Изменение климата - сложная и противоречивая тема. Документированные данные ясно показывают, что эволюция климата совершенно нормальна и длится миллионы лет. За это время на Земле было много периодов с переменными средними температурами. Во время ледниковых периодов было намного холоднее, а в другое время - намного теплее, чем сегодня. Однако за последние два столетия изменение климата прогрессировало намного быстрее, чем когда-либо прежде. С начала 20 века температура поверхности земного шара увеличилась примерно на 0,75 ° C, а к середине этого века может повыситься еще на 1,5-4 ° C.
В чем причина этого? Понимание всех последствий недавних изменений требует глубокого понимания причин и следствий изменения климата, а также механизмов вымогательства, то есть физических явлений, вызывающих изменения в атмосфере и реакции климатической системы на эти силы. Эта статья и все материалы, размещенные на сайте Naukaoklimacie.pl, предназначены для ознакомления читателей со сложными механизмами, которые формируют климат и влияют на его текущие изменения.
Факторы, определяющие климат
Основные факторы, влияющие на климат Земли, включают: солнечную активность, континентальную систему, толщину снежного и ледяного покрова, вулканическую активность, концентрацию аэрозолей в атмосфере и выбросы парниковых газов.
Солнце - это звезда среднего размера, которая медленно превращает водород в гелий с помощью термоядерного синтеза. За 4,6 миллиарда лет истории температура, размер и яркость этой звезды увеличивались на 10% за каждый миллиард лет. В результате сегодня солнце светит на десятки процентов больше, чем вначале, а через миллиард лет оно будет светить так сильно, что океаны испарятся на Земле, что приведет к концу жизни на Земле. К счастью, этот процесс длится десятки миллионов лет, поэтому его влияние на наблюдаемые в настоящее время изменения практически незаметно. Количество солнечной энергии, получаемой нашей планетой и ее отдельными частями, также определяется 11-летним циклом солнечной активности, а также изменениями орбитального движения Земли и выравниванием ее оси по отношению к орбите (так называемые циклы Миланковича).
Расположение континентов влияет на климат Земли в первую очередь за счет изменения направления океанских течений, которые распределяют энергию между разными широтами. Как и эволюция Солнца, континентальная миграция - очень медленный процесс, заметный только на протяжении миллионов лет, поэтому влияние континентальных изменений на климат настолько незначительно, что почти незаметно: Земля в конце эпохи динозавров, 65 миллионов лет назад, выглядела очень похожей на сегодняшнюю. .
Снег и лед имеют большое значение в формировании средних температур на Земле. Они поглощают около 15% энергии, поставляемой Солнцем, в то время как земля или водоем без них поглощает даже 90%, благодаря чему сильно нагревается. Повышение температуры обнажает темную поверхность земли, которая нагревается намного быстрее, чем лед. Чем больше обнаружено почвы, тем быстрее повышается температура и тем быстрее происходит дальнейшее таяние снега и льда. В результате таяние полярных шапок усиливает эффект (и, таким образом, как говорят ученые, становится положительной обратной связью) на изменения температуры в полярных регионах.
Предупреждение! Изменение размера полярных шапок не является механизмом, который вызывает изменение климата. Коренные причины лежат в другом месте. Таяние ледяной шапки только усиливает окончательный эффект этих явлений, ускоряя изменение климата во всем мире.
Вулканы и их деятельность влияют на климат Земли двояко. Во-первых, каждое извержение вулкана выбрасывает оксиды серы в стратосферу. Они вступают в реакцию с кислородом и водой с образованием капель серной кислоты (разновидность аэрозоля), рассеивая солнечный свет и отражая его часть обратно в космос. Это уменьшает поток энергии, достигающий поверхности Земли, в результате чего температура в атмосфере падает. Во-вторых, это также приводит к дополнительному выбросу углекислого газа в атмосферу.
Аэрозоли , то есть такие частицы, как сажа, плавающие в атмосфере, или капли серной кислоты, упомянутые выше, влияют на климат различными способами. Изменение их концентрации способствует изменению облачного покрова и снижает способность облаков отражать солнечный свет и производить осадки. Несмотря на высокую концентрацию аэрозолей в атмосфере, скорость их удаления (в основном за счет атмосферных осадков) настолько высока, что они оказывают лишь краткосрочное воздействие на климат.
парниковые газыэто фактор, влияющий на климат, на который человек оказывает наибольшее влияние. Как они повышают температуру Земли? Солнечный свет в значительной степени проникает через атмосферу и достигает поверхности нашей планеты. Некоторые отскакивают и бегут обратно в космос. Однако большая часть поглощается Землей. Его поверхность, нагретая этим, сама начинает излучать, «светиться», но уже не в видимом свете, а в (дальнем) инфракрасном. Это излучение останавливается парниковыми газами, присутствующими в атмосфере, которые, хотя и пропускают солнечный свет, поглощают инфракрасное излучение, медленно повышая температуру. Сама теплая атмосфера начинает «светиться» инфракрасным светом во все стороны. Часть этой радиации уходит в космос (мы видим это, например, в ежедневном прогнозе погоды, глядя на спутниковые изображения облачного покрова), а часть поглощается поверхностью планеты. Это «обратное излучение» атмосферы. Описанный механизм есть не что иное, как так называемыйпарниковый эффект , вызванный такими газами, как диоксид углерода (CO 2 ), метан (CH 4 ), оксид азота (N 2 O) и водяной пар.
Это явление существовало на Земле задолго до появления человека. Именно благодаря ему температура на поверхности Земли за всю ее историю повысилась примерно на 33 ° C. Если бы не присутствие парниковых газов в атмосфере Земли, температура поверхности была бы значительно ниже точки замерзания воды, и наша планета была бы покрыта льдом до экватора.
Почему мы должны обращать внимание на парниковые газы?
Парниковый газ с самой высокой концентрацией в атмосфере - это водяной пар. Его частицы составляют в среднем 0,4% атмосферы. У этого газа есть особое свойство: его содержание в воздухе не должно превышать определенного предела, диктуемого текущей температурой воздуха. Когда температура ниже, чем так называемая точка росы, избыточный пар конденсируется и образует облака, дождь или снег. С другой стороны, когда воздух у поверхности Земли выше точки росы, вода испаряется с поверхности океанов и суши, поэтому содержание пара в атмосфере увеличивается. Следующим парниковым газом, вторым по концентрации в атмосфере, является углекислый газ - его содержание в воздухе составляет 0,04%.
Из-за различных свойств парниковых газов (включая долю поглощаемого ими инфракрасного излучения) их влияние на повышение температуры Земли различно и не зависит от их концентрации в атмосфере. Можно приблизительно предположить, что водяной пар (вместе с облаками) ответственен за 75% парникового эффекта. Воздействие углекислого газа составляет 20%, а общее количество других парниковых газов составляет около 5%. Как видно, влияние водяного пара слабее, чем можно было бы предположить по его доле в атмосфере (90% молекул парникового газа). Он остается концентрированным близко к поверхности Земли, в то время как газосодержание всех слоев атмосферы важно для общего парникового эффекта.
Этот проклятый CO 2
Двуокись углерода остается газом, выбросы которого наиболее тесно связаны с деятельностью человека. Ежегодно только за счет сжигания ископаемого топлива мы производим около 35 миллиардов тонн CO 2, что соответствует почти 10 миллиардам. тонн углерода в год. Почти половина наших выбросов поглощается океанами и сушей. Остальное же накапливается в атмосфере.
С конца 1950-х годов (поскольку ведется систематический и очень тщательный мониторинг содержания CO 2 в атмосфере ) концентрация этого газа в атмосфере увеличилась с 315 ppm (частиц на миллион частиц воздуха) до 398 ppm в 2013 году (9 мая сообщалось даже с концентрацией 400 ppm). С увеличением сжигания ископаемого топлива увеличение концентрации CO 2 в воздухе ускоряется: в настоящее время она увеличивается на 2 части на миллион каждый год, если скорость роста CO 2 останется неизменной около 2040 года, мы достигнем 450 частей на миллион.
Анализ исторических уровней CO 2 в воздухе на основе таких научных методов, как:
- изучение пузырьков воздуха в ледниках,
- масс-спектроскопия, позволяющая анализировать изменение концентрации различных изотопов углерода в атмосферном CO 2 ,
- измерение концентрации кислорода в воздухе,
- анализ закисления океана,
не оставляют сомнений. Концентрация углекислого газа в атмосфере оставалась практически неизменной на уровне 280 частей на миллион примерно до 1800 года и начала быстро расти с началом промышленной революции.
Хотя количество углекислого газа, производимого людьми, значительно увеличилось с начала промышленной революции, его выбросы все еще незначительны по сравнению с выбросами из естественных источников (океаны, растения). Люди выбрасывают в атмосферу только 5% этого газа. Выбросы CO 2 от сжигания 10 миллиардов тонн углерода ископаемого топлива на порядок ниже, чем количество CO 2, выбрасываемого в атмосферу океанами или растениями. 10 миллиардов тонн против 90 миллиардов тонн из океанов, 60 миллиардов тонн из почвы и второе количество из растений - это немного.
Так почему стоит беспокоиться об увеличении выбросов человека? Углерод циркулирует между огромными резервуарами: биосферой, почвой, горными породами, водами, атмосферой Земли и отложениями (включая ископаемое топливо). Общее количество углерода, циркулирующего в этом углеродном цикле, не меняется, по крайней мере, в течение коротких периодов времени. Природные источники уравновешивают друг друга. Наши выбросы представляют собой постоянный избыток, с которым трудно справиться, поскольку они накапливаются в атмосфере, океане и почве.
Добывая и сжигая ископаемое топливо, мы быстро вводим в углеродный цикл ресурсы углерода, удаленные из него природой в течение десятков и сотен миллионов лет. Наблюдаемое ежегодное увеличение концентрации двуокиси углерода в атмосфере на 2 ppm представляет собой увеличение массы и углерода в атмосфере на 4,25 миллиарда тонн, что при наших общих выбросах на уровне 10 миллиардов тонн (9 миллиардов от сжигания ископаемого топлива и около 1 миллиарда тонн в результате обезлесения) означает, что что менее половины из них остается в атмосфере - остальная часть поглощается в аналогичных пропорциях океанами и остается в почве.
Многие признаки указывают на то, что процессы, замедляющие рост концентрации CO 2 в атмосфере, становятся все менее эффективными. Океаны подкисляются, и баланс находится между атмосферным углекислым газом и CO 2.растворенный в океанах, он движется к все более и более высокой концентрации этого газа. Более того, теплая вода может хранить меньше углекислого газа, чем холодная. По мере повышения температуры океаны захотят избавиться от этого газа. Растительность, как правило, лучше растет в условиях повышенных концентраций углекислого газа в атмосфере. Однако изменение климатических зон, водные ограничения и обезлесение означают, что растительность не сможет поглощать больше углекислого газа. Повышение температуры также ускорит процессы гниения и высвобождения углерода почвами, приведет к плавлению вечной мерзлоты и высвобождению захваченных органических материалов. Бактерии, которые жили в медленно вырабатывались метан и углекислый газ, что привело к накоплению огромного количества этих газов в замерзшей вечной мерзлоте. По оценкам, только поверхностный слой вечной мерзлоты (глубиной до 3 метров) содержит более 1600 миллиардов тонн углерода - в два раза больше, чем в сегодняшней атмосфере. По мере повышения температуры активность бактерий увеличивается, а выделяемая ими энергия вызывает дополнительный внутренний нагрев и ускоряет размораживание. В результате таяния вечной мерзлоты в атмосферу будут выделяться парниковые газы, соответствующие 10–100% выбросов от ископаемого топлива. Таким образом, даже в этом столетии, возможно, даже при нашей жизни, земли вместо поглощения наших выбросов могут стать их источником. По мере повышения температуры активность бактерий увеличивается, а выделяемая ими энергия вызывает дополнительный внутренний нагрев и ускоряет размораживание. В результате таяния вечной мерзлоты в атмосферу будут высвобождаться парниковые газы, соответствующие 10-100% выбросов от ископаемого топлива. Таким образом, даже в этом столетии, возможно даже при нашей жизни, земли вместо поглощения наших выбросов могут стать их источником. По мере повышения температуры активность бактерий увеличивается, а выделяемая ими энергия вызывает дополнительный внутренний нагрев и ускоряет размораживание. В результате таяния вечной мерзлоты в атмосферу будут выделяться парниковые газы, соответствующие 10–100% выбросов от ископаемого топлива. Таким образом, даже в этом столетии, возможно, даже при нашей жизни, земли вместо поглощения наших выбросов могут стать их источником.
В сценарии сжигания всего ископаемого топлива (5000 миллиардов тонн) концентрация углекислого газа увеличится примерно до 2000 частей на миллион, а затем через несколько тысяч лет упадет до 1000 частей на миллион и останется на этом уровне. В этом сценарии 30-50% каждой тонны углекислого газа, который мы выбрасываем сегодня, остается в атмосфере через тысячу лет. Постепенно выветривание горных пород, усиливающееся при высокой температуре, будет вытягивать избыток углекислого газа, но эти процессы занимают сотни тысяч лет. Поэтому на быстрое устранение техногенных повреждений рассчитывать не приходится.