Изменение климата

Глобальные изменения климата за последние 0,5 млн лет.
Климатические индикаторы: изменение уровня океана (синий), концентрация ¹⁸O в морской воде, концентрация CO₂ в антарктическом льду. Деление временной шкалы — 20 000 лет. Пики уровня моря, концентрации CO₂ и минимумы ¹⁸O совпадают с межледниковыми температурными максимумами.

Изменение климата — колебания климата Земли в целом или отдельных её регионов с течением времени, выражающиеся в статистически достоверных отклонениях параметров погоды от многолетних значений за период времени от десятилетий до миллионов лет. Учитываются изменения как средних значений погодных параметров, так и изменения частоты экстремальных погодных явлений. Изучением изменений климата занимается наука палеоклиматология. Причиной изменения климата являются динамические процессы на Земле, внешние воздействия, такие как колебания интенсивности солнечного излучения, и, с недавних пор, деятельность человека. Изменения в современном климате (в сторону потепления) наз. глобальное потепление.

Проявления климатических изменений

Погода — это ежедневное состояние атмосферы. Погода является хаотичной нелинейной динамической системой. Климат — это усредненное состояние погоды и он предсказуем. Климат включает в себя такие показатели, как средняя температура, количество осадков, количество солнечных дней и другие переменные, которые могут быть измерены в каком-либо определенном месте. Однако на Земле происходят и такие процессы, которые могут оказывать влияние на климат.

Оледенения

Ледники признаны одними из самых чувствительных показателей изменения климата. Они существенно увеличиваются в размерах во время охлаждения климата (т. н. «малые ледниковые периоды») и уменьшаются во время потепления климата. Ледники растут и тают из-за природных изменений и под влиянием внешних воздействий. В прошлом веке ледники не были способны регенерировать достаточно льда в течение зим, чтобы восстановить потери льда во время летних месяцев.

Самые значительные климатические процессы за последние несколько миллионов лет — это смена гляциальных (ледниковых эпох) и интергляциальных (межледниковий) эпох текущего ледникового периода, обусловленные изменениями орбиты и оси Земли. Изменение состояния континентальных льдов и колебания уровня моря в пределах 130 метров являются в большинстве регионов ключевыми следствиями изменения климата.

Изменчивость мирового океана

В масштабе десятилетий климатические изменения могут быть результатом взаимодействия атмосферы и мирового океана. Многие флуктуации климата, включая наиболее известную южную осцилляцию Эль-Ниньо, а также североатлантическую и арктическую осцилляции, происходят отчасти благодаря возможности мирового океана аккумулировать тепловую энергию и перемещению этой энергии в различные части океана. В более длительном масштабе в океанах происходит термохалинная циркуляция, которая играет ключевую роль в перераспределении тепла и может значительно влиять на климат.

Климатическая память

В более общем аспекте изменчивость климатической системы является формой гистерезиса, то есть это значит, что настоящее состояние климата является не только следствием влияния определенных факторов, но также и всей историей его состояния. Например, за десять лет засухи озера частично высыхают, растения погибают, и площадь пустынь увеличивается. Эти условия вызывают, в свою очередь, менее обильные дожди в последующие за засухой годы. Т. о. изменение климата является саморегулирующимся процессом, поскольку окружающая среда реагирует определенным образом на внешние воздействия, и, изменяясь, сама способна воздействовать на климат.

Факторы изменения климата

Изменения климата обусловлены переменами в земной атмосфере, процессами, происходящими в других частях Земли, таких как океаны, ледники, а также эффектами, сопутствующими деятельности человека. Внешние процессы, формирующие климат, — это изменения солнечной радиации и орбиты Земли.

• изменение размеров, рельефа и взаимного расположения материков и океанов,
• изменение светимости солнца,
• изменения параметров орбиты и оси Земли,
• изменение прозрачности и состава атмосферы, в том числе изменение концентрации парниковых газов (СО₂ и CH₄),
• изменение отражательной способности поверхности Земли (альбедо),
• изменение количества тепла, имеющегося в глубинах океана,
• изменение естественного подслоя Земли между ядром и земной корой, вследствие откачки нефти и газа.

Неантропогенные факторы и их влияние на изменение климата

Тектоника литосферных плит

На протяжении длительных отрезков времени тектонические движения плит перемещают континенты, формируют океаны, создают и разрушают горные хребты, то есть создают поверхность, на которой существует климат. Недавние исследования показывают, что тектонические движения усугубили условия последнего ледникового периода: около 3 млн лет назад северо- и южноамериканская плиты столкнулись, образовав Панамский перешеек и закрыв пути для прямого смешивания вод Атлантического и Тихого океанов.

Солнечное излучение

Изменение солнечной активности на протяжении последних нескольких столетий

Солнце является основным источником тепла в климатической системе. Солнечная энергия, превращённая на поверхности Земли в тепло, является неотъемлемой составляющей, формирующей земной климат. Если рассматривать длительный период времени, то в этих рамках Солнце становится ярче и выделяет больше энергии, так как развивается согласно главной последовательности. Это медленное развитие влияет и на земную атмосферу. Считается, что на ранних этапах истории Земли Солнце было слишком холодным для того, чтобы вода на поверхности Земли была жидкой, что привело к т. н. «парадоксу слабого молодого Солнца».

На более коротких временных отрезках также наблюдаются изменения солнечной активности: 11-летний солнечный цикл и более длительные вековыми и тысячелетними модуляции. Однако 11-летний цикл возникновения и исчезновения солнечных пятен не отслеживается явно в климатологических данных. Изменение солнечной активности считается важным фактором наступления малого ледникового периода, а также некоторых потеплений, наблюдаемых между 1900 и 1950 годами. Циклическая природа солнечной активности ещё не до конца изучена; она отличается от тех медленных изменений, которые сопутствуют развитию и старению Солнца.

Циклы Миланковича

В ходе своей истории планета Земля регулярно изменяет эксцентриситет своей орбиты, а также направление и угол наклона своей оси, что приводит к перераспределению солнечного излучения на поверхности Земли. Эти изменения принято называть «циклы Миланковича», они предсказуемы с высокой точностью. Различают 4 цикла Миланковича:

1. Прецессия — поворот земной оси под влиянием притяжения Луны, а также (в меньшей степени) Солнца. Как выяснил Ньютон в своих «Началах», сплюснутость Земли у полюсов приводит к тому, что притяжение внешних тел поворачивает земную ось, которая описывает конус с периодом (по современным данным) примерно 25 776 лет, в результате которого меняется сезонная амплитуда интенсивности солнечного потока на северном и южном полушариях Земли;
2. Нутация — долгопериодические (так называемые вековые) колебания угла наклона земной оси к плоскости её орбиты с периодом около 41 000 лет;
3. Долгопериодические колебания эксцентриситета орбиты Земли с периодом около 93 000 лет;
4. Перемещение перигелия орбиты Земли и восходящего узла орбиты с периодом соответственно 10 и 26 тысяч лет.

Поскольку описанные эффекты являются периодическими с некратным периодом, регулярно возникают достаточно продолжительные эпохи, когда они оказывают кумулятивное влияние, усиливая друг друга. Они считаются главными причинами чередования гляциальных и интергляциальных циклов последнего ледникового периода, в том числе объясненяют Климатический оптимум голоцена. Результатом прецессии земной орбиты являются и менее масштабные изменения, такие как периодическое увеличение и уменьшение площади пустыни Сахара.

Вулканизм

Одно сильное извержение вулкана способно повлиять на климат, вызвав похолодание длительностью несколько лет. Например, извержение вулкана Пинатубо в 1991 году существенно повлияло на климат. Гигантские извержения, формирующие крупнейшие магматические провинции, случаются всего несколько раз в сто миллионов лет, но они влияют на климат в течение миллионов лет и являются причиной вымирания видов. Первоначально предполагалось, что причиной похолодания является выброшенная в атмосферу вулканическая пыль, поскольку она препятствует достигнуть поверхности Земли солнечному излучению. Однако измерения показывают, что большая часть пыли оседает на поверхности Земли в течение шести месяцев.

Вулканы являются также частью геохимического цикла углерода. На протяжении многих геологических периодов диоксид углерода высвобождался из недр Земли в атмосферу, нейтрализуя тем самым количество СО₂, изъятого из атмосферы и связанного осадочными породами и другими геологическими поглотителями СО₂. Однако этот вклад не сравнится по величине с антропогенной эмиссией оксида углерода, которая, по оценкам Геологической службы США, в 130 раз превышает количество СО₂, эмитированного вулканами.

Антропогенное воздействие на изменение климата

Антропогенные факторы включают в себя деятельность человека, которая изменяет окружающую среду и влияет на климат. В некоторых случаях причинно-следственная связь прямая и недвусмысленная, как, например, при влиянии орошения на температуру и влажность, в других случаях эта связь менее очевидна. Различные гипотезы влияния человека на климат обсуждались на протяжении многих лет. В конце 19-го века в западной части США и Австралии была, например, популярна теория «дождь идёт за плугом» (англ. rain follows the plow).

Главными проблемами сегодня являются: растущая из-за сжигания топлива концентрация СО₂ в атмосфере, аэрозоли в атмосфере, влияющие на её охлаждение, и цементная промышленность. Другие факторы, такие как землепользование, уменьшение озонового слоя, животноводство и вырубка лесов, также влияют на климат.

Парниковые газы

Принято считать, что парниковые газы являются главной причиной глобального потепления. Парниковые газы имеют также значение для понимания климатической истории Земли. Согласно исследованиям, парниковый эффект, возникающий в результате нагревания атмосферы тепловой энергией, удерживаемой парниковыми газами, является ключевым процессом, регулирующим температуру Земли.

В течение последних 500 млн лет концентрация диоксида углерода в атмосфере варьировались от 200 до более чем 5 000 чнм из-за воздействия геологических и биологических процессов. Однако в 1999 г. Вейзер и др. показали, что на протяжении последних десятков миллионов лет нет строгой корреляции между концентрацией парниковых газов и изменением климата и что более важная роль принадлежит тектоническому движению литосферных плит. Позднее Ройер и др. использовали корреляцию СО₂ — климат, чтобы вывести значение «чувствительности климата». Есть несколько примеров быстрых изменений концентрации парниковых газов в земной атмосфере, имеющих строгую корреляцию с сильным потеплением, среди которых термальный максимум палеоцена — эоцена, вымирание видов перми — триаса и конец варяжской «Земли — снежка» (snowball earth event).

Растущий уровень диоксида углерода считается главной причиной глобального потепления, начиная с 1950 года. Согласно данным Межгосударственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) от 2007 года, концентрация СО₂ в атмосфере в 2005 году составила 379 чнм, в доиндустриальный период она составляла 280 чнм.

Чтобы предотвратить резкое потепление в ближайшие годы, концентрация углекислоты должна быть снижена до уровня, существовавшего до индустриальной эпохи — до 350 частей на миллион (0,035 %) (сейчас — 385 частей на миллион и увеличивается на 2 миллионные доли (0,0002 %) в год, в основном из-за сжигания ископаемого топлива и вырубки лесов).

Имеется скептическое отношение к геоинженерным методам изъятия углекислоты из атмосферы, в частности, к предложениям захоранивать углекислый газ в тектонических трещинах или закачивать его в породы на океанском дне: изъятие 50 миллионных долей газа по этой технологии будет стоить, по меньшей мере, 20 триллионов долларов, что в два раза больше национального долга США.

Сжигание топлива

Начав расти во время промышленной революции в 1850-х годах и постепенно ускоряясь, потребление человечеством топлива привело к тому, что концентрация СО₂ в атмосфере возросла с ~280 чнм до 380 чнм. При таком росте спроецированная на конец 21-го века концентрация будет составлять более 560 чнм. Известно, что сейчас уровень СО₂ в атмосфере выше, чем когда-либо за последние 750 000 лет. Вместе с увеличивающейся концентрацией метана эти изменения предвещают рост температуры на 1.4-5.6°С в промежутке между 1990 и 2040 годами.

Цементная промышленность

Производство цемента является интенсивным источником выбросов СО₂. Диоксид углерода образуется, когда карбонат кальция(CaCO₃) нагревают, чтобы получить ингредиент цемента оксид кальция (СаО или негашёная известь). Производство цемента является причиной приблизительно 5 % выбросов СО₂ индустриальных процессов (энергетический и промышленный сектора). При затворении цемента то же количество СО₂ поглощается из атмосферы при протекании обратной реакции СаО + СО₂ = СаСО₃. Поэтому производство и потребление цемента изменяет только локальные концентрации СО₂ в атмосфере, не изменяя среднее значение.

Аэрозоли

Считается, что антропогенные аэрозоли, особенно сульфаты, выбрасываемые при сжигании топлива, влияют на охлаждение атмосферы. Полагают, что это свойство является причиной относительного «плато» на графике температур в середине XX века.

Землепользование

Существенное влияние на климат оказывает землепользование. Орошение, вырубка лесов и сельское хозяйство коренным образом меняют окружающую среду. Например, на орошаемой территории изменяется водный баланс. Землепользование может изменить альбедо отдельно взятой территории, поскольку изменяет свойства подстилающей поверхности и тем самым количество поглощаемого солнечного излучения. Например, есть причины предполагать, что климат Греции и других средиземноморских стран поменялся из-за масштабной вырубки лесов между 700 лет до н. э. и началом н. э. (древесина использовалась для строительства, кораблестроения и в качестве топлива), став более жарким и сухим, а те виды деревьев, которые использовались в кораблестроении, не растут больше на этой территории.

Согласно исследованию 2007 года Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) средняя температура в Калифорнии возросла за последние 50 лет на 2°С, причём в городах этот рост намного выше. Это является в основном следствием антропогенного изменения ландшафта.

Скотоводство

Согласно отчету ООН «Длинная тень скотоводства» от 2006 года скот является причиной 18 % выбросов парниковых газов в мире. Это включает в себя и изменения в землепользовании, то есть вырубку леса под пастбища. В тропических лесах Амазонки 70 % вырубки лесов производится под пастбища, что послужило основной причиной, почему Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (англ. Food and Agriculture Organization, FAO) в сельскохозяйственном отчёте за 2006 год включила землепользование в сферу влияния скотоводства. В дополнение к выбросам СО₂, скотоводство является причиной выброса 65 % оксида азота и 37 % метана, имеющих антропогенное происхождение.

Этот показатель был пересмотрен в 2009 году двумя учёными из Worldwatch Institute: они оценили вклад животноводства в выбросы парниковых газов в 81 % общемирового.

Взаимодействие факторов

Влияние на климат всех факторов, как естественных, так и антропогенных, выражается единой величиной — радиационным прогревом атмосферы в Вт/м².

Извержения вулканов, оледенения, дрейф континентов и смещение полюсов Земли — мощные природные процессы, влияющие на климат Земли. В масштабе нескольких лет вулканы могут играть главную роль. В результате извержения вулкана Пинатубо в 1991 года на Филиппинах на высоту 35 км было заброшено столько пепла, что средний уровень солнечной радиации снизился на 2,5 Вт/м². Однако эти изменения не являются долгосрочными, частицы относительно быстро оседают вниз. В масштабе тысячелетий определяющим климат процессом будет, вероятно, медленное движение от одного ледникового периода к следующему.

В масштабе нескольких столетий на 2005 год по сравнению с 1750 годом имеется комбинация разнонаправленных факторов, каждый из которых значительно слабее, чем результат роста концентрации в атмосфере парниковых газов, оцениваемый как прогрев на 2,4-3,0 Вт/м². Влияние человека составляет менее 1 % от общего радиационного баланса, а антропогенное усиление естественного парникового эффекта — примерно 2 %, с 33 до 33,7 град С. Таким образом, средняя температура воздуха у поверхности Земли увеличилась с доиндустриальной эпохи (примерно с 1750 года) на 0,7 °С

Цикличность изменений климата

35-45 летние циклы изменений климата

Чередование прохладно-влажных и тепло-сухих периодов в интервале 35-45 лет, выдвинута ещё в конце XIX в. русскими учеными Э. А. Брикнером и А. И. Воейковым. Впоследствии эти научные положения были существенно развиты А. В. Шнитниковым в виде стройной теории о внутривековой и многовековой изменчивости климата и общей увлажненности материков Северного полушария. В основу системы доказательств положены факты о характере изменения горного оледенения Евразии и Северной Америки, уровней наполнения внутренних водоемов, в том числе Каспийского моря, уровня Мирового океана, изменчивость ледовой обстановки в Арктике, исторические сведения о климате.

Влияние изменений климата на биоту и экосистемы

Климатические изменения оказывают значимое влияние на биоту и экосистемы. Среди таких климатогенных эффектов можно выделить: сдвиги ареалов животных и смещение границ лесной растительности в меридиональном направлении и по высоте в горах а также изменение площади зон вечной мерзлоты.

См. также

• Глобальное потепление
• Парниковый эффект
• Рамочная конвенция ООН об изменении климата
• Адаптация к глобальному изменению климата

Литература

• Воейков А. И. Колебания климата и уровня озёр Туркестана и Западной Сибири. — Метеорологический вестник № 3.1901. — С. 16-27.
• Кривенко В. Г. Концепция внутривековой и многовековой изменчивости климата как предпосылка прогноза // Климаты прошлого и климатический прогноз. М., 1992. С. 39-40.[1]
• Шнитников А. В. Внутривековая изменчивость компонентов общей увлажненности. — Л. Наука, 1969. — 244 с.
• Монин А. С., Шишков Ю. А. История климата. Л., Гидрометеоиздат, 1979. 408 с.

Ссылки

• Кто сделал нам погоду
• Исследование уровня углекислого газа за прошлые 2,1 млн лет
• Концепция природной циклики
• Лекция (на Полит. Ру) В.Клименко: (что ждать от климата).