Изменение климата



Скачать 421.08 Kb.
страница1/3
Дата24.04.2016
Размер421.08 Kb.
  1   2   3


ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

В наши дни об изменении климата говорят все — ученые, политики, бизнесмены. Об этом пишут в газетах и журналах, ведутся споры в Интернете, по телевидению выступают известные специалисты

Понять суть проблемы нелегко, настолько противоположны взгляды и суждения. Потепление или похолодание? Какова причина изменения климата: деятельность человека или естественные процессы1?



Рис. 1.1 Составляющие климатообразующей системы. Основные климатообразующие процессы и их взаимодействия.
Источник: IPCC 4AR, vol. 1, Climate Change 2007.The Physical Science Basis.p. 104, www.ipcc.ch.

Приведенная на рис. 1.1 схема климатической системы Земли показывает, что климат планеты формируется как Солнцем, так и всеми средами нашей планеты: атмосферой, гидросферой, биосферой, вулканами, ледовым покровом и т. д., которые находятся в постоянном взаимодействии. При этом на них все сильнее воздействует хозяйственная деятельность человека, которая изменяет саму поверхность Земли и загрязняет все окружающие нас среды.

Рассмотрение роли каждой из сред со всеми ее взаимодействиями с «соседями», вероятно, потребовало бы создания учебного курса, рассчитанного на несколько лет обучения. Поэтому в качестве первого опыта изложения предмета «изменение климата» ниже предлагается кратко рассмотреть лишь главные факторы, продвигаясь от прошлых геологических эпох к настоящему времени.

КЛИМАТ МЕНЯЛСЯ ВСЕГДА

Климат на Земле изменялся во все времена, в том числе задолго до того, как свою роль в этом начала играть деятельность человека. В геологической истории Земли встречались и более теплые периоды, чем в последние миллионы лет. На рис. 1.2 показано, как сильно колебалась температура в разные геологические эпохи и как это соотносилось с покрытием суши льдом. Всемирная метеорологическая организация условилась отсчитывать изменения климата от средних значений за 1961–1990 годы, что показано на рисунке, поэтому можно сказать, что 500 млн лет назад было на 7 °С теплее, а 300 млн лет назад на 1 °С холоднее, чем в 60–90-е годы прошлого века. Покрытие суши льдом сильно понижало температуру на всей планете. Это установили по отметкам, которые лед оставляет на горных породах.





Рис. 1.2 Оценка изменения температуры на Земле за последние 500 млн лет (получено с помощью геохимических и биологических методов)
Подготовлено по данным IPCC 4AR, vol. 1, Climate Change 2007. The Physical Science Basis. p. 433–465, www.ipcc.ch.

Кроме того, анализ геологических образцов, донных отложений океанов и других данных показывает, что теплые периоды совпадают с периодами высокого содержания CO2 в атмосфере2. Концентрации газов в атмосфере принято выражать в молярных долях, что означает, сколько молекул данного газа приходится на миллион молекул газовой смеси, образующей воздух. Сейчас в воздухе примерно 390 частей CO2 на миллион (ppm3), 400 млн лет назад СО2 было в 10 раз больше — несколько тысяч ppm, а 300 млн лет назад — лишь несколько сотен ppm.

Рассматривая причины столь сильных изменений климата за полмиллиарда лет, ученые анализируют всевозможные геологические, астрономические, биологические, геомагнитные и другие факторы. Говоря в целом о ситуации в течение сотен миллионов лет, нужно подчеркнуть главенствующую роль расположения суши относительно полюсов и экватора — тектонические процессы и дрейф континентов. Большую часть времени полярные районы были свободны от суши, там не накапливались ледниковые щиты, которые бы сильно отражали солнечное излучение. В результате в среднем было гораздо теплее, чем сейчас.

Более подробное рассмотрение последних 60 млн лет показывает, что нынешнее покрытие льдом Антарктиды началось примерно 40 млн лет назад, а оледенение Гренландии — менее 10 млн лет назад. Как видно на рис. 1.3, оба этих процесса сопровождались очень существенным снижением температуры, в результате чего она приблизилась к современному уровню. Вспомним, что, следуя правилам Всемирной метеорологической организации, изменения климата отсчитываются от ситуации, наблюдавшейся в 1961–1990 годы. Поэтому можно сказать, что в последние миллионы лет жизни динозавров было на 8–10 °С теплее, чем в 1960–1990-е годы, а 52 млн лет назад, когда Индия соединилась с Евразией в один континент, было еще жарче — на 12 °С теплее, чем в во второй половине прошлого века.

В широких пределах менялась и концентрация СО2: 40– 60 млн лет назад она составляла от 300 до 1000 ppm, а в последние 20 млн лет — в среднем 200–400 ppm.



Рис. 1.3. Изменения температуры Мирового океана за последние 60 млн лет (оценка по содержанию изотопа кислорода-18 в глубоководных океанских отложениях)
Источник: http://www.columbia.edu/~mhs119/TargetCO2/TargetFig3.pdf детальное описание см. в Hansen, J. E., and Mki. Sato, 2011: Paleoclimate implications for human-made climate change. In Climate Change: Inferences from Paleoclimate and Regional Aspects. Berger, André; Mesinger, Fedor; Sijacki, Djordje (Eds.) Springer, 2012, 270

Примерно 60 млн лет назад произошло хорошо известное и активно обсуждаемое вымирание динозавров. Выдвигаются разные причины — астрономические, например: падение гигантского метеорита в районе нынешнего Карибского моря, после чего некоторое время Земля была затенена пылью и для динозавров стало слишком холодно. Или биологические: та или иная конкуренция с более «совершенными» живыми организмами и т.п.

На рис. 1.3 также показан «резкий» всплеск температуры примерно 55 млн лет назад. Многие ученые объясняют его размораживанием метангидратов (снегообразных соединений метана, имеющихся на дне морей и океанов). Метан — сильный парниковый газ, и его выбросы ведут к повышению температуры. Потепление было очень сильным. С одной стороны, в шкале миллионов лет оно было очень кратким, примерно 70 тыс. лет. С другой, 70 тыс. лет — очень длительный срок, если рассматривать его в масштабе XX–XXI веков. Потом все вернулось к состоянию, определяемому иными факторами, в частности, расположением континентов и оледенением суши.

ПОСЛЕДНИЕ МИЛЛИОНЫ ЛЕТ: РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС ЗЕМЛИ

Основным фактором изменения климата в последние миллионы лет был и есть радиационный баланс Земли — разница между приходящим солнечным излучением и излучением нашей планеты в космос.

Радиационный баланс Земли постоянно менялся, но причины изменений были разные. Для каждого конкретного случая — ледниковых периодов, колебаний температуры в прошлом тысячелетии, нынешней ситуации — необходимо устанавливать свои причины. Есть три основных фактора изменения радиационного баланса Земли, показанные на рис. 1.44.

1. Изменение поступающего солнечного излучения (инсоляции), связанное с изменением орбиты Земли и/или светимостью Солнца.

2. Изменение альбедо — доли солнечного излучения, которое отражается Землей обратно в космос. Альбедо зависит от многих факторов, например, от того, какая часть планеты покрыта белым снегом и льдом; от загрязнения атмосферы и облачного покрова мелкими твердыми и жидкими частицами (аэрозолями). Такие частицы выбрасывают вулканы, создают пыльные бури, но в наше время очень велико влияние человека, выбрасывающего в атмосферу пыль, сажу и другие частицы. Особенно заметно такое влияние, когда частицы сажи оседают на белый снег или лед, уменьшая альбедо. Облачный покров также отражает солнечное излучение. Здесь существенно и количество облаков, и степень их белизны (насколько они загрязнены пылью, сажей, морской солью и т. п.).

На альбедо также влияют отмеченные выше тектонические процессы и дрейф континентов, но это очень медленные процессы, влияние которых велико только при рассмотрении миллионов лет. Сотни миллионов лет назад на Земле были периоды, в которые Антарктида была свободна ото льда. Она была темной и отражала мало солнечного света, что влияло на климат в сторону потепления. Если бы сейчас на месте Антарктиды был океан, ледовый покров Земли в целом был бы меньше и климат теплее. Если бы суша (а это всего 30% поверхности планеты) концентрировалась на полюсах, то площадь оледенения планеты была бы больше, а климат — гораздо холоднее.





Рис. 1.4 Радиационный баланс Земли и парниковый эффект
Источник: IPCC 4AR, vol. 1, Climate Change 2007. The Physical Science Basis. p. 115, www.ipcc.ch

3. Изменение инфракрасной радиации, излучаемой Землей обратно в космос. Наша планета, как всякое нагретое тело, излучает инфракрасную радиацию. Только около 10% этой радиации уходит в космос, остальные 90% поглощают газы, составляющие атмосферу Земли. Данный эффект был описан учеными еще в начале XIX века, при этом была подмечена аналогия с парником, пленка которого пропускает солнечный свет, но не выпускает тепло (инфракрасное излучение, испускаемое грядками). Поэтому сам эффект был назван парниковым, а соответствующие газы — парниковыми. Главные составляющие атмосферы Земли, азот и кислород, инфракрасное излучение не поглощают, таковы свойства их молекул. Поглощает тепловое излучение Земли в основном водяной пар; за ним идут углекислый газ, метан, а в последние годы добавились новые газы, созданные человеком: фреоны, фторсодержащие углеводороды, гексафторид серы и т.д.

Парниковый эффект очень важен для нашей планеты, без него средняя температура воздуха у поверхности Земли была бы не примерно +14 (как сейчас), а –19°С, и жизнь была бы очень затруднительна. Иногда спрашивают, не грозит ли планете «парниковая катастрофа», не превратится ли Земля в Венеру, плотно покрытую облаками и очень жаркую. Этого не произойдет, так как особенности поглощения инфракрасного излучения Земли таковы, что даже очень сильный рост содержания водяного пара и СО2 не приведет к росту парникового эффекта выше определенного предела. Поэтому жизни на планете катастрофа не угрожает, хотя изменения могут быть очень большими.

Сейчас речь идет о том, что человек усилил парниковый эффект, хотя и не сильно, на несколько процентов, но существенно. Человек повысил содержание в атмосфере СО2 и метана (а также пыли, сажи и других веществ). По мнению ученых, даже усиление парникового эффекта на 2–3 °С приведет к большим проблемам, ведь, как будет показано ниже, это не плавное и приятное потепление, а рост неустойчивости — «экстремальности» — климата5.

СОТНИ ТЫСЯЧ ЛЕТ: ЛЕДНИКОВЫЕ ПЕРИОДЫ

Главная причина изменения климата в последние сотни тысяч лет — изменение орбиты Земли, ответственное за приход и уход ледниковых периодов длительностью в десятки тысяч лет (рис. 1.56).





Рис. 1.5 Изменения орбиты Земли (циклы Миланковича), которые определяют наступление ледниковых периодов.

T — изменения наклона (наклонения) оси Земли; E — изменения эксцентриситета орбиты (степени ее отклонения от круга, эксцентриситет круговой орбиты равен нулю); P — прецессия, то есть круговое изменение направления оси вращения планеты

Источник: IPCC 4AR, vol. 1, Climate Change 2007. The Physical Science Basis. p. 449,www.ipcc.ch.

Прецессия с периодичностью 19–23 тыс. лет смещает сезоны, то есть сильно изменяет широтное и сезонное распределение солнечной инсоляции.

Наклон (наклонение) оси Земли колеблется между 22° и 24,5° (сейчас 23,5°) с двумя близкими периодами длительностью около 41 тыс. лет. Наклон орбиты не влияет на общую инсоляцию, но чем он больше, тем сильнее в высоких широтах разница между теплым и холодным сезонами.

Эксцентриситет орбиты вращения Земли вокруг Солнца имеет более длительные периоды: примерно 400 и 100 тыс. лет. Сами по себе они оказывают незначительное влияние, так как в целом изменения в расстоянии между Солнцем и Землей малы, однако они взаимодействуют с сезонными эффектами. Когда эксцентриситет мал (орбита Земли близка к круговой), как это было около 400 тыс. лет назад и будет в течение следующих 100 тыс. лет, сезонные изменения инсоляции, вызванные прецессией, меньше, чем когда эксцентриситет больше (орбита Земли — более вытянутый эллипс).

Последний миллион лет ледниковые периоды инициируются минимумами летней инсоляции в высоких широтах Северного полушария, когда выпавший зимой снег сохраняется весь год и, накапливаясь, превращается в ледниковые щиты Северного полушария. Белый снег и лед отражают солнечное излучение, и становится еще холоднее. При этом уровень океана может падать почти на 100 м7. Именно в такой период древние люди перешли из Евразии в Америку, вероятно, в основном по суше, а частично — по узкому проливу, покрытому льдом.

Воздействие ледниковых периодов на Евразию, приход и уход ледников и изменение растительного покрова рассмотрены ниже, в теме «Лес и климат». С другой стороны, Южное полушарие мало подвергалось воздействию ледниковых периодов. Антарктида в последние миллионы лет была постоянно покрыта льдом и снегом, а изменения орбиты Земли слишком слабы, чтобы это изменить.

Углекислый газ тоже играет важную роль в ледниковых периодах, хотя и не является их причиной. В Антарктиде ученые сумели отобрать пробы льда по всей толщине ледникового щита, а это почти 4 км, или около миллиона лет накопления снега. В превратившемся в лед снеге остались пузырьки воздуха, которые можно проанализировать и определить состав воздуха в течение сотен тысяч лет. Концентрация CO2 в холодные ледниковые времена была низкой — 160–190 ppm, а в теплые межледниковые периоды — высокой, до 300 ppm. По анализу изотопов кислорода ученые восстановили температуру прошлого: в последний миллион лет на нашей планете временами было теплее, чем сейчас.

Приходы ледниковых периодов и теплые межледниковые времена видны как периодические минимумы и максимумы всех параметров (температуры, концентраций СО2, СН4, уровня океана) на рис. 1.6.

Содержание CO2 в атмосфере следует за температурными изменениями в Антарктиде с запаздыванием на несколько столетий. Так, биосфера Земли реагирует на изменение температуры. При этом во время нескольких тысяч лет в начале и в конце ледникового периода СО2 ускоряет этот процесс. Когда становится холоднее, содержание СО2 падает, ослабляется парниковый эффект и становится еще холоднее. В конце ледникового периода становится теплее, концентрация СО2 в атмосфере больше, и температура растет быстрее за счет усиления парникового эффекта





Рис. 1.6 Температура, концентрации СО2 и метана, уровень Мирового океана за последние 800 тыс. лет
Источник: Hansen, J.E., and Mki. Sato, 2011: Paleoclimate implications for human-made climate change. In Climate Change: Inferences from Paleoclimate and Regional Aspects. Berger, André; Mesinger, Fedor; Sijacki, Djordje (Eds.) Springer, 2012, 270 pp. http://www.springer.com/environment/global+change+climate+change/book/978–3–7091–0972–4

Последний ледниковый период начался примерно 110, а закончился 13 тыс. лет назад. Более подробно его ход, а также динамика климата 20–5 тыс. лет назад рассмотрены ниже в тематическом разделе «Лес и климат». Там анализируется, как колебания температуры влияли на растительность, и приведены карты ее распределения в разные тысячелетия.

Примерно 5–7 тыс. лет назад климат был несколько более теплым и влажным, чем сейчас, — был пройден пик межледниковья (так называемый оптимум голоцена). Вероятно, такие условия были благоприятны для древнего человека и развития цивилизации, но заметим, что теперь у человека иные экономические условия, иная численность и расселение по планете, иная продолжительность и стандарты жизни. Поэтому было бы ошибочно думать, что «аналогичное» потепление на пару градусов будет благом и для нашей современной цивилизации. Затем около 5 тыс. лет назад климат постепенно похолодал и стал близок к современному.

Сейчас мы находимся в теплом межледниковом периоде и медленно движемся к следующему ледниковому периоду, который наступит через несколько десятков тысяч лет. Более точно определить время сильного похолодания пока не удается, но большинство ученых полагает, что у нас еще есть как минимум 20 тыс. лет. Поэтому рассматривая ниже климат последнего тысячелетия, а затем прошлого и нынешнего столетий, мы пока можем «забыть» об орбите Земли и ледниковых периодах и обратить внимание на иные факторы: океанские циклы, вулканы и Солнце.



ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В ПОСЕДНИЕ СТОЛЕТИЯ: ОКЕАНСКИЕ ЦИКЛЫ, ВУЛКАНЫ И СОЛНЦЕ

Факторы, которые обусловили изменения климата в последние сотни лет, конечно, действовали всегда. Однако для более далеких времен у нас не хватает данных, чтобы отследить их относительно небольшое и краткосрочное влияние. Как было сказано выше, ученые определили, насколько климат 5–6 тыс. лет до нашей эры отличался от климата 13–14 тыс. лет назад. Но они не могут сказать, чем климат, например, 5100-х годов до нашей эры отличался от климата 5300-х годов. Изменения, конечно, были, но какие конкретно, сказать нельзя. Можно лишь утверждать, что они были относительно краткосрочными и небольшими, гораздо меньшими, чем вариации климата, которые мы видели при рассмотрении климатической истории Земли за сотни тысяч и миллионы лет.

За последнюю тысячу лет есть гораздо больше данных. Конечно, прямые измерения температуры начались только в XVIII веке, но есть косвенные методы, которые уже хорошо проработаны и признаны учеными как надежные. Один из основных — дендрохронология: определение изменений температуры по ширине колец ежегодного прироста древесины. Кроме очень старых деревьев, в распоряжении ученых немало остатков деревянных строений, где есть очень старые бревна. Другие методы основаны на анализе растительного покрова, а также донных отложений различных водоемов. В результате для ряда регионов удается проследить вариации температуры за последние примерно 1200 лет, но не более (рис. 1.7).

Пока нельзя сказать, что о причинах изменений климата известно все. Уровень знаний растет, но при этом оценка роли различных факторов может меняться. Десять лет назад многие ученые главным фактором последнего тысячелетия называли вариации солнечной активности. Однако исследования последних лет выявили наличие очень мощных, но не связанных с Солнцем вариаций с периодом в несколько десятков лет, которые обычно называют океанскими циклами. Собственно, другого названия быть и не может, так как почти вся энергия климатической системы Земли сосредоточена именно в океане. В долгосрочных колебаниях атмосферные процессы могут серьезно влиять на климат, только если в них участвует океан.





Рис. 1.7 Вариации температуры в различных регионах мира за последние 1000 лет (оценка по косвенным данным о растительном покрове, годичным кольцам деревьев и другим источникам)
Источник: IPCC 4AR, vol. 1, Climate Change 2007. The Physical Science Basis. p. 468, www.ipcc.ch

Океанские циклы. Сейчас активно исследуются физические механизмы, которые могут приводить к циклическим изменениям в океане с периодом от 1–2 до ста и более лет. Картина очень непростая — идет единая циркуляция поверхностных и глубинных вод и их взаимодействие с атмосферой. Океанские течения объединены в огромный планетарный конвейер, причем трехмерный — есть поверхностные течения, а есть глубинные. В одних частях конвейера движение вод может быть более быстрым, а в других очень медленным, но охватывающим огромные массы воды. Теперь представим себе, что движение и температура различных частей этого конвейера могут «пульсировать». Когда чуть теплее поверхностные воды — над ними теплее атмосфера, когда чуть теплее глубинные воды — атмосфера холоднее. Энергия как бы «перетекает» из глубин на поверхность и обратно, из одной части океана или атмосферы в другую и «возвращается» назад, причем это может занимать десятки лет, но общее количество энергии остается практически неизменным. Одним из механизмов превращения непрерывного движения в циклический процесс может являться конвекция, которая из-за вязкости воды возникает только при определенной разнице в плотности воды, зависящей от ее температуры и солености. До этого температура глубинных вод может медленно нарастать, но конвекции не будет. Когда же разница достигнет определенного предела, начнется быстрое конвективное движение.

Ученые выявляют и изучают многолетние колебания океана и атмосферы по всему земному шару. Приведем только два примера. Для Атлантики характерны вариации с периодом примерно в 60-70 лет (рис. 1.8). Такие вариации сильно влияют на местный климат, в частности, на температуру в западной Гренландии (голубая линия на рис. 1.7). Вероятно поэтому, когда викинги ее открыли и назвали «Зеленой землей», там было относительно тепло, а в Швеции могло быть холодно, что только усилило контраст. Однако возможно и влияние океанских вариаций в глобальном масштабе (рис. 1.8).





Рис. 1.8 Рост глобальной приземной температуры воздуха в последние 130 лет и его примерное сопоставление с «теплыми» и «холодными» фазами Атлантического мультидекадного колебания
Источник: По данным: Росгидромет «Изменение климата» вып. 34, май 2012 г. www.meteorf.ru или www.global¬climate-change.ru. Названия фаз Атлантического колебания даны условно и приведены в кавычках. Данное явление описывается специальным индексом (AMO — Atlantic Multidecadal Oscillation Index).Периоды его роста условно названы здесь «холодными» фазами, а периоды, когда индекс постоянен и относительно высок — «теплыми». Источник данных об АМО: База данных US NOAA Earth System Research Laboratory, имеется в открытом доступе на сайте. http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/timeseries/AMO/

Попробуем на примере вариаций в Атлантике (так называемого Атлантического мультидекадного колебания) сопоставить фазы данного цикла и изменения глобальной температуры воздуха (см. рис. 1.8). В XX веке «теплая» фаза данного колебания пришлась на 1930–1960 годы, а «холодные» фазы — на 1905–1925 годы и 1970–1990 годы. После этого, вероятно, с конца 1990-х началась «теплая» фаза (слова «теплая» и «холодная» специально даны в кавычках, см. подпись под рис. 1.8). Точного периода у этих циклических колебаний нет и изучены они слабо. Кроме того, на 1930-е годы пришелся максимум солнечной активности. Поэтому на основании этих колебаний нельзя сказать, какие десятилетия XXI века будут холоднее, а какие теплее. Однако даже поверхностное сопоставление, показанное на рис. 1.8, говорит о том, что, возможно, эти океанские колебания существенно влияют на климат Земли.

Десятилетний период 2001–2010 годов стал самым теплым с начала инструментальных измерений температуры — с 1850 года8. Однако внутри данного десятилетия рост температуры не прослеживается: нельзя сказать, что 2006–2010 годы были теплее, чем 2001–2005 годы (см. ниже рис. 1.14). Возможно, это действие циклических океанских процессов.



Рис. 1.9 Отклонения глобальной средней приземной температуры воздуха от средней за 1961–1990 годы.
Синим цветом показаны случаи, когда на начало года температура вод в центральной и восточной частях Тихого океана была на 1,5–2 °С ниже средней (определенная фаза Южной осцилляции)
Источник: Всемирная метеорологическая организация (Заявление ВМО о состоянии глобального климата в 2011 г. на русском языке) http://www.wmo.int/pages/prog/wcp/wcdmp/documents/1085_ru.pdf

Другой пример: воздействие на температуру воздуха на планете океанского явления Эль-Ниньо, или Южной осцилляции9. Оно проявляется на огромной территории в южной части Тихого океана, от Индонезии до Южной Америки. Физическая природа явления очень сложна и еще далеко не до конца изучена. Схематически можно сказать, что очень теплая вода, сосредоточенная в 100–200-метровом слое в центральной части Тихого океана, «вдруг» тонким слоем начинает растекаться по поверхности океана, охватывая огромную площадь. Обычно холодные воды у берегов Перу вдруг сменяются более теплыми, очень сухая погода сменяется ливнями и т.д. Действие Эль-Ниньо очень заметно на всей планете. Именно с ним ученые связывают то, что 2011 год на планете был холоднее, чем 2009 и 2010 годы. На рис. 1.9 синим цветом выделены годы, когда Южная осцилляция была в определенной фазе своего циклического развития. В частности, когда на начало года температура поверхностного слоя воды в центральной и восточной частях экваториальной зоны Тихого океана была на 1,5–2 °С ниже среднего значения за 1961–1990 годы. В такие годы на всей планете было холоднее.




  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал