Между компонентами климатической системы часто имеется обратная связь, - усиление вторичного эффекта вызывает и усиление первичного и т.д. В этом случае изменения нарастают со все большей скоростью. Например, сокращение снежного покрова из-за повышения температуры уменьшает альбедо - отражение солнечной радиации обратно в атмосферу - и повышает количество энергии поглощенной Землей, а это, в свою очередь, повышает температуру и ведет к еще более активному таянию снега и льдов. Это пример положительной обратной связи. В климатической системе имеются и отрицательные обратные связи. Например, усиление облачности, вызванное более интенсивным испарением при больших температурах, уменьшает интенсивность солнечной радиации, и, в конечном счете, снижает температуру у поверхности земли.

     Парниковый  эффект. Парниковый эффект – вопрос не новый. Еще в 1827 году французский ученый Фурье дал его теоретическое обоснование: атмосфера пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает отраженное Землей длинноволновое тепловое излучение. В конце XIX века шведский ученый Аррениус пришел к выводу, что из-за сжигания угля изменяется концентрация СО2 в атмосфере, и это должно привести к потеплению климата. В 1957 г. – Международный Геофизический Год - наблюдения уже показывали, что идет значительный рост концентрации СО2 в атмосфере. Российский ученый Михаил Будыко сделал первые численные расчеты и предсказал сильные изменения климата.

     Парниковый  эффект вызывается водяным паром, углекислым газом, метаном, закисью азота и  рядом других газов, концентрация, которых  в атмосфере незначительна. Конечно  парниковых эффект существовал с  тех пор, как у Земли появилась  атмосфера. Другое дело - усиление парникового  эффекта из-за того, что человечество стало сжигать ископаемое углеводородное топливо и выбрасывать СО2, миллионы лет изымавшийся из атмосферы  растениями и “хранившийся” в  виде угля, нефти и газа. Но дело даже не столько собственно в потеплении, сколько в разбалансировке климатической  системы. Резкий выброс СО2 – своего рода химический толчок климатической системе. Средняя температура по планете от этого изменяется не сильно, а вот ее колебания становятся гораздо сильнее. Что мы и видим на практике - резкое усиление частоты и силы экстремальных погодных явлений: наводнений, засух, сильной жары, резких перепадов погоды, тайфунов и т.п. 

     Рис.1. Схема парникового эффекта 

     Эволюция  глобального климата. Климат Земле никогда не был неизменным. Он подвержен колебаниям во всех временных масштабах - от десятилетий до миллионов лет. К числу наиболее заметных колебаний относится цикл порядка ста тысяч лет – ледниковые периоды, когда климат Земли был в основном холоднее по сравнению с настоящим, и межледниковые периоды, когда климат был теплее. Эти циклы вызывались естественными причинами. По мнению ряда ученых и сейчас мы находимся в “движении” от одного ледникового периода к другому, но скорость изменений очень мала – порядка 0,020С за 100 лет. Другое дело, что с начала промышленной революции изменение климата происходит ускоренными темпами (по порядку величины в 100 раз быстрее, чем движение к ледниковому периоду) и во многом в результате деятельности человека, выбрасывающего в атмосферу парниковые газы при сжигании ископаемого топлива, а также уничтожившего большую часть лесов планеты.

     Климат  прошлого. Многочисленные исследования показали, что во многих местах, например, в Сахаре был влажный климат и богатая растительность. Палеоклиматические данные, основанные на кернах льда, кольцах деревьев, озерных донных отложениях, коралловых рифах, позволяют реконструировать климат прошлого. Много миллионов лет назад, во времена динозавров климат был намного теплее, в среднем на 70С по планете в целом. Затем климат постепенно становился холоднее, причем в истории Земли было немало резких изменений (в основном похолоданий), когда наблюдалось массовое вымирание живых организмов. Есть и еще один важный вывод: изменение температуры Земли на 20С - это много, это уже приводит к массовому вымиранию видов. При этом в палеоклиматической шкале “резко” означает десятки и сотни тысяч лет, когда же “резко” означает сотни лет, последствия могут быть катастрофическими.

     Климатические изменения последних  тысячелетий. С момента последнего отступления ледников из Центральной Европы наблюдались два этапа поразительно быстрого естественного потепления. Первое произошло примерно 15 тысяч лет тому назад в конце последнего ледникового периода, второе -- примерно 3000 лет назад. В целом за последние 10 тысяч лет средняя глобальная температура немного уменьшилась из-за активной вулканической деятельности и других естественных причин, после чего она резко повысилась в ХХ веке.

     Потепления  или похолодания на 20С за последние  несколько тысяч лет не было ни разу. Естественная изменчивость не превышала 1,50С. В средневековый теплый период (примерно 1000 лет назад, можно вспомнить, что именно тогда было открыта  Гренландия, названная викингами  Зеленой землей) было существенно  теплее, чем сейчас, но тогда не было предпосылок дальнейшего усиления эффекта изменения климата. В  течение нескольких тысяч лет  до 1850-х гг. объем парниковых газов  в атмосфере был относительно стабилен, после чего начался резкий рост концентрации СО2. Если эта тенденция  сохранится, то прогнозируется дальнейшее изменение климата, причем неравномерное  по земному шару.

     Особенно  сильные изменения сейчас идут в  континентальных районах высоких  и умеренных широт, в то время  как есть районы где температура  понизилась. В целом по Земному  шару потепление достигло 0,60С, что уже  немало, ведь это примерно 1/3 пути до очень серьезных экологических  потерь. 

     2. Причины изменения  климата 

     Естественные  причины. Естественные факторы изменения климата включают смещение орбиты и угла наклона Земли (относительно положения ее оси), изменение солнечной активности, вулканические извержения и изменение количества атмосферных аэрозолей (твердых взвешенных частиц) естественного происхождения. Оценка вклада различных факторов в радиационное воздействие (прогрев атмосферы) показывает, что по сравнению с 1750 г. к 2000 г. изменение солнечной радиации усилило прогрев на 0,1-0,5 Вт/м2, изменение количества тропосферного озона - на 0,2-0,5 Вт/м2. Но, с другой стороны, изменение концентрации сульфатных соединений снизило прогрев на 0,2-0,5 Вт/м2, а стратосферного озона -- на 0,05-0,2 Вт/м2. То есть имеется комбинация разнонаправленных факторов, каждый из которых значительно слабее, чем рост концентрации в атмосфере парниковых газов, результат которого оценивается как прогрев на 2,2-2,7 Вт/м2.

     Вулканические извержения. В результате извержений в атмосферу выбрасываются значительные объемы взвешенных частиц -- аэрозолей, они разносятся тропосферными и стратосферными ветрами и не пропускают часть приходящей солнечной радиации. Однако эти изменения не являются долгосрочными, частицы относительно быстро оседают. Так крупное извержение вулкана Санторини в Средиземном море около 1600 г. до н. э. которое, вероятно, привело к падению Минойской империи, значительно охладило атмосферу, что видно по кольцам годового роста деревьев.

     Извержение  вулкана Тамбора в Индонезии  в 1815 г. снизило среднюю глобальную температуру на 30С. В последующий  год и в Европе и в Северной Америке лета “не было”, но за несколько  лет все исправилось. В результате извержения вулкана Пенатубо в 1991 г. на Филиппинах на высоту 35 км было заброшено  столько пепла, что средний уровень  солнечной радиации снизился на 2,5 Вт/м2, что соответствует глобальному  охлаждению по меньшей мере на 0,5-0,70С. Однако несмотря на это, последнее десятилетие  ХХ века стало самым теплым за весь период наблюдений. Заметим, что важна  не сила извержения и не количество выброшенного пепла, а то, сколько  его было заброшено на большую  высоту, на 10 и более км, так как  именно это определяет радиационный эффект от извержения.

     Солнечный цикл и орбита Земли. Интенсивность солнечной радиации меняется, хотя и в относительно небольших пределах. Прямые измерения интенсивности солнечного излучения имеются только за последние 25 лет, но есть косвенные параметры, в частности активность солнечных пятен, что давно используется для оценки интенсивности солнечной радиации. Кроме изменения потока от Солнца, Земля получает разное количество энергии в зависимости от положения ее эллиптической орбиты, которая испытывает колебания. В течение последнего миллиона лет ледниковые и межледниковые периоды менялись в зависимости от положения орбиты нашей планеты. Меньшие колебания орбиты наблюдались в последние 10 тысяч лет и климат стал относительно стабильным. Однако в любом случае колебания орбиты – явление достаточно инерционное, оно принципиально важно в тысячелетнем масштабе времени, в то время как антропогенное воздействие на климат имеет гораздо более короткий временной масштаб.

     Антропогенные причины. К антропогенным причинам относится, прежде всего, повышение концентрации в атмосфере парниковых газов, в основном СО2, образующегося при сжигании ископаемого топлива. Другие причины – выброс аэрозольных частиц, сведение лесов, урбанизация и т.п.

     Баланс  солнечной и длинноволновой радиации. В целом приходящая солнечная радиация (342 Вт/м2) равна отраженной радиации (107 Вт/м2) плюс исходящая от Земли длинноволновая радиация (235 Вт/м2). По порядку величины нарушение, вызванное антропогенной деятельностью составляет менее 3 Вт/м2 или менее 1% от общего баланса. На радиационные потоки большое влияние может оказывать антропогенное изменение подстилающей поверхности, изменение альбедо из-за сведения лесов, таяния снежного покрова и т.п.

     Рост  концентрации в атмосфере  парниковых газов. Концентрация парниковых газов (углекислого газа, метана, закиси азота) возрастала в течение ХХ века и сейчас этот рост продолжается со все большей скоростью. Концентрация СО2 возросла с 280 ppm (частей на миллион) в 1750 г. до 370 ppm в 2000 году. Считается, что в 2100 г. концентрация СО2 будет в пределах от 540 до 970 ppm, в основном, в зависимости от того, как будет развиваться мировая энергетика. Парниковые газы отличаются большим сроком нахождения в атмосфере. Половина всех выбросов СО2 остается в атмосфере 50-200 лет, в то время как вторая половина поглощается океаном, сушей и растительностью. При этом основная роль принадлежит океану, по некоторым оценкам, примерно 80% поглощения СО2 и “производства” кислорода приходится на фитопланктон.

     Парниковый  эффект от разных газов можно привести к “общему знаменателю”, выражающему  то, во сколько раз больший эффект дает 1 тонна того или иного газа, чем 1 тонна СО2. Для метана переводной коэффициент равен 21, для закиси азота 310, а для некоторых фторсодержащих газов несколько тысяч. Однако, хотя концентрация метана выросла примерно в 2,5 раза, это намного меньше, чем  изменение концентрации СО2. Оценки показывают, что именно с СО2 связано  примерно 80% антропогенного парникового  эффекта, в то время как метан  дает 18-19%, а все остальные газы -- 1-2%. Поэтому во многих случаях, говоря об антропогенном парниковом эффекте, подразумевают именно СО2.

     Заметим, что водяной пар – главный  парниковый газ планеты -- вносит в  парниковый эффект вклад, в целом  еще больший, чем СО2. Однако изменение  его концентрации в атмосфере  пока не зарегистрировано (ни антропогенных, ни естественных).