Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики.

Реферат на тему:

«Возможности поведения сложных систем: сверхизлучение, климатическая изменчивость»

Подготовили: студенты группы 2751: Москальцов В.С.

Приняла:

Те практические задачи, которые сегодня решаются, требуют глубокого изучения отдельных объектов и явлений природы. Большое число задач связано с исследованием сложных систем, таких, которые включают множество элементов, каждый из которых представляет собой достаточно сложную систему, и эти системы тесно взаимосвязаны с внешней средой. Изучение таких систем в естественных условиях ограничено их сложностью, а иногда бывает невозможным ввиду того, что нельзя провести натурный эксперимент или повторить тот или иной эксперимент. В этих условиях порой единственным возможным методом исследования является моделирование (физическое, логическое, математическое). Без модели нет познания. Любая гипотеза - это модель. И правильность гипотезы о будущем состоянии объекта зависит от того, насколько правильно определили параметры исследуемого объекта и их взаимосвязи между собой и внешней средой. Однако научное описание никогда не охватывает всех деталей, оно всегда выделяет существенные элементы структур и связей. Поэтому такое описание содержит обобщенную модель явлений. В настоящее время термин "общая теория систем" по предложению Л.Берталанфи трактуется в широком и узком смысле. Общая теория систем, понимаемая в широком смысле, охватывает комплекс математических и инженерных дисциплин, начиная с кибернетики и кончая инженерной психологией. Более узкое толкование термина связано с выбором класса математических моделей для описания систем и уровня их абстрактного описания.     Аналогичная ситуация складывается и с теорией развития сложных систем. Ее также можно понимать в широком и узком смысле. В широком смысле теория развития сложных систем - это естественнонаучная конкретизация общей теории развития - материалистической диалектики. В рамках этой же теории должны быть объединены основные положения о поведении сложных систем, разработанные в различных областях научного знания, в результате чего может быть построена концептуальная модель процессов развития сложных систем различной природы. Более узкое понимание теории развития предполагает построение математических моделей развития конкретных систем (биологических, экологических, экономических, социальных и т.п.). В этом случае объект исследования выделяется и анализируется конкретной научной дисциплиной.     Особенность простых систем - в практически взаимной независимости их свойств, позволяющей исследовать каждое из них в отдельности в условиях классического лабораторного эксперимента; особенность сложных систем заключается в существенной взаимосвязи их свойств (иногда она даже применяется как определение сложной системы).     Будем считать систему сложной, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов, каждый из которых может быть представлен в виде системы. В качестве содержания теории развития сложных систем можно рассматривать совокупность методологических подходов, позволяющих строить модели процессов развития сложных систем, используя достижения различных наук, а также методы анализа получаемых моделей.     Обычное для теории простых систем требование адекватности модели оригиналу для моделей сложных систем приводит к непомерному росту их размерности, приводящему к их неосуществимости. Ситуация для построения теории кажется безнадежной, она действительно оказывается таковой, если не произвести некоторого разумного отступления от непомерных требований адекватности теории и вместе с тем не отступать от требований ее объективности.     Математические модели любых систем могут быть двух типов - эмпирические и теоретические. Эмпирические модели - это математические выражения, аппроксимирующие (с использованием тех или иных критериев приближения) экспериментальные данные о зависимости параметров состояния системы от значений параметров влияющих на них факторов. Для эмпирических математических моделей не требуется получения никаких представлений о строении и внутреннем механизме связей в системе. Вместе с тем задача о нахождении математического выражения эмпирической модели по заданному массиву наблюдений в пределах выбранной точности описания явления не однозначна. Существует бесконечное множество математических выражений, аппроксимирующих в пределах данной точности одни и те же опытные данные о зависимости параметров.     Теоретические модели систем строятся на основании синтеза обобщенных представлений об отдельных слагающих их процессах и явлениях, основываясь на фундаментальных законах, описывающих поведение вещества, энергии, информации. Теоретическая модель описывает абстрактную систему, и для первоначального вывода ее соотношений не требуется данных о наблюдениях за параметрами конкретной системы. Модель строится на основе обобщения априорных представлений о структуре системы и механизма связей между слагающими ее элементами.     Наряду с эмпирическими и теоретическими используются и полуэмпирические модели. Для них математические выражения получаются теоретическим путем с точностью до эмпирически получаемых констант, либо в общей системе соотношений моделей наряду с теоретическими выражениями используются и эмпирические.     Построение эмпирических моделей - единственно возможный способ моделирования тех элементов системы, для которых нельзя построить в настоящее время теоретических моделей из-за отсутствия сведений об их внутреннем механизме. Вопросы, связанные с построением эмпирических моделей, относятся к области обработки наблюдений или, точнее, к математической теории планирования эксперимента.     Для некоторых систем единственная возможность оценить правильность теоретической модели состоит в проведении численных экспериментов с использованием математических моделей. Поведение модели не должно противоречить общим представлениям о закономерностях поведения процессов.     Теоретическая модель описывает не конкретную систему, а класс систем. Поэтому проверка теоретической модели возможна при исследовании конкретных частично или полностью наблюдаемых систем. Затем проверенную таким образом теоретическую модель можно применять для описания и изучения конкретных ненаблюдаемых систем, относящихся к тому же либо к более узкому классу.     Строго обосновать выражение "модели относятся к одному и тому же классу" несколько затруднительно. Мы будем рассматривать класс развивающихся систем, к которому могут относиться системы искусственные, живой и неживой природы, социальные и т.п.     Между эмпирическими, полуэмпирическими и теоретическими моделями не существует резкой границы. Любые математические модели, в конечном счете, выражаются через параметры, определяемые экспериментальным путем. Все различия между тремя упомянутыми типами моделей сводятся к степени общности представлений, относящихся к данной модели, а именно: или они относятся непосредственно к изучаемому конкретному объекту, или связаны с классом таких объектов, или же, наконец, связаны с классом явлений, наблюдающихся в природе     Большинство процессов столь сложно, что при современном состоянии науки очень редко удается создать их универсальную теорию, действующую во все времена и на всех участках рассматриваемого процесса. Вместо этого нужно посредством экспериментов и наблюдений постараться понять ведущие (определяющие) факторы, которые определяют поведение системы. Выделив эти факторы, следует абстрагироваться от других, менее существенных, построить более простую математическую модель, которая учитывает лишь выделенные факторы. К внешним факторам будем относить такие, которые влияют на параметры изучаемой модели, но сами на исследуемом временном отрезке не испытывают обратного влияния.     Известно, что материальное единство мира находит свое отражение во взаимосвязи целого и его частей. До недавнего времени в естествознании преобладающим был подход, согласно которому часть всегда рассматривалась как более простое, чем целое. Новое направление - синергетика описывает процессы, в которых целое обладает такими свойствами, которых нет у его частей. Она рассматривает окружающий материальный мир как множество локализованных процессов различной сложности и ставит задачу отыскать единую основу организации мира как для простейших, так и для сложных его структур. В то же время синергетика не утверждает, что целое сложнее части, она указывает на то, что целое и часть обладают различными свойствами и в силу этого отличны друг от друга.     В синергетике делается попытка описать развитие мира в соответствии с его внутренними законами развития, опираясь при этом на результаты всего комплекса естественных наук. Для нашего анализа представляется важным то, что одним из основных понятий синергетики является понятие нелинейности.     Не только в процессе научного познания, но и в своей повседневной практике мы фактически сталкиваемся с различными проявлениями нелинейных закономерностей. Поведение нелинейных систем принципиально отличается от поведения линейных. Наиболее характерное отличие - нарушение в них принципов суперпозиции. В нелинейных системах результат каждого из воздействий в присутствии другого оказывается иным, чем в случае отсутствия последнего.     Математические исследования природы линейности и нелинейности так или иначе обусловливались потребностями развития физики. Постановка задачи о нелинейности связана с именами Рэлея, Д'Аламбера, Пуанкаре, которые исследовали математическую модель струны и другие модели при помощи дифференциальных уравнений.     В 30-е годы XX в. на первое место в области обыкновенных дифференциальных уравнений встают проблемы качественной теории. Значительное влияние на ее развитие оказывают потребности физики, особенно нелинейной теории колебаний. Физикам Андронову и Мандельштаму принадлежит здесь целый ряд важных математических идей и разработок. Мандельштам первым обратил внимание на необходимость выработки в физике нового "нелинейного мышления". До его работ существовали лишь отдельные частные подходы к анализу отдельных нелинейностей в различных физических задачах. Роль Мандельштама состоит в том, что он отчетливо понял всеобщность нелинейных явлений, сумел увидеть, что возможности линейной теории принципиально ограничены, что за ее пределами лежит огромный круг явлений, требующих разработки новых нелинейных методов анализа.     Возникают вопросы: какова роль нелинейности, зачем необходимо разрабатывать нелинейные модели, если большое количество физических процессов можно объяснить с помощью линейных моделей или же свести нелинейные задачи к линейным? Ответ на эти вопросы состоит в следующем: линейные задачи рассматривают лишь рост, течения процессов, нелинейность же описывает фазу их стабилизации, возможность существования нескольких типов структур. В то же время нелинейность выражает тенденцию различных физических процессов к неустойчивости, тенденцию перехода к хаотическому движению. Таким образом, сочетание линейности и нелинейности (даже пока еще далеко не диалектическое) дает более адекватное отражение реальных процессов, так как с их помощью выражается единство устойчивости и изменчивости, являющееся ядром сущности всякого движения.     Решение многочисленных проблем, возникающих при описании перехода от регулярного к стохастическому движению, связывается с развитием стохастической или хаотической динамики.     Удалось показать, что с помощью уравнений, предложенных Х.Лоренцем, либо систем уравнений, включающих странные аттракторы, возможно описание поведения некоторых типов плазменных волн, химических реакций в открытых системах, циклов солнечной активности. закономерностей изменения численности биологических сообществ, исследование вопросов, связанных с генерацией лазеров в некотором диапазоне параметров.     Синергетика, используя единство линейности и нелинейности, выражает в теории те аспекты материального единства мира, которые связаны с общими свойствами саморазвития сложных систем. Нелинейные уравнения, составляющие основу этой теории, позволяют с помощью достаточно простых моделей описывать самые различные материальные процессы. Причем, даже не решая этих уравнений, можно выработать представление о качественно новых чертах тех процессов, которые этими уравнениями описываются.     Теория описания сложных хаотических процессов М.Фейгенбаума представляет интерес, ибо автор, по существу, исходит из признания материального единства мира и пытается найти то общее, что присуще хаотическим процессам различной природы. Эта теория показывает, что поведение всех диссипативных систем вблизи перехода к хаотическому движению носит универсальный характер. Теория дает возможность описать поведение той или иной системы за пределами возможности других математических представлений.     Для выявления наиболее общих закономерностей поведения нужны макромодели, которые имеют наиболее высокий уровень обобщения. Возможно, такой моделью может быть модель процесса развития, построенная на основе информационной концепции.     Построение такой модели проводилось в несколько этапов: концептуальная модель; модель процесса самоорганизации; собственно математическая модель, т.е. уравнение, описывающее поведение системы; машинная модель, реализующая алгоритм решения этого уравнения.

СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ

- коллективное спонтанное испускание эл.-магн. <излучения при переходе системы N возбуждённых излучателей (.>1) в когерентное сфазированное состояние. С. предсказано Р. Г. Дикке(R. Н. Dicke) в 1954, обнаружено экспериментально в 1973 после созданиялазеров.

Дикке показал, что система N инвертированных двухуровневых атомов (см. Двухуровневая система )может спонтанно перейти в осн. состояниеза время, обратно пропорциональное числу атомов Этот эффект обусловлен наведением корреляций между дипльными моментамиперехода пространственно разделённых излучателей, взаимодействующих другс другом через поле излучения. В результате атомы, находящиеся в макроскопическибольшом объёме, излучают когерентно. Поскольку полная энергия, излучаемаяколлективом атомов, равна (w₀ - частота перехода), то интенсивность излучения В случае же обычного спонтанного излучения, когда атомы распадаются независимодруг от друга со временем спонтанного распада Т ₁, не зависящимот числа излучателей, интенсивность

С. ансамбля излучателей обусловливается воздействием поля, испущенногоодним из осцилляторов, на все остальные излучатели ансамбля. Именно этовоздействие способно привести к когерентизации процесса испускания излученияансамблем осцилляторов. Эфф. самонаведение корреляций между дипольнымимоментами осцилляторов возможно лишь в том случае, когда время этого процесса меньше времени релаксации дипольного момента атома Т ₂, а также меньше Т₁ (обычно Т ₂ <T₁). Таким образом, С. представляет собой нестационарныйпроцесс, протекающий за время, меньшее T₁ и Т ₂.Установление корреляций между излучателями происходит самопроизвольно впроцессе излучения, этим С. отличается принципиально от нестационарныхкогерентных процессов, обусловленных внеш. когерентной накачкой, таких, <как самоиндуцированная прозрачность, фотонное эхо и др.

Рис. 1. Схема рабочих уровней (а) и экспериментальной установки (б)в типичном эксперименте по наблюдению сверхизлучения.

Рис. 2. Сравнение сверхизлучения и некогерентного спонтанного распада:а - импульс накачки, инвертирующий рабочий переход; б - интенсивность излученияв случае некогерентного спонтанного распада (Т ₁ ~ 1 с); в -наблюдаемый остронаправленный сигнал сверхизлучения (газ HF), пиковая интенсивностьсигнала сверхизлучения примерно в 10¹⁰ раз превосходит интенсивностьспонтанного распада.

По характеристикам и условиям наблюдения С. отличается и от обычногоспонтанного излучения, и от стимулиров. излучения. Это отличие мощно рассмотретьна примере типичного эксперимента по наблюдению С. (рис. 1,б). Внутри макроскопическибольшого, вытянутого и открытого с обоих концов цилиндра длиной L иплощадью основания Z (, V = LZ, n = N/V )находится N двухуровневых атомов. <Сначала атомы переводятся в верх. состояние (рис. 1,а) достаточно коротким импульсом накачки так, чтобы состояние системы было некогерентным (т. е. <корреляции между дипольными моментами отсутствуют). Затем начинается свободныйраспад системы инвертиров. атомов, характер к-рого зависит от соотношениявременных параметров: Т ₁, Т ₂,, а также - времени пролёта фотона через среду. Если плотность атомов настолько мала, <что ,то каждый атом распадается независимо от других и система излучает спонтаннои изотропно по всем направлениям с характерным временем T₁ (рис. 2,б). Если же выполняется условие

то наблюдается С. Правое неравенство означает, что коллективные процессыпротекают быстрее, чем релак-сац. процессы в каждом атоме. Левое неравенствоозначает, что фотоны покидают объём за время, меньшее времени наведениямежатомных корреляций, так что стимулиров. процессами во время развитияС. можно пренебречь. При выполнении этих условий система N атомовизлучает импульс С., пиковая интенсивность к-рого на неск. порядков превосходитинтенсивность спонтанного излучения, причём осн. часть излучения направленавдоль наиб. вытянутости объёма (рис. 2,в). При часть излучённой энергии снова запитывается в атомную подсистему и излучениеформируется в виде последовательности импульсов с уменьшающимися амплитудами(рис. 2,в) - осцилляторный режим С.

Важной характеристикой С. является время задержки импульса t₀,определяемое по моменту наблюдения максимума импульса, к-рое примерно напорядок превосходит длительность самого импульса С.. Такая задержка импульса С. объясняется тем, что процесс распада начинаетсяс изотропного спонтанного излучения, и лишь благодаря взаимодействию атомовчерез поле излучения в системе происходит нарастание корреляций дипольныхмоментов атомов, к-рые достигают макс. значения как раз в момент t₀.

В случае наблюдается режим усиления спонтанного излучения. Левое неравенство означает, <что поляризация быстро подстраивается под поле, а правое - то, что фотоныостаются внутри среды на время , достаточное для лавинообразного нарастания стимулиров. излучения (протекающегоза время ).В литературе процесс усиления спонтанного излучения наз. также часто сверхлюминесценцией. <С. отличается от него тем, что в формировании С. вынужденные переходыатомов практически не играют роли.

Эффект С. имеет как общефиз., так и прикладное значение. С физ. точкизрения эффект С. является примером кооперативного поведения системы N частиц, <взаимодействующих с эл.-магн. полем. Вопросы о формировании скоррелиров. <состояния в такой системе, выяснение роли геометрии среды в формированиипространственной когерентности и влиянии формы на скорость указанных процессовпредставляют общий интерес. С прикладной точки зрения эффект С. имеет значениекак один из методов получения когерентного излучения в беззеркальных системах. <Особенно это важно для КВ-диапазона (рентгеновского и гамма-излучения),где трудно надеяться на получение высокоотражающих зеркал. Теоретич. оценкипоказывают, что С. может оказаться возможным механизмом генерации когерентногоизлучения в этих диапазонах.

Предлагаемый краткий очерк содержит ответы на некоторые часто задаваемые вопросы о климате и его изменениях. Чаще всего количество запросов о климате резко возрастает после появления в средствах массовой информации сообщений о каких-либо экстремальных явлениях в атмосфере и океане типа штормов, наводнений или засух, а также о катастрофах, причиной которых могли бы быть грозные явления природы. Обычно спрашивают, не связано ли то или другое событие с опасными "изменениями климата", с "глобальным потеплением", о которых все наслышаны, хотя немногие ясно представляют, что это такое.

Прежде всего, уточним определения понятий "климат", "климатическая переменная" и "изменение климата".

Погода определяется как физическое состояние атмосферы в заданной точке земного шара в заданный момент времени. Характеристиками состояния атмосферы являются, в частности, температура воздуха, давление, скорость ветра, влажность, осадки, солнечное сияние и облачность, а также такие явления, как туман, иней, град и другие погодные переменные (элементы погоды).

Климат в узком, но широко распространенном смысле, есть обобщение изменений погоды, и представляется набором условий погоды в заданной области пространства в заданный интервал времени. Для характеристики климата используется статистическое описание в терминах средних, экстремумов, показателей изменчивости соответствующих величин и повторяемостей явлений за выбранный период времени. Все эти дескриптивные статистики называются климатическими переменными.

Наиболее важными и популярными климатическими переменными, часто используемыми как индикаторы состояния и изменения климата, являются температура воздуха у поверхности земли и атмосферные осадки.

В современных исследованиях термин "Климат" используется также вместо термина Глобальный Климат, который характеризуется набором состояний Глобальной Климатической Системы в течение заданного интервала времени. Глобальная климатическая система состоит из пяти основных компонентов: атмосферы, гидросферы, криосферы, поверхности континентов и биосферы, взаимодействие которых существенно влияет на колебания погоды за длительные промежутки времени.

Спектр изменений метеорологических и океанологических величин является непрерывным; как для большинства непериодических процессов, плотность его стремится к бесконечности лишь для периодических составляющих и их гармоник - годовой и суточной компонент.

Опираясь на предложенную академиком А. С. Мониным наиболее полную классификацию колебаний метеорологических и океанографических параметров в зависимости от их масштабов, полезно принять следующую практическую классификацию масштабов изменчивости характеристик климатической системы.

1. Микрометеорологическая изменчивость - от долей секунды до минут; 2. Мезометеорологическая изменчивость - от нескольких минут до часов; 3. Изменчивость, соответствующая синоптическим процессам, - от нескольких часов до двух-трех недель. Внутри этого интервала масштабов возможно индивидуальное прогнозирование и описание основных синоптических объектов, которые характеризуют погоду и ее изменения. За верхнюю границу интервала часто принимают масштаб предсказуемости индивидуальных синоптических процессов, который оценивается в две-три недели; 4. Климатическая изменчивость - от трех недель до нескольких десятилетий. Изменчивость этого масштаба, принятого нами за внутренний временной масштаб климатической системы, характеризует внутриклиматические колебания, или климатическую изменчивость, или флуктуации климата; 5. Межвековая изменчивость; 6. Изменчивость в масштабах тысячелетий; 7. Изменчивость, соответствующая ледниковым периодам.

Предложенное выше определение климата позволяет использовать в качестве климатических переменных любые статистические характеристики любых параметров состояния климатической системы для некоторого заданного интервала времени. Необходимо только точно указывать, какая характеристика и для какого интервала рассматривается.

Изменение климата для заданной области или для Земного шара в целом характеризуется разностью между некоторыми климатическими переменными для двух заданных интервалов времени. Это изменение может считаться реальным, если оно превосходит вероятную ошибку вычисления соответствующих климатических переменных.

Изменения климата могут быть следствием как естественных внутренних и внешних причин, так и следствием человеческой деятельности. В Статье 1 Рамочной Конвенции по Изменению Климата (РКИК) ООН "изменение климата" определяется более узко как "изменение климата, которое прямо или косвенно приписывается человеческой деятельности, меняющей состав глобальной атмосферы, и является добавкой к естественной климатической изменчивости для сравниваемых периодов времени". Таким образом, РКИК ООН делает различие между "изменениями климата", приписываемыми человеческой деятельности, меняющей состав атмосферы, и "климатической изменчивостью", приписываемой влиянию естественных причин. Данные наблюдений позволяют оценивать только суммарные изменения климата вследствие как естественных, так и антропогенных причин. Выявление этих причин является сложной задачей, решаемой в настоящее время с помощью климатических моделей. Мы рекомендуем использовать данное выше более общее определение изменений климата, как это делается в научных исследованиях.

Таким образом, для научного анализа климатической изменчивости и изменений климата могут использоваться любые климатические переменные, а для оценки отклонений от средних любые базовые периоды.

Климат в наши дни

В качестве стандартного периода для оценивания климатических переменных, характеризующих текущий или современный климат, по рекомендации Всемирной Метеорологической Организации (ВМО) используется период в 30 лет. В настоящее время это 1961 – 1990 годы. Термин "норма" по умолчанию означает среднее значение переменной величины именно за указанный период, а отклонение этой величины от "нормы" называют "аномалией".

Климатические нормы вычисляются для различных метеорологических величин и включаются в специальные справочники и информационные системы. Периодически издаются климатологические карты и атласы. Обычно это малотиражные и труднодоступные издания. Здесь на рисунках приводятся карты климатических норм для самых важных величин: температуры воздуха и атмосферных осадков. Данные для этих карт, в частности, собраны и проанализированы в Исследовательской группе Университета Восточной Англии под руководством Ф. Джонса и доступны через интернет для всеобщего использования (http: // ipcc-ddc.cru.uea.ac.uk).

По этим данным построены карты норм температуры воздуха и суммы атмосферных осадков в январе и июле, приведенные на Рис. 1 и Рис. 2. Величины определяются по цветовой шкале помещенной на каждом рисунке.

Читателю рекомендуется внимательно ознакомиться с этими картами и сохранить их, так как они содержат богатый справочный материал о климате любой точки на земле.

Рис. 1. Многолетняя Средняя месячная температура воздуха в январе и июле (⁰C), 1961-1990.

Рис. 2. Многолетние месячные суммы атмосферных осадков в январе и июле (мм/мес.), 1961-1990.

Изменения климата

Нет сомнений, что климат в прошлом менялся, и эти изменения не выходили за пределы опасные для существования жизни на Земле.

Наиболее достоверно изменения климата могут быть оценены по данным инструментальных наблюдений на сети гидрометеорологических станций. Средняя глобальная температура воздуха у поверхности (ТВП) может быть оценена по приземной температуре воздуха над континентами и температуре поверхности океана (ТПО) приблизительно с 1861 г. (см. Рис. 3). Поскольку эта температура оценивается не точно, на графике показаны вертикальные отрезки, внутри которых с вероятностью 95% находятся точные значения. Подобная неопределенность наших знаний присутствует на всех этапах изучения климата.

В течение 20-го века глобальная ТВП увеличилась на 0.6⁰С ±0.2⁰С. Однако во временном ряду ТВП обнаруживается значительная неоднородность во времени и пространстве. В частности, периоды наибольшего потепления в 20-м столетии были с 1910 по 1945 гг. и с 1976 по 2000 гг., а между ними наблюдалось некоторое похолодание.

Рис. 3. Изменения температуры у земной поверхности.

а – за 140 лет показаны 95%-доверительные интервалы средней по земному шару годовой температуры по данным инструментальных наблюдений;

б – для Северного полушария за последнее тысячелетие по косвенным данным и за последние 140 лет по данным инструментальных наблюдений;

в – для района Антарктики за последние 450 тысяч лет по косвенным данным, полученным при бурении льда на станции Восток.

Современный анализ косвенных данных о ТВП Северного полушария показывает, что величина потепления 20-го века была больше, чем в любое столетие прошедшего тысячелетия. 90-е годы были самым теплым десятилетием, а 1998 г. – самым теплым годом. Данных наблюдений недостаточно для оценки годовых ТВП Северного полушария ранее, чем 1000 лет тому назад, и Южного полушария – до 1861 г.

В связи с тем, что наблюдаемое изменение климата обнаружилось в первую очередь в увеличении температура воздуха у поверхности земли почти всюду и в среднем для Земного Шара, это явление получило название "Глобального Потепления". Осознание серьёзности этого факта и его потенциальной опасности привело к учреждению Всемирной климатической программы, организации Межправительственной Группы Экспертов по Изменениям Климата (МГЭИК) и принятию Рамочной Конвенции по Изменениям Климата в ООН.

Последний Третий Отчет МГЭИК об оценках изменений климата, в подготовке которого авторы принимали участие, широко использован при подготовке настоящей статьи.

В период с 1950 по 1993 гг. ночные минимальные значения температуры воздуха над сушей росли примерно на 0.2⁰С за десятилетие. Это примерно вдвое больше, чем рост дневных максимальных температур (0.1⁰С на десятилетие). Это привело к удлинению безморозного периода во многих районах в средних и высоких широтах. Рост температуры поверхности океана в этот период был примерно вдвое меньше, чем в среднем для ТВП над сушей.

Наблюдающееся в 20 веке глобальное потепление проявляется во всех регионах России. За столетие потепление для территории России в целом составило около 1⁰С. После 1970 г. тренд потепления составил около 4⁰С/100 лет. Потепление более заметно зимой и весной и почти не наблюдается осенью (в последнее 30-летие произошло даже некоторое похолодание в западных регионах). Потепление происходило более интенсивно к востоку от Урала.

По данным радиозондирования, температура нижнего 8-километрового слоя атмосферы с конца 1950-х годов росла, подобно ТВП, примерно на 0.1⁰С за десятилетие. В стратосфере в это время отмечено похолодание. (См. Рис. 4) Средняя по высоте температура воздуха почти не менялась. С этой точки зрения термин "глобальное потепление" не вполне точен, лучше говорить о "потеплении у поверхности".

Спутниковые данные показывают, что, начиная с конца 60-х годов, произошло уменьшение площади снежного покрова примерно на 10 %, а наземные данные показывают, что в течение 20-го столетия произошло уменьшение примерно на 2 недели продолжительности существования ледяного покрова на реках и озерах в средних и высоких широтах Северного полушария. В 20-м веке наблюдалось повсеместное отступление горных ледников в неполярных районах.

В северном полушарии с 1950-х годов площадь морского льда в весенний и летний периоды сократилась почти на 10-15%. Произошло также уменьшение толщины морского льда на 40% с конца лета и до начала осени, но в зимний период толщина льда уменьшалась значительно медленнее.

В течение 20-го века средний уровень моря поднялся на 0.1-0.2 м. Весьма вероятно, что это объясняется, как минимум, тепловым расширением морской воды и повсеместным таянием материкового льда, связанным с потеплением. В период с конца 50-х годов, когда появились надежные наблюдения за температурой нижних слоев океана, теплосодержание океана возрастало.

Рис. 4 Изменения температуры воздуха в свободной атмосфере.

Атмосферные осадки в 20-м столетии росли на 0.5-1% за десятилетие в большинстве районов высоких и средних широт Северного полушария, при этом во второй половине века несколько возрастала повторяемость сильных осадков. Вероятно, что примерно на 0.2-0.3% за десятилетие осадки увеличивались и над тропическими зонами континентов (от 10⁰ с.ш. до 10⁰ ю. ш.), но рост осадков в тропиках в течение нескольких последних десятилетий не очевиден. Над субтропиками Северного полушария между 10⁰-30⁰ с.ш. в течение 20-го века осадки убывали примерно на 3% за десятилетие. В противоположность Северному полушарию, в большинстве широтных зон Южного полушария никаких достаточно систематических изменений осадков не было обнаружено. Нет достаточных данных, чтобы установить тренды в осадках над океанами.

С 1900 по 1995 гг. на континентах не обнаружено монотонных трендов в повторяемости сильных засух или периодов переувлажнения, хотя их повторяемость существенно меняется в масштабах десятилетий. В некоторых районах Азии и Африки повторяемость и интенсивность засух увеличивалась в последнее десятилетие.

Во второй половине 20-го века уменьшилась повторяемость экстремально низких температур и несколько увеличилась повторяемость экстремально высоких температур.

Начиная с 50-х годов, теплые эпизоды Эль-Ниньо – Южного Колебания, являющиеся причиной суровых засух и периодов переувлажнения в странах вокруг тропической зоны Тихого океана, стали более частыми, более устойчивыми и более интенсивными по сравнению с предшествующими 100 годами.

В то же время некоторые области земного шара, в частности, районы океанов Южного полушария и части Антарктики не стали теплее в последнее десятилетие. Отсутствовали значимые тренды в протяженности антарктических морских льдов, начиная с 1978 г., когда появились надежные спутниковые измерения.

По ограниченным данным не было обнаружено трендов в интенсивности и частоте тропических и внетропических циклонов во второй половине 20-го столетия, хотя значительные флуктуации наблюдались в масштабах десятилетий.