Глава 1. Анализ проблемы изменения климата
Климат на Земле никогда не был неизменным. Он зависел от различных геологических и астрономических изменений. 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.
Причины изменения климата
В геологической истории Земли встречались и более теплые периоды, чем в последние миллионы лет. На рис. 1.2 показано, как сильно колебалась температура на земле в разные геологические эпохи и как это соотносилось с покрытием суши льдом. На рисунке показано, 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.
ГДЕ РИСУНОК?????
Кроме того, анализ геологических образцов, донных отложений океанов и других данных показывает, что теплые периоды совпадают с периодами высокого содержания CO2 в атмосфере (рис. ). Сейчас в воздухе примерно 390 частей CO2 на миллион (ppm), 400 млн. лет назад CO2 было в 10 раз больше — несколько тысяч ppm, а 300 млн. лет назад — лишь несколько сотен ppm.
IPCC 4AR, vol. 1, Climate Change 2007. The Physical Science Basis. www.ipcc.ch.
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.
1.1.1. Анализ естественных причин изменения климата
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.
IPCC 4AR, vol. 1, Climate Change 2007. The Physical Science Basis. www.ipcc.ch.
Рис. Радиационный баланс Земли и парниковый эффект
Источник: IPCC 4AR, vol. 1, Climate Change 2007. The Physical Science Basis. p. 115, www.ipcc.ch.
Изменение поступающего солнечного излучения (инсоляции), связанное с изменением орбиты Земли и/или светимостью Солнца.
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). На альбедо также влияют отмеченные выше тектонические процессы и дрейф континентов, но это очень медленные процессы, влияние которых велико только при рассмотрении миллионов лет.
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. 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, а –19 °С.
Изменение орбиты земли. 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. Изменения орбиты Земли (циклы Миланковича), которые определяют наступление ледниковых периодов.
T — изменения наклона (наклонения) оси Земли;
E — изменения эксцентриситета орбиты (степение??? отклонения от круга, эксцентриситет круговой орбиты равен нулю);P — прецессия, то есть круговоеизменение направления оси вращенияпланеты
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 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.
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 орбиты нашей планеты. 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.
Рис. 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
Приходы ледниковых периодов и теплые межледниковые времена видны как периодические минимумы и максимумы всех параметров (температуры, концентраций СО2, СН4, уровня океана) на рис. Содержание CO2 в атмосфере следует за температурными изменениями в Антарктиде с запаздыванием на несколько столетий. Так, биосфера Земли реагирует на изменение температуры.
Океанические циклы. Исследования последних лет выявили наличие очень мощных, но не связанных с Солнцем вариаций с периодом в несколько десятков лет, которые обычно называют океанскими циклами. 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.
В Океане происходит непрерывная 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. 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. Такие вариации сильно влияют на местный климат, в частности, на температуру.
Вулканические извержения. В результате извержений в атмосферу выбрасываются значительные объемы аэрозолей — взвешенных частиц, они разносятся тропосферными и стратосферными ветрами и не пропускают часть приходящей солнечной радиации. После извержений Земля на один-три года затеняется, и температура на всей планете опускается примерно на 0,2–0,4 °С, что очень существенно.
Солнечный цикл. Интенсивность солнечной радиации меняется, хотя и в относительно небольших пределах, но есть более сложные эффекты, которые тоже могут воздействовать на климат. Исследуется влияние Солнца на содержание в атмосфере озона (который является парниковым газом, хотя его вклад в общий парниковый эффект очень невелик); влияние на стратосферные облака (в ясную погоду от их количества зависят ночные температуры).