Тектоника плит
При объяснении причин палеоклиматических изменений важно учитывать положение континентов, а также связанные с этим эволюцию океанических течений и альбедо поверхности Земли.
В настоящее время экваториальные поверхностные течения, встречая Северную и Южную Америки, разветвляются и направляются на север и юг, соответственно. В итоге, тепло достигает высоких широт, и климат там становится боле мягким. Это произошло после соединения Северной и Южной Америк. Ранее положение было иным, и климат в высоких широтах Северного полушария был более холодным.
Другая причина низкой температуры в высоких широтах – снежный покров, альбедо которого превышает 90%, т.е. пока лежит снег, солнечные лучи почти полностью отражаются. По этой причине в настоящее время Антарктида является самой холодной областью планеты. Аналогичный эффект мог наблюдаться и ранее, если суперконтинент или континент располагалась в высоких широтах планеты.
Совместное влияние процессов горообразования, морских течений и альбедо планеты видно при сопоставлении климата Гренландии и Якутии. Вблизи берегов Гренландии проходит теплое течение, поэтому там много осадков и поверхность острова покрыта ледником. В континентальной Евразии осадков мало, так как горы препятствуют проникновению теплого воздуха. В результате там образуется многолетняя мерзлота. Мощность подземного оледенения в Якутии достигает 200-300 м. Способствует развитию многолетней мерзлоты и высокое атмосферное давление, которое устанавливается в Якутии зимой.
Парниковый эффект и аэрозоли
На климат влияют два атмосферных фактора, действующие в противоположном направлении:
парниковые газы – потепление;
аэрозоли и облака – охлаждение.
Некоторые газы пропускают излучение Солнца, но заметно поглощают тепловое излучение Земли. По аналогии с процессами в парниках, этот явление носит название «парникового эффекта», а вызывающие этот эффект газы называют парниковыми. Не будь этого эффекта, температура земной поверхности была бы ниже нынешней.
При сжигании топлива в атмосферу поступают оксиды серы. После реакции с водой они образуют кислоту, которая в виде аэрозолей может продолжительное время находиться в воздухе, снижая прозрачность атмосферы и препятствуя прохождению солнечных лучей.
Главным парниковым газом является водяной пар. Его вклад в парниковый эффект принимают за 100% [28]. Пар поглощает инфракрасную радиацию в интервале длин волн от 4,5 мкм до 80 мкм, но в интервале 8,5–12 мкм наблюдается «окно прозрачности».
Малые газы, содержание которых в атмосфере невелико, поглощают излучение в диапазоне волн 7–15 мкм, то есть в «окне прозрачности». Поэтому небольшие изменения концентрации этих газов влияют на температуру земной поверхности.
Зависимость поглощения инфракрасного излучения от концентрации у парниковых газов сильно отличается. Самый медленный рост наблюдается для СО2 – здесь зависимость логарифмическая. Для метана и закиси азота изменения пропорциональны квадратному корню из концентрации. Вклады в парниковый эффект малых газов на период 1880–1980 гг. составляли: СО2 – 66 %, СН4 – 18 %, NО2 – 3 % от вклада водяного пара.
Около 300 лет назад наметился рост концентрации метана, связанный с развитием рисоводства, скотоводства, добычей угля и нефти. Рост концентрации СО2 начался позднее, как следствие вырубки лесов. В настоящее время большую роль играет сжигание топлива, с которым связано поступление СО2, оксидов азота и серы.
Первым оценку парникового эффекта дал в конце XIX века Аррениус. Более точные расчеты (1938 г. Колленде) показывают, что удвоение концентрации СО2 повысит температуру на 2о°С. Для оценки будущих концентраций парниковых газов важно знать не только их источники, но и стоки. Эти вопросы – предмет исследований Международной программы «Global Change» («Глобальное изменение»). Обобщенные данные содержат доклады Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК или IPCC). Ниже рассмотрены материалы доклада за 2007 г.
Глобальная концентрация парниковых газов по сравнению с доиндустриальной эпохой выросла. Основным парниковым газом, как следует из табл. 10, является углекислый газ, а главными источниками выбросов - использование ископаемых видов топлива (рис. 29)
Таблица 10. Глобальные концентрации парниковых газов |
||
Парниковый газ |
Доиндустриальная эпоха |
2005 г. |
СО2 (в ppm) |
280 |
379 |
СН4 (в ррb) |
715 |
1732 |
N2O(в ррb) |
270 |
319 |
Рис. 29. Глобальные антропогенные выбросы парниковых газов
Ежегодные выбросы с 1970 по 2004 годы (а). Доля газов в выбросах 2004 г., выраженная в СО2-экв (b). Доля источников в выбросах 2004 г., выраженная в СО2-экв (b). (Лесное хозяйство включает обезлесение).
Влияние газов на глобальное потепление характеризуется радиационным воздействием – это мера влияния на поступающую и уходящую энергию в системе «Земля–атмосфера» в Вт/м2. Воздействие углекислого газа за 1995-2005 гг. возросло на 20% – это наибольшее изменение за последние 200 лет.
Антропогенная доля выбросов аэрозолей (в основном сульфата, органического углерода, сажи, нитритов и пыли) в совокупности дает охлаждающий эффект с прямым радиационным воздействием −0,5 (−0,9 – −0,1) Вт/м2 и косвенным воздействием альбедо облаков −0,7 (−1,8 – −0,3) Вт/м2.