Глобальные изменения природы

Экстремумы функции двух переменных

3.1. Найти точки экстремума и соответствующие значения функции

3.1.1.

3.1.2.

3.1.3.

3.1.4.

3.1.5.

3.1.6.

3.1.7.

3.1.8. .

3.2. Найти условные экстремумы функции z при выполнении заданных ограничений на переменные

3.2.1. ; .

3.2.2. ; .

3.2.3. ; .

3.2.4. ; .

3.2.5. ; .

3.2.6. ; .

Они прослеживаются на различных уровнях во всех геосферах Земли и оказыва­ют все возрастающее влияние на развитие человеческого общества. Что разве их раньше не существовало? Понятно, что глобальное существовало всегда, но раньше у человечества не было способов это увидеть и проанализировать. Например, сравнительный анализ данных глобального изменения температур приземного воздуха с 1860 по 2000 гг. (рис. 2.1)

Рис. 2.1. Рост глобальной температуры приземного слоя воздуха

Главным фактором глобальных изменений в XX столетии и в настоящее время является прогрес­сирующее потепление климата [IPCC, 2001 ], которое продолжается уже больше 100 лет (рис. 2.1). Пер­вый максимум потепления был отмечен в 40-е годы прошлого столетия и составил 0,5°С. Затем до середины 60-х годов наблюдалось некоторое снижение глобальной приземной температуры воздуха в пределах 0,2°С, которое затем сменилось дальнейшим повышением температуры в более ускоренном темпе, достигшем второго максимума в конце 90-х годов, составившем в среднем 0,75°С при общей амплитуде температурных изменений в 1,27°С в период 1861-2000 гг.

Глобальное потепление климата охватило северное полушарие и слабее затронуло южное полу­шарие. Северное полушарие прогрелось на 0,3°С больше, чем южное - более океаническое и с боль­шей массой льда. Потепление в северном полушарии на территории суши (рис. 2) проис­ходило в среднем от -0,63° до +0,60°, т.е. оно составило 1,23° при общей амплитуде в 1,84° от -1,04° (1862 г.) до +0,80° (1991 г.). Величина потепления на суше оказалось в 2 раза больше, чем в районе океана. В южном полушарии воздух над сушей прогрелся на 35% больше, чем над морской акваторией.

Рис. 2.2. Динамика температурных аномалий на суше: 3 - северного полушария, 4 - южного полушария

Следует отметить, что происходящее потепление наиболее характерно для зимнего периода года. Если рассматривать потепление в пространстве, то оно характерно в значительно больших размерах для высоких широт, чем для низких. Начинает проявляться постепенное смещение климатических зон в сторону полюсов и в вертикальном направлении. При развитии этого процесса в дальнейшем следует ожидать определенных нарушений сложившихся экосистем - лесных, луговых, пустынных и других.

Одним из наиболее распространенных предположений о причине возникновения глобального потепления является накопление в атмосфере в результате техногенных выбросов различными отрас­лями промышленности таких газов, как диоксид углерода или углекислый (СО₂), метан (СН₄), окись углерода (СО), закись азота (N₂O), озон (О₃) и другие (табл. 1), молекулы которых задерживают длин­новолновую часть излучаемой земной поверхностью радиации и создают парниковый эффект, со­действуя потеплению атмосферы (рис. 2.3).

Таблица 1– Данные по выбросам парниковых газов, т [Изменение климата, 2003]*

Особенности концентрации газов и их период нахождения в атмосфере	СО2 (диоксид углерода)	СН4 (метан)	N2O (закись азота)	ХФУ-11 (хлор-фтор-углерод-11)	ГФУ-23 (гидро-фтор-углерод-23)	CF4 (пер-фторметан)
Концентрация в доиндустриальную эпоху	Около 280 млн.^-1	Около 700 млрд.^-1	Около 270 млрд.^-1	0,0	0,0	40 трлн.^-1
Концентрация в 1998 г.	млн ^-1	1745 млрд.. ^-1	314 млрд. ^-1	268 трлн.^-1	14 трлн.^-1	80 трлн.^-1
Темпы изменения концентрации в период 1990-1999 гг.	1,5 млн.^-1/год^а	7,0 млрд.^-1 /год^а	0,8 млрд.^-1/год	1,4 трлн.^-1/год	0,55 трлн.^-1/год	1 трлн.^-1/год
Продолжитель­ность жизни в атмосфере	5-200 лет^с	12лет^d	114 лет^d	45 лет	260 лет	>50000 лет

^а В период 1990-1999 гг. скорость изменения концентрации СО₂ варьировалась в пределах 0,9 млн.'/год -2,8 млн.^-1/год, а СН₄- в пределах 0-13 млрдг'/год.

^с Определить единую величину продолжительности жизни СО₂ невозможно вследствие различной скорости поглощения в ходе различных процессов.

^d Эта продолжительность жизни была определена как "время корректировки", которое учитывает косвенное воз­действие газа на собственную продолжительность жизни. * Изменение климата ЮНЕП, РКИКООН, Россия, 2003.

Рис. 2.3. Нарастание концентрации 3 парниковых газов в глобальной атмосфере (т) за последнюю 1000 лет

В соответствии со сверхдолгосрочными климатическими прогнозами ведущих климатологов мира можно ожидать общее повышение средней глобальной температуры воздуха к концу текущего столе­тия будет более чем на 4°С. Такое мощное изменение климата Земли, если оно произойдет, будет впервые за последние 70 тыс. лет. Связывают это с ростом концентрации парниковых газов в атмосфере Земли.

Рис. 2.4. Увеличение содержания углекислого газа на стан­ции Мауна-Лоа (сплошная линия) с изменением соответствующей эмиссии С, (млрд. т) в атмосфере за счет потребления ископаемого топлива (пунктир) (СП. Горшков).

Поскольку масштабы потепления с каждым годом возрастают, возникла определенная обеспоко­енность мировой общественности возникновением негативных последствий развития этого процес­са. Поэтому в 1992 г. подписана Рамочная Конвенция ООН по изменению климата, а в 1997 г. Киотский протокол – как ее дополнение. Согласно ему, развитым странам следует сократить к 2008-2012 гг. свои совокупные выбросы парниковых газов по меньшей мере на 5%.

В то же время накапливающиеся научные исследования все больше убеждают многих ученых в том, что в настоящее время не существует достаточно убедительных доказательств определяющего воздействия деятельности человека на глобальное потепление климата. Об этом свидетельствует пер­вая волна потепления 1930-1940-х годов, происходящая на сравнительно низком уровне парнико­вых газов в атмосфере, а последующее похолодание 1950-1960-х годов не увязывается с постоянным нарастанием количества газовых выбросов в атмосфере.

В то же время, по данным СП. Горшкова, стабилизация и снижение индустриальной эмиссии СО₂ (см. рис. 2.4) в период 1980-1987 гг. в результате изменения мирового потребления ископаемого топлива, производства цемента и некоторых других ограничений в промышленности по выделению парниковых газов никак не повлияло на процесс увеличения СО₂ в атмосфере.

С потеплением климата увеличилось на 3-4% испарение влаги с поверхности Мирового океана и с территории суши, что приводит к интенсификации гидрологического цикла. В результате увеличивается количество влаги в атмосфере (рис. 2.5) в объеме около 0,015 г/см²/год. Вода самый мощный парниковый газ. Одновременно возрастает распространение облачного покрова, который за после­днее столетие увеличился над территорией континентов примерно на 10%. Усиливается интенсив­ность общей глобальной циркуляции атмосферы и возрастает циклоническая активность с увеличе­нием водности циклонов.

Рис. 2.5. Изменения в атмосфере Земли

1 - увеличение содержания водяного пара в атмосфере; 2 - увеличение облачности над территорией континентов; 3 - рост количества глубоких циклонов в районе Северной Америки; 4 - рост числа ураганов и штормов в Северной Атлантике

Расчеты показывают, что за десяти­летие последнего столетия над Евразиатским континентом среднегодовое циклонообразование возросло в среднем на 10%, над Европой количество циклонов стало больше на 12-15% в год, а в августе - на 31% и в сентябре - на 38%. Число атлантических циклонов увеличилось на 48%, западноевропейских - на 31% с ростом водности циклонов на 35% и 48% соответственно. Увели­чение количества тропических циклонов на востоке северной части Тихого океана составило 30%.

Развивающиеся процессы в атмосфере в связи с ускорением гидрологического цикла приводят к более влажному климату в большей части мира. Рост атмосферных осадков в настоящее время состав­ляет около 0,03%) в год, что привело к их увеличению за последнее столетие на 2-3%.

Возрастает частота повторяемости ливневых дождей, вызывающих высокий паводочный сток и наводнения, сели, оползни. Увеличение атмосферных осадков одновременно вызывает развитие эрозии почв.

Количество дождей и снегопадов увеличивается преимущественно в высоких широтах и в зим­ний период. В то время как в субтропических районах северного полушария между 10-й и 30-й па­раллелями наблюдается снижение уровня атмосферных осадков. В ряде районов, которые обычно подвержены засухам, засушливые периоды становятся более продолжительными и суровыми. Общий объем воды в крупнейших бассейнах рек - Нигера, Сенегала, и озера Чад сократился уже на 40-60%. В 2009 году в Кении разразилась невиданная засуха. Гибнут животные, особенно достается слонам, которым для выживания необходимо просто огромное количество пищи и воды.

Засушливость усиливается в ряде внутриконтинентальных районов, по данным СБ. Лаврова и Ю.Н. Гладкого (рис. 2.6), засушливости и опустынивания.

Рис.2.6. Растущее опустынивание Земли 1 - слабое, 2 - опасное, 3 - очень опасное, 4 - существующие пустыни

Развивающееся в настоящее время глобальное потепление усиливает внутригодовую клима­тическую изменчивость и нестабильность погодных условий. Это вызывает возникновение как мощных тепловых волн, так и неожиданных заморозков. Возрастает частота и повторяемость экстремальных природных явлений почти в 4 раза: развитие крупнейших штормовых систем в виде ураганов, тайфунов, торнадо с сильнейшим ветровым воздействием, мощными ливневыми осадками, разрушительными наводнениями, увеличением повторяемости возникновения мощ­ных лавинных образований и массовых оползней.

Глобальное потепление вызвало особенно большие изменения в криосфере. Толщина снеж­ного покрова за последние 30-40 лет в средних и высоких широтах сократилась приблизительно на 10%. Развивается четкая тенденция к сокращению сроков ледостава на реках и озерах, которое уже составило 2 недели. Происходит повсеместное отступание границы ледников в горах и по­лярных районах и сокращаются их объемы. Протяженность ледового покрова Арктики в летнее время сократилась на 10-15%, а толщина льда в конце лета уменьшилась на 40%.

На протяжении последнего столетия суммар­ное сокращение ледового покрова (рис. 2.7) в районах Приатлантической Арктики, Североевро­пейского бассейна, Баренцева моря, восточногренландских и восточноканадских вод составило 1,8•10⁶ км², или 12% от максимальной площади льдов, в Арктике сокращение составило 15,416•10⁶км² в марте, или 22% от минимальной площади (8,020•10⁶ в сентябре).

За последние 30 лет сократилась более чем на 2 млн. км² площадь снежного покрова в северном полушарии.

Поступление значительных масс холодных вод в северную часть Атлантического океана в результате усиления таяния морских льдов, ледников Гренландии и арктических островов при­водит даже к видимости некоторого похолодания в этом районе.

Рис. 2.7. Сокращение ледового покрова северного полушария Земли

1 - районах Приатлантической Арктики; 2 - Североевропейском бассейне; 3 - Баренцевом море; 4 - в районе восточногренландских вод; 5 - в районе восточноканадских вод [Захаров, 1996]

Большие изменения претерпевает вечная мерзлота, граница которой быстро отступает в бо­лее северные районы. В последнее столетие это отступание составило около 100 км. Отступление на север границы вечной мерзлоты создает угрозу для инфраструктуры многих районов в ре­зультате развития оползневых процессов и снижения устойчивости фундаментов. Тающий многолетнемерзлый грунт выделяет метан и углекислый газ, накопление которых в атмосфере содей­ствует процессу потепления.

С развитием потепления и активизацией таяния ледников все больше воды поступает в Миро­вой океан. Ее объем уже превышает 700 км³ в год, что вызывает повышение морского уровня (рис. 2.8): до 1900 г. скорость повышения составляла около 1 мм в год, в XX столетии – 1,5 мм в год, в настоящее время – более 2 мм в год. Некоторая часть подъема уровня океана связана с тепло­вым расширением морской воды, которое, вероятно, составляет около 10%. Расчеты мирового водного баланса показывают, что при сложившейся динамике климатических условий подъем морского уровня будет продолжаться с ускорением и дальше, составив в целом около 1,5 м к концу столетия, если не начнется распад западной части Антарктиды.

Рис. 2.8. Глобальные изменения

1 - снижение скорости вращения Земли; 2 - рост уровня приливов в Куксхавене; 3 - рост уровня океана в Бресте (Северная Атлантика); 4 - увеличение количества извержений вулканов; 5 - рост числа землетрясений

Подъем морского уровня подтапливает прибрежные районы и ускоряет береговую абразию. За последние 100 лет более 70% береговых линий песчаных побережий уже отступили в глубь суши.

Потепление климата является причиной мощного планетарного перераспределения водных масс из полярных районов высоких широт в низкие широты, где площадь океана является наибольшей. Происходит освобождение северных районов от многовековой тяжести ледников и утяжеление экваториальной области поверхности Земли. Это приводит к изменению скорости вращения Зем­ли (рис. 2.8) – ее замедлению, и смещению полюса Земли в сторону Гренландии, что, в свою оче­редь, изменяет циркуляцию воздушных и водных масс атмосферы и океана. Одновременно про­исходит нарушение сложившегося баланса масс между океанам и сушей, вызывая нарастание землетрясений и увеличивая частоту вулканических извержений, что было показано СВ. Следует также ожидать нарастания частоты и высоты морских волн в виде цунами.

Мощным фактором глобальных изменений, влияние которого на природные процессы быст­ро возрастает во времени, является деятельность человека. Антропогенное воздействие достигло такого уровня, что оно уже достаточно заметно ощущается в глобальном масштабе. Практичес­ки нет такого уголка на земном шаре, где нельзя было бы обнаружить следы человеческой дея­тельности, влияние которой особенно проявляется в изменении состава атмосферы, вод суши и океана, почвенного покрова Земли, режима поверхностных и подземных вод, а также в измене­нии влагообмена между поверхностью Земли и атмосферой.

Только около 34% территории суши сохраняют ненарушенные ландшафтные условия, а остальные в значительной степени преобразованы человеком. Особенно сильные изменения ланд­шафтов претерпели районы древнего земледелия в развивающихся странах. В настоящее время разрушение естественных ландшафтов наиболее активно происходит в результате роста городов, раз­вития горнодобывающей промышленности и индустриальных объектов, а также развития хозяй­ственной инфраструктуры. В результате выпаса скота происходит опустынивание ряда территорий.

Также постепенно сокращаются площади, занятые лесами (рис. 2.9) (Г.Н. Голубев). В процессе деятельности человека уже уничтожено более 50% лесов. С развитием потепления климата увели­чивается количество больших лесных пожаров, которое за последние 30 лет возросло в 2 раза. В настоящее время процесс обезлесевания континентов достиг беспрецедентных масштабов.

Рис. 2.9. Сокращение лесных территорий и увеличение числа лесных пожаров

I - обезлесение: 1 - со скоростью более 0,6% в год, 2 - менее 0,6%, 3 - стабильные леса; II - нарастание числа лесных пожаров

Быстро возрастает антропогенная нагрузка на водные ресурсы мира, которая, по мнению Н.С. Зайцевой, составляет около 0,13 млн. человек на 1 км³, что приводит к их сокращению в отдельных регионах более чем на 90% (рис. 10).

Быстрый рост населения планеты, развитие промышленного производства и сельского хозяйства вызывают возрастающие темпы водопотребления, которое уже составляет более 10% стока всех рек мира (см. рис. 2.10). 80% водопотребления связано с орошением, где особенно велики безвозвратные потери водных ресурсов. Это усиливает процесс испарения и вызывает интенсификацию влагооборота. Последнее также связано с нарастающими темпами опреснения морских вод.

Рис. 2.10. Сокращение мировых водных ресурсов

I - в результате антропогенной нагрузки по отдельным странам; II - в результате роста: 1 - водопотребления, 2 - безвозвратных потерь; возникновение на территории суши: 3 - дополнительных осадков, 4 - поверхностного стока; III - сокращение ресурсов в процентах; IV - нагрузка на водные ресурсы по регионам

Коренные изменения режима поверхностных вод происходят в процессе развития мелиорации и создания огромного количества искусственных водоемов, которые снижают паводочный сток и уве­личивают минимальный. Одновременно эти водоемы замедляют водообмен в речной сети, период ко­торого к настоящему времени в целом сократился в среднем более чем в 10 раз.

Создание водохранилищ приводит к сокращению стока в море, что вызывает нарушение балан­са твердого вещества вдольбереговых потоков, усиливая размыв морских берегов.

Нарушение водного режима поверхностных вод и их перераспределение в пространстве, расту­щие объемы водосбора подземных вод приводят к глобальным преобразованиям гидрогеологическо­го режима вод.

Развитие урбанизации, промышленности и сельского хозяйства наряду с усилением процесса ис­парения приводит к росту загрязнения атмосферы, увеличению в ней ядер конденсации, ускоренному развитию облачных масс и выпадению дополнительных осадков. Увеличение атмосферных осад­ков, в свою очередь, ведет к росту стока с территории суши. Водопотребление пресной воды человечества сравнимы с водопотреблением всей биосферы.

В то же время ускоряющиеся темпы быстро развивающегося водопотребления и прогресси­рующего загрязнения поверхностных и подземных вод в целом приводят к сокращению водных ресурсов на душу населения, которое в отдельных районах достигает катастрофических разме­ров.

Огромное влияние оказывает деятельность человека на изменение природной среды в резуль­тате ее загрязнения продуктами его жизнедеятельности в процессе накопления бытовых отходов, отходов промышленного производства и сельского хозяйства.

Наиболее распространенными загрязняющими веществами, особенно сильно нарушающи­ми экологические условия, являются нефтяные углеводороды, тяжелые металлы, хлорорганиче-ские и фосфорорганические соединения, искусственные радионуклиды, биогенные и органические вещества, хлорированные углеводы, полихлорированные биофинолы и другие.

В результате накопления массы загрязняющих веществ происходит изменение химического соста­ва почв, поверхностных и подземных вод, эвтрорифирование водоемов. Угрожающие размеры при­обретает даже загрязнение Мирового океана, особенно нефтепродуктами. Нефтяная пленка уже по­крывает более 30% морской поверхности, оказывая влияние на процессы водообмена и на развитие морской экосистемы. Интенсивные загрязнения прибрежных районов морей приводит к заболева­нию и гибели морских организмов.

Активизация деятельности человека за пределами самой Земли приводит уже к довольно суще­ственным изменениям в околоземном пространстве в результате техногенного загрязнения его косми­ческим мусором, который создает уже реальную угрозу для дальнейших космических полетов.

Человеческое общество оказывает мощное давление в глобальном масштабе на всю биосферу Зем­ли, которое вынуждает ее адаптироваться к условиям трансформируемой человеком природной сре­ды. Происходят крупномасштабные изменения биомов суши с изменением экотонов, состава биоце­нозов с разрушением их зональной структуры, исчезновением видов и подвидов млекопитающих, с ускоренным протеканием сукцессии и активизации расселения растений и животных, возрастанием мозаичности биогенных покровов, формированием структуры биотических сообществ с более про­стыми схемами внутренних связей, происходит деградация и опустынивание экосистем.

Исследо­вания СМ. Мягковым (1995) большого количества фактического материала позволило установить, что наблюдается рост природных и антропогенных катастроф (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Нарастание стихийных бедствий в мире

Стихийные бедствия, вызванные: 1 - землетрясениями и извержениями, 2 - ураганами, тайфунами и наводне­ниями, 3 - всеми видами опасных явлений; 4 - число жертв от 10³ до более 10⁴, % от общего числа стихийных бедствий; 5 - экономический ущерб от них, млрд. долл. за 10 лет

Техногенные воздействия на рельеф и недра в ходе разработки месторождений (рис. 2.12) и разного рода строительства уже могут быть сопоставимы с мощными тектоническими процессами (Баландин, 1977; В.М. Константинов, 2000), вызывающими изменения состава земной коры вплоть до кардинального преобразования геологической структуры. В результате инженерной деятельности происходит усиление локальной сейсмичной активности, особенно в районах гидротехнического строитель­ства. Технологические аварии, по данным СБ. Лаврова и Ю.Н. Гладких, приводят к гибели со­тен людей.

Рис. 2.12. Развитие воздействия человека на недра Земли и рост катастрофичности

Нарастание добычи: 1 - угля, 2 - нефти, 3 - железной руды, 4 - газа; 5,6- увеличение частоты технологических катастроф с гибелью более 50 человек: 5 - одна за 5 лет, 6 - одна за год

Поскольку дальнейшее развитие процессов, определяющих современные глобальные измене­ния, могут в ближайшем будущем вызвать крупномасштабные преобразования на поверхности Земли, исследования в области глобальных изменений в настоящее время становятся особенно актуальными и должны стать одним из наиболее приоритетных направлений современных наук о Земле.

Развитие глобальных изменений природы ставит перед человечеством множество проблем, которых не было в предыдущие эпохи развития общества. Все большей очевидностью возникает необходимость крупномасш­табных исследований с объединением многих ученых по различным направлениям изучения при­родных процессов независимо от ведомственной принадлежности с целью раскрытия основных причин происходящих глобальных изменений, развития их динамики, влияния на преобразова­ния природной обстановки и предотвращения возможных последствий их развития в перспективе.

Дата добавления: 2015-07-13