Лекция № 11. Тема:Глобальные изменения земного климата

Тема: Глобальные изменения земного климата

Цель: Дать основные понятия и определения учения о биосфере; сформировать у студентов представления о строении биосферы Земли

Изменения климата – длительные (свыше 10 лет) направленные или ритмические изменения климатических условий на Земле в целом или в ее крупных регионах. Причиной изменения климата являются динамические процессы на Земле, внешние воздействия, такие как колебания интенсивности солнечного излучения, и, в огромной степени, деятельность человека. По данным Всемирной метеорологической организации, в последние десятилетия среднегодовая температура увеличивается аномально быстро.

Проблема глобального изменения климата является одной из ключевых экологических проблем Земли. Причиной изменения климата являются динамические процессы на планете, внешние воздействия, такие как колебания интенсивности солнечного излучения, и, в огромной степени, деятельность человека.

На сегодняшний день достоверно установлено, что климат Земли никогда не был постоянным. Причем эти изменения в прошлом были весьма значительными и иногда происходили очень быстро. Поверхность Земли покрывалась ледниками, а затем эти ледники исчезали, и на значительной территории Земли устанавливался тропический климат. В прошлом Земли обнаружено несколько десятков таких ледниковых периодов. Повторялись они нерегулярно, промежутки между ними составляют от 40 тысяч до нескольких сотен тысяч лет. Последний ледниковый период начал отступать всего 20 тысяч лет назад. И сегодня еще 14 миллионов квадратных километров поверхности Земли занято ледниками, т.е. мы живем в так называемом малом ледниковом периоде. Следует отметить, что в эпоху больших оледенений масса льда, собиравшегося в ледниках на суше, была очень велика, его объем вдвое превышал объем современных ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии. Вся эта вода изымалась из мирового океана. Поэтому уровень его многократно опускался более чем на 100 м ниже современного. Это подтверждается независимыми геологическими данными. Сейчас уровень мирового океана меняется очень медленно. За период с 1890 по 1950 г.г. он возрос всего на 10 см, а с 1950 г. остается практически постоянным (колебание ± 3 см).

Каковы же возможные причины таких значительных изменений климата? Наиболее очевидные из них следующие:

1. Изменения интенсивности солнечной радиации, вызванные орбитальным движением Земли. По идее самый главный вклад в формирование климата должен вносить радиационный баланс Земли. Астрономическая теория циклических изменений климата была создана известным югославским астрономом Миланковичем в двадцатых годах ХХ века. Основная причина, влияющая на долговременные колебания климата по теории Миланковича, - это изменение эксцентриситета орбиты Земли вокруг Солнца и прецессия оси вращения Земли. Его теория дала возможность вычислить времена ледниковых периодов прошлого. И геологические возрасты предыдущих оледенений, в общем, совпадают с расчетами Миланковича. Но поскольку эти климатические изменения могут происходить только в долговременной шкале, десятков тысяч и сотен тысяч лет, в данной статье они не рассматриваются.

2. Изменения в циркуляции мирового океана. В глубинах океана накопилась огромная отрицательная тепловая энергия. Отрицательная потому, что средняя температура океана 3,5o С, а земной поверхности 15 oС. Поэтому всякое усиление перемешивания глубинных вод океана с поверхностными приводит к похолоданию климата. Этот эффект может проявляться как в кратковременном масштабе десятков и сотен лет, так и на временном интервале сотен тысяч и миллионов лет. (Изменение в циркуляции океанов, вызванное континентальным смещением (дрейфом) материков согласно известной теории Вегенера). Кроме того, в масштабах тысячелетий океаны контролируют химический состав атмосферы и, следовательно, радиационное равновесие всей климатической системы.

3. Кратковременные вариации (в шкале десятков и сотен лет) в солнечной энергетической освещенности, которые, как показано рядом авторов, коррелируют с вариациями солнечной активности. Этот фактор до последнего времени не достаточно учитывался при разработке климатических моделей.

4. Влияние человеческой деятельности или антропогенный фактор.

5. Наконец, целый ряд исследований, выполненных в последние годы, позволяет предположить, что могут существовать некоторые, пока еще неясные циклические процессы в системе космос (взаимодействие Солнца и планет) - гидросфера - атмосфера.

Все эти вопросы были всесторонне проанализированы в монографии Кондратьева. Однако за последние десять лет получен целый ряд принципиально новых результатов. В связи с этим, необходимо снова вернуться к рассмотрению проблемы динамики глобального климата. Главная проблема, которая в настоящее время вызывает наибольший интерес и тревогу у мировой общественности, - это антропогенное влияние на климат. Насколько оно значительно в сравнении с природными явлениями и в чем проявляется? Что делать, чтобы сохранить устойчивое развитие мировой экономики в условиях изменяющегося климата?

Неклиматические факторы и их влияние на изменение климата

1. Последние исследования показывают, что парниковые газы являются главной причиной глобального потепления. Согласно исследованиям, парниковый эффект, возникающий в результате нагревания атмосферы тепловой энергией, удерживаемой парниковыми газами, является ключевым процессом, регулирующим температуру Земли. 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 чнм3, в доиндустриальный период она составляла 280 чнм3. 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).

2. Тектоника литосферных плит. На протяжении длительных отрезков времени тектонические движения плит перемещают континенты, формируют океаны, создают и разрушают горные хребты, т. е. 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.

3. Солнечное излучение. 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, т. к. развивается согласно главной последовательности. Это медленное развитие влияет и на земную атмосферу.

4. Изменения орбиты. По своему влиянию на климат изменения земной орбиты сходны с колебаниями солнечной активности, поскольку небольшие отклонения в положении орбиты приводят к перераспределению солнечного излучения на поверхности Земли.

5. Вулканизм. Одно сильное извержение вулкана способно повлиять на климат, вызвав похолодание длительностью несколько лет. 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.

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.

1. Сжигание топлива. Начав расти во время промышленной революции в 1850-х годах и постепенно ускоряясь, потребление человечеством топлива привело к тому, что сейчас уровень СО2 в атмосфере несоизмеримо 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 2100 годами.

2. Аэрозоли. Считается, что антропогенные аэрозоли, особенно сульфаты, выбрасываемые при сжигании топлива, влияют на охлаждение атмосферы.

3. Цементная промышленность. Производство цемента является интенсивным источником выбросов СО2, на него приходится приблизительно 2.5 % выбросов индустриальных процессов (энергетический и промышленный секторы).

4. 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 изменение отражательной способности поверхности Земли (альбедо) отдельно взятой территории, поскольку изменяет свойства подстилающей поверхности и тем самым количество поглощаемого солнечного излучения.

5. Скотоводство. Согласно отчету ООН скот является причиной 18% выбросов парниковых газов в мире. Это включает в себя и изменения в землепользовании, т. е. вырубку леса под пастбища. В дополнение к выбросам СО2, скотоводство является причиной выброса 65% оксида азота и 37% метана, имеющих антропогенное происхождение.

По-видимому, основными факторами антропогенного воздействия на климат являются увеличение концентрации парниковых газов, а также увеличение выбросов аэрозолей в атмосферу. Основные парниковые газы - это водяной пар (Н2О), углекислый газ (СО2), метан (СН4), окись азота (N2O), озон (О3) и, в меньшей степени, ряд хлорфторуглеводородных соединений. Увеличение концентрации этих газов приводит к увеличению поглощения излучения от Земли, которое имеет место в инфракрасной области спектра, (максимум излучения в области 8 - 13 мк). Это вызывает подогрев атмосферы и, следовательно, в свою очередь, поверхности Земли.

Рассмотрим влияние главных парниковых газов: водяного пара и углекислого газа, с одной стороны, являющихся главным условием существования жизни на Земле, а с другой стороны, на долю которых приходится более 95 % всего парникового эффекта, подогревающего атмосферу на 33 о С. Между ними есть принципиальная разница. Водяной пар в атмосфере является наименьшей по массе частью свободной воды, находящейся в гидросфере и криосфере в основном в жидкой и твердой форме. Масса водяного пара определяется притоком солнечной радиации и температурой воздуха и не может существенно изменяться при постоянстве этих факторов. Так как в геологическом прошлом происходили заметные изменения климата, количество водяного пара в атмосфере также изменялось в соответствии с колебаниями глобальной температуры. Однако эти изменения массы водяного пара были следствием, а не причиной изменения климата. Вследствие положительной обратной связи водяной пар при каждом очередном похолодании или потеплении климата лишь усиливал этот процесс. Точно так же, водяной пар является следствием, а не причиной существования морей и океанов. Его прямое влияние на биосферу несущественно по сравнению с его косвенным влиянием как источника воды, выпадающей в виде осадков.

Углекислый газ, как в климатических условиях геологического прошлого, так и в условиях современного климата может существовать только в газообразном состоянии. При этом его концентрация в атмосфере может меняться в широких пределах вне зависимости от внешней температуры. Наоборот, рост концентрации СО2 вследствие парникового эффекта неизбежно должен приводить к повышению глобальной температуры Земли. Наличие углекислого газа является необходимым условием существования жизни на Земле. Почти все живое вещество, создаваемое в биосфере, возникает из углекислого газа и воды в результате процесса фотосинтеза. Еще большее, чем в атмосфере (2,6 ×­ 1018 г), количество СО2 содержится в водоемах, где масса этого газа достигает 130 × 1018 г. Углекислый газ гидросферы используется в ходе фотосинтеза водных растений. Основная часть углекислого газа, израсходованного автотрофными растениями, возвращается в атмосферу и гидросферу в ходе процессов деструкции органического вещества, которые происходят при участии бактерий и других гетеротрофных организмов. Сравнительно небольшая часть органического углерода, полученного в результате фотосинтеза, сохраняется длительное время в составе почвенного гумуса, сапропеля, торфа и других органических веществ, масса которых частично расходуется в ходе окисления, но частично сохраняется и захороняется в литосфере в виде каменного угля, нефти, горючих газов и рассеянного органического углерода. Еще больший расход углекислого газа атмосферы и гидросферы связан с образованием карбонатных отложений. Процесс формирования карбонатов наиболее активно происходит в мелких водоемах, куда потоки воды выносят с поверхности континентов продукты эрозии, включающие различные соединения углерода. Из этих продуктов образуются отложения известняка, мела, доломита и других минералов, содержащих углерод. Большую роль в процессе карбонатообразования играют водные организмы, скелеты которых создаются из содержащихся в воде соединений углерода. На активное участие живых организмов, выступающих в качестве геологических факторов эволюции земной коры и тропосферы, впервые обратил внимание академик Вернадский. Открытая Вернадским роль биоты как геологической силы была обобщена Перельманом в виде закона Вернадского: суммарный эффект деятельности живого вещества за всю геологическую историю огромен, т.к. живые организмы определили геохимические особенности верхней части земной коры.

Очевидно, что без постоянного притока СО2 из глубоких слоев Земли сохранение более или менее стабильной концентрации атмосферного углекислого газа в течение интервала времени, сравнимого с геологическими эпохами, невозможно. Углекислый газ поступает в атмосферу из глубоких слоев Земли в результате дегазации верхней мантии, а также более высоких слоев земной коры. Значительная часть СО2, получаемого атмосферой, выбрасывается при вулканических извержениях. Наряду с СО2 вулканические газы обычно содержат некоторое количество окиси углерода (СО), которая в относительно короткое время окисляется и превращается в углекислый газ. Из сказанного выше следует, что скорость прихода углекислого газа как для длительных, так и для сравнительно коротких интервалов времени может изменяться в широких пределах главным образом из-за колебаний уровня вулканической активности. Планета Земля стареет, и наряду с ритмическими колебаниями имеется общая тенденция к уменьшению вулканической активности, что должно вызвать, соответственно, снижение количества СО2.

Проблема изменения климата - это сегодня не только научная, но и экономическая, и политическая проблема. Ошибки в динамике изменения климата чреваты крупными экономическими катастрофами. Яркий пример: просчеты 50-60 гг. с прогнозом падения уровня Каспийского моря к 2000 г. Тогда шла война дат и наиболее низких оценок. Через 30 лет, в 80–90–х годах все это обернулось социально-экономической трагедией большого региона. В настоящее время цена ошибки несравнимо больше. Для целого ряда государств грядущие климатические изменения - это уже не вопросы геополитики, а проблема выживания.

Заключение

1) Климат Земли в прошлом характеризовался двумя более или менее устойчивыми состояниями: теплым и ледниковым. Эпохи смены этих режимов (что имеет место сегодня – последний ледниковый период начал отступать 20 тыс. лет назад) сопровождались повышенной нестабильностью вследствие заложенной в самой климатической системе нестабильности. Существует положительная обратная связь между глобальной температурой Земли и возмущающими факторами, провоцирующими климатические сдвиги. Палео-климатические записи свидетельствуют о наличии в прошлом больших и быстрых климатических колебаний. Один из наилучшим образом задокументированных примеров резкой смены климата – потепление, произошедшее в конце Позднегляциального периода (Dryas), когда ледники в последний раз начали отступать. Период продолжался с 13000 до 8300 лет до н.э. Согласно анализу ледяных ядер Гренландии в конце позднего Дриаса (YoungerDryas), 8850 – 8300 лет до н.э., температура стала быстро расти и буквально в пределах нескольких десятилетий на смену тундре в Северной Европе и Канаде пришли леса.

2) В ХХ веке глобальная температура начала расти, причем, особенно быстро в два последние десятилетия. Естественный вопрос – не может ли быть потепление климата результатом антропогенного воздействия? Или это просто начало нового естественного цикла потепления? Наиболее вероятно последнее предположение. Ибо в свете всего вышесказанного, можно предположить, что сам по себе антропогенный эффект не может в настоящее время вызвать существенное изменения климата; его прямое воздействие незначительно по сравнению с естественными факторами. Но антропогенный эффект мог спровоцировать климатический сдвиг и вызвать новый цикл потепления. Насколько опасно это потепление климата для мирового сообщества? Ответ далеко неоднозначный. Дело в том, что повышение концентрации углекислого газа в атмосфере, с одной стороны, и рост глобальной температуры, с другой стороны, должны заметно повысить общую биопродуктивность и, в частности, урожайность сельскохозяйственных растений. Если для промышленно-развитых стран существует возможность повышения производства продовольствия путем значительного увеличения затрат, то для развивающихся стран с быстро растущим населением этот путь невозможен. Отсюда следует, что восстановление более благоприятных для живых организмов и всей биосферы природных условий, которые существовали на протяжении многих тысячелетий, - очень серьезная проблема. С другой стороны, необходимо учитывать и возможные негативные последствия потепления климата регионального масштаба (наводнения, увеличение количества ураганов и тайфунов, более засушливый климат в некоторых локальных регионах, ущерб для береговых и островных зон, находящихся на малых уровнях над Мировым океаном и т.д.). В этом случае, будет ли эффективным частичное уменьшение выбросов парниковых газов, предусмотренное Киотским протоколом? Маловероятно. Киотский протокол не является достаточным фактором для уменьшения роста парниковых газов в атмосфере. Относительно небольшое сокращение поступления в атмосферу газов, усиливающих парниковый эффект, окажет незначительное влияние на повышение температуры. Расчеты показывают, что для стабилизации уровня парниковых газов требуется уменьшение их эмиссии на 60-80 % по всему миру. А это привело бы к тяжелейшему ущербу для современной мировой энергетики и потребовало бы расходов, нереальных для большинства современных государств. Поэтому вряд ли стоит сегодня драматизировать ситуацию, предрекая глобальную экономическую катастрофу при глобальном потеплении, вызванным ростом антропогенного воздействия. Тем более, что есть существенные основания сомневаться, что это потепление – результат антропогенного воздействия и что начавшийся цикл потепления не сменится в будущем очередным периодом похолодания.

Литература

1. Вернадский В.И. Биосфера. М.: Мысль, 1967

2. Вернадский В.И. Живое вещество. М.: Наука, 1976

3. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения, М.: Наука, 1965

4. Биосфера: Сб./под ред. М.С. Гилярова. М.: Мир, 1972

5. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.: Наука, 1983

6. Каталог биосферы. М.: Мысль, 1991

7. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рандерс И. За пределами роста – М.: Прогресс Пангея, 1994

Дата добавления: 2014-01-15