Кліматичні умови грають важливу роль в житті людей. Загальновизнано існування більше десятка климатообразующих факторів. Як найбільш суттєві виділяються наступні:
· Концентрація парникових газів в атмосфері (вуглекислий газ, метан, закис азоту, озон, та ін);
· Рух повітряних мас
· Концентрація тропосферних аерозолів;
· Сонячна радіація;
· Вулканічна активність, що викликає забруднення стратосфери аерозолями сірчаної кислоти;
· Автоколивання в системі атмосфера-океан (Ель Ніньо-Південне коливання);
· Параметри орбіти Землі.
Було проаналізовано вплив цих факторів на радіаційний баланс у межах десятиліття і останнього століття.
Одним з найважливіших факторів, що впливають на клімат планет, є сонячне випромінювання, падаюче на планету. Сонячне випромінювання, падаюче на планету, частково відбивається у космічний простір, частково поглинається. Поглинена енергія нагріває поверхню планети.
Винятково важливим фактором, що впливає на клімат планет, є наявність або відсутність атмосфери. Атмосфера планети впливає на тепловий режим планети. Щільна атмосфера планети впливає на клімат декількома шляхами:
а) парниковий ефект збільшує температуру поверхні;
б) атмосфера згладжує добові коливання температури;
в) рух повітряних мас (циркуляція атмосфери) згладжує різницю температур між екватором і полюсом.
При розгляді вікової мінливості клімату виявилося, що саме накопичення парникових газів в атмосфері визначило подію підвищення среднеглобальной температури на 0.5 ° C. Однак пояснення нинішніх і майбутніх змін клімату тільки антропогенним фактором спочиває на дуже хиткому фундаменті, хоча його роль з часом, безумовно, зростає.
Парниковий ефект - це підвищення температури поверхні планети і нижніх шарів атмосфери планети через те, що атмосфера пропускає сонячне випромінювання (як кажуть, атмосфера прозора для сонячного випромінювання) і затримує теплове випромінювання планети. Чому це може відбуватися? Теплове випромінювання планети затримується (поглинається) складними молекулами, наприклад вуглекислим газом СО2, водою Н2О та іншими. (Атмосфера прозора для сонячного випромінювання і непрозора для теплового випромінювання планети). Саме внаслідок парникового ефекту температура Венери підвищується з Т = - 44 С ° до Т = 462 С °. Венера як би укрита шаром вуглекислого газу, як овочі в парнику - поліетиленовою плівкою.
Парниковий ефект відіграє дуже важливу роль у формуванні клімату Землі. Наприклад, на Титані через парникового ефекту температура підвищується на 3 - 5 С °.
Сонячна радіація - це сонячне випромінювання. Рівень сонячної радіації вимірюється на 1 м 2 земної поверхні в одиницю часу (МДж / м 2). Її розподіл залежить від широти місцевості, якій обумовлений кут падіння сонячних променів, і тривалості дня, що в свою чергу впливає на тривалість і інтенсивність сонячного сяйва, показники сумарної сонячної радіації і середню температуру повітря за рік.
20% сонячної радіації, що поступає на Землю, відображається атмосферою. Інша її частина досягає земної поверхні - це пряма сонячна радіація. Частина радіації поглинається і розсівається краплями води, льоду, частинками пилу, хмарами. Така радіація називається розсіяною. Пряма і розсіяна складають сумарну. Частина радіації відображається від поверхні Землі - це відображена радіація.
Руху повітряних мас. Повітряна маса - великий об'єм повітря в тропосфері, що володіє характерними властивостями (температурою, вологістю, прозорістю). Утворення різних типів повітряних мас відбувається в результаті нерівномірного нагрівання земної поверхні. Вся система руху повітря називається атмосферною циркуляцією.
Між повітряними масами розташовуються перехідні області шириною в декілька десятків кілометрів. Ці області називаються атмосферними фронтами. Атмосферні фронти знаходяться в постійному русі. При цьому відбувається зміна погоди, зміна повітряних мас. Фронти діляться на теплі і холодні.
Теплий фронт утворюється, коли тепле повітря наступає на холодний і відтісняє його. Холодний фронт утворюється, коли холодне повітря переміщається у бік теплого і відтісняє його.
Теплий фронт приносить потепління, опади. Холодний фронт приносить похолодання і прояснення. З атмосферними фронтами пов'язаний розвиток циклонів і антициклонів.
Підстилаюча земна поверхня впливає на розподіл сонячної радіації, рух повітряних мас.
Аналіз теплої біосфери крейдяного періоду як аналога прогнозованого потепління показав, що впливу основних климатообразующих факторів (крім вуглекислого газу) недостатньо для пояснення потепління такого масштабу в минулому. Парниковий ефект необхідної величини відповідав би багаторазового збільшення вмісту СО 2 в атмосфері. Поштовхом грандіозних кліматичних змін в цей період розвитку Землі, найімовірніше, стала позитивний зворотний зв'язок між зростанням температури океанів і морів та збільшенням концентрації атмосферної вуглекислоти.
Реакція молодих дерев сосни, молодих апельсинових дерев, пшениці на збільшення вмісту СО 2 в навколишньому середовищі в діапазоні від 400 до 800 ppm майже лінійна і позитивна. Ці дані можна легко перенести на різні рівні збагачення СО 2 і на різні види рослин. До впливу зростаючої кількості вуглекислого газу в атмосфері відноситься і збільшення маси лісів США (на 30% з 1950 р.). Більший стимулюючий ефект зростання СО 2 робить на рослини, які ростуть у посушливих (стресових) умовах. А інтенсивне зростання рослинних угруповань, як стверджують автори огляду, неминуче призводить до збільшення загальної маси тварин і робить позитивний вплив на біорізноманіття в цілому. Звідси випливає оптимістичний висновок: "У результаті збільшення атмосферного СО 2 ми живемо у все більш і більш сприятливих умовах навколишнього середовища. Наші діти будуть насолоджуватися життям на Землі з набагато більшою кількістю рослин і тварин. Це чудовий і непередбачений подарунок від індустріальної революції ".
Безумовно, коливання рівня СО 2 в атмосфері мали місце і в минулі епохи, однак ніколи ці зміни не відбувалися настільки швидко. Але якщо в минулому кліматична і біологічна системи Землі в силу поступовості змін складу атмосфери "встигали" перейти в новий стійкий стан і знаходилися в квазірівноваги, то в сучасний період при інтенсивному, надзвичайно швидкій зміні газового складу атмосфери всі земні системи виходять з стаціонарного стану. І якщо навіть стати на позицію авторів, які заперечують гіпотезу глобального потепління, не можна не відзначити, що наслідки такого "виходу з квазістаціонара", зокрема кліматичні зміни, можуть бути найсерйознішими.
Крім того, згідно з деякими прогнозами, після досягнення максимуму концентрації СО 2 в атмосфері вона почне падати через зменшення антропогенних викидів, поглинання вуглекислоти Світовим океаном і біотою. У цьому випадку рослинам знову доведеться адаптуватися до нової середовищі існування.
У зв'язку з цим надзвичайно цікаві деякі результати математичного моделювання складних наслідків можливої зміни клімату Землі. Експерименти з тривимірною моделлю об'єднаної системи океан-атмосфера, проведені американськими дослідниками, показали, що у відповідь на потепління Термохалинна північно-атлантична циркуляція (Північно-Атлантичний течія) сповільнюється. Критична величина концентрації СО 2, що викликає такий ефект, лежить між двома та чотирма доіндустріальними величинами вмісту СО 2 в атмосфері (вона дорівнює 280 ppm, а сучасна концентрація складає близько 360 ppm).
Використовуючи більш просту модель системи океан-атмосфера, фахівці провели детальний математичний аналіз описаних вище процесів. Згідно з їх розрахунками, при зростанні концентрації вуглекислого газу на 1% в рік (що відповідає сучасним темпам) Північно-Атлантичний течія сповільнюється, а при вмісті СО 2, що дорівнює 750 ppm, настає його колапс - повне припинення циркуляції. За більш повільному зростанні вмісту вуглекислоти в атмосфері (і температури повітря) - наприклад на 0.5% на рік, при досягненні концентрації 750 ppm циркуляція сповільнюється, але потім повільно відновлюється. У разі прискореного зростання парникових газів в атмосфері і пов'язаного з ним потепління Північно-Атлантичний протягом руйнується при більш низьких концентраціях СО 2 - 650 ppm. Причини зміни течії в тому, що потепління наземного повітря викликає зростання температури поверхневих шарів води, а також підвищення тиску пари в північних районах, а значить, і посилену конденсацію, через що зростає маса розпріснених води на поверхні океану в Північній Атлантиці. Обидва процеси призводять до посилення стратифікації водяного стовпа і уповільнюють (або зовсім унеможливлюють) постійне формування холодних глибинних вод в північній частині Атлантики, коли поверхневі води, охолоджуючись і стаючи більш важкими, опускаються в придонні області і потім повільно переміщаються до тропіків.
Дослідження такого роду наслідків потепління атмосфери, проведені нещодавно Р. Вудом з співробітниками, дає ще більш цікаву картину можливих подій. Крім зменшення загального атлантичного перенесення на 25% при сучасних темпах зростання парникових газів відбудеться "відключення" конвекції в Лабрадорское море - одному з двох північних центрів формування холодних глибинних вод. Причому це може мати місце вже в період від 2000 до 2030 р.
Зазначені коливання Північно-Атлантичного течії можуть спричинити за собою вельми серйозні наслідки. Зокрема, при відхиленні розподілу потоків тепла і температури від сучасного в атлантичному регіоні Північного півкулі середні температури приземного повітря над Європою можуть істотно знизитися. Більш того, зміни у швидкості Північно-Атлантичного перебігу та нагріву поверхневих вод можуть зменшити поглинання океаном СО 2 (за розрахунками згаданих фахівців - на 30% при подвоєнні концентрації вуглекислого газу в повітрі), що слід враховувати і в прогнозах майбутнього стану атмосфери, і в сценаріях викидів парникових газів. Істотні зміни можуть відбутися і в морських екосистемах, включаючи популяції риб та морських птахів, що залежать не тільки від специфічних кліматичних умов, а й від поживних речовин, які виносяться до поверхні холодними океанічними течіями. Тут ми хочемо підкреслити надзвичайно важливий момент, згаданий вище: наслідки зростання парникових газів в атмосфері, як видно, можуть бути набагато складніше, ніж однорідне потепління приземної атмосфери.
При моделюванні обміну вуглекислим газом доводиться враховувати і вплив на газоперенос стану кордону розділу океану і атмосфери. Протягом кількох років у лабораторних та натурних експериментах досліджувалися інтенсивність переносу СО 2 в системі вода-повітря. Розглядалося вплив на газообмін ветроволнових умов і дисперсного середовища, що утворюється поблизу кордону розділу двох фаз (бризки над поверхнею, піна, повітряні бульбашки в товщі води). Виявилося, що швидкість газопереноса при зміні характеру хвилювання від гравітаційно-капілярного до гравітаційного істотно збільшується. Цей ефект (крім підвищення температури поверхневого шару океану) може внести додатковий внесок у потік вуглекислоти між океаном і атмосферою. З іншого боку, істотним стоком СО 2 з атмосфери є опади, інтенсивно вимиваються, як показали наші дослідження, крім інших газових домішок і вуглекислий газ. Розрахунки з використанням даних про зміст розчиненого вуглекислого газу в дощовій воді і річній сумі опадів показали, що в океан щорічно з дощами може надходити 0.2-1 Гт СО 2, а загальна кількість вуглекислого газу, що вимиваються з атмосфери, може досягати величини 0.7-2.0 Гт .
Оскільки атмосферне вуглекислий газ частково поглинають опади і поверхневі прісні води, в грунтовому розчині підвищується вміст СО 2 і як наслідок цього відбувається підкислення середовища. У дослідах, проведених в лабораторії, була зроблена спроба дослідити особливості впливу розчиненого у воді СО 2 на накопичення біомаси рослинами. Проростки пшениці вирощувалися на стандартних водних поживних середовищах, в яких в якості додаткових джерел вуглецю, крім атмосферного, служили розчинений молекулярний СО 2 і бікарбонат-іон в різних концентраціях. Це досягалося варіюванням часу насичення водного розчину газоподібним вуглекислим газом. Виявилося, що початкове підвищення концентрації СО 2 в живильному середовищі призводить до стимулювання наземної і кореневої маси рослин пшениці. Однак при 2-3-кратному перевищенні над нормальним вмісту розчиненого вуглекислого газу спостерігалося гальмування росту коренів рослин із зміною їх морфології. Можливо, при значному підкисленні середовища відбувається зменшення асиміляції інших поживних речовин (азоту, фосфору, калію, магнію, кальцію). Таким чином, опосередкований вплив підвищеної концентрації СО 2 повинен прийматися до уваги при оцінці їх впливу на ріст рослин.
Наведені в додатку до петиції дані про інтенсифікацію росту рослин різних видів та віку залишають без відповіді питання про умови забезпеченості об'єктів вивчення біогенними елементами. Слід підкреслити, що зміна концентрації СО 2 повинен бути строго збалансоване з споживанням азоту, фосфору, інших поживних речовин, світла, води в продукційного процесу без порушення екологічної рівноваги. Так, посилений ріст рослин при високих концентраціях СО 2 спостерігався в середовищі, багатою поживними речовинами. Наприклад, на заболочених землях в естуарії Чесапікської затоки (південний захід США), де ростуть в основному З 3-рослини, збільшення СО 2 в повітрі до 700 ppm призводило до інтенсифікації росту рослин і збільшенню щільності їх зростання. Аналіз понад 700 агрономічних робіт показав, що при великих концентраціях СО 2 в середовищі, урожай зернових у середньому був більше на 34% (там, де в грунт вносилось достатню кількість добрив та води - ресурсів, наявних в достатку тільки в розвинених країнах). Щоб підняти продуктивність сільськогосподарських культур в умовах зростання вуглекислоти в повітрі, очевидно знадобиться не лише значну кількість добрив, а й засобів захисту рослин (гербіциди, інсектициди, фунгіциди і т.д.), а також великі іригаційні роботи. Резонно побоюватися, що вартість цих заходів та наслідки для навколишнього середовища виявляться дуже істотними і невідповідними.
Дослідження виявили також роль конкуренції в екосистемах, що призводить до зниження стимулюючого ефекту високих концентрацій СО 2. Дійсно, саджанці дерев одного виду в помірному кліматі (Нова Англія, США) і тропіках росли краще при високій концентрації атмосферного СО 2, однак при спільному вирощуванні саджанців різних видів продуктивність таких співтовариств при тих же умовах не підвищувалася. Ймовірно, конкуренція за поживні речовини стримує реакцію рослин на підвищення вуглекислого газу.
Дослідження показують, що в листі рослин, що сформувалися в умовах високих концентрацій вуглекислого газу, менше вміст азоту, а отже, білка. Тому цінність такої рослинності як їжі для тварин і комах значно знижена. Дійсно, в експериментах комахи починали з'їдати істотно більше листя цих рослин в порівнянні з рослинністю в умовах нормальної концентрації СО 2. Причому у комах сповільнюється розвиток, вони стають більш уразливими для хижаків і паразитів. У результаті популяція травоїдних комах скорочується, звужується і харчова база багатьох хижаків. Можуть змінитися й інші екологічні взаємозв'язки. Встановлено, наприклад, що при підвищеному рівні діоксиду вуглецю прискорюється зростання, цвітіння і старіння рослин. Зміна періоду цвітіння може в свою чергу "зірвати" запилення рослин через розбіжність цвітіння з піком активності і поширеності запилювачів. Тому не доводиться говорити про зростання відоразноообразія в умовах підвищеної концентрації СО 2. У цілому на підставі наведених результатів наукових досліджень можна бачити, що майбутня атмосфера Землі з високим вмістом двоокису вуглецю надасть пряме і значний вплив на склад і функціонування екосистем.
Вивчення адаптивної стратегії та реакції рослин на коливання основних факторів, що впливають на зміну клімату і характеристики навколишнього середовища, дозволило уточнити деякі прогнози. Ще в 1987 р. був підготовлений сценарій агрокліматичних наслідків сучасних змін клімату і зростання СО 2 в атмосфері Землі для Північної Америки. Згідно з проведеними оцінками, при збільшенні концентрації СО 2 до 400 ppm і зростання середньої глобальної температури в земної поверхні на 0.5 ° С врожайність пшениці в цих умовах збільшиться на 7-10%. Але зростання температур повітря в північних широтах особливо проявиться у зимовий час і викличе надзвичайно несприятливі часті зимові відлиги, які можуть призвести до послаблення морозостійкості озимих культур, вимерзання посівів і пошкодження їх крижаною кіркою. Прогнозоване збільшення теплого періоду викличе необхідність селекції нових сортів з більш тривалим вегетаційним періодом.
Що стосується прогнозів урожайності основних сільськогосподарських культур для Росії, то відбувається зростання середніх приземних температур повітря і зростання СО 2 в атмосфері, здавалося б, повинні мати позитивний ефект. Вплив тільки зростання вуглекислого газу в атмосфері може забезпечити зростання продуктивності провідних сільськогосподарських культур - З 3-рослин (хлібних злаків, картоплі, буряків та ін) - в середньому на 20-30%, тоді як для С 4-рослин (кукурудзи, проса , сорго, амаранту) це зростання незначний. Однак потепління, очевидно, потягне за собою зниження рівня атмосферного зволоження приблизно на 10%, що ускладнить землеробство особливо в південній частині Європейської території, в Поволжі, в степових районах Західного і Східного Сибіру. Тут можна очікувати не лише зниження збору продукції з одиниці площі, а й розвитку ерозійних процесів (особливо вітрових), погіршення якості грунтів, у тому числі втрати ними гумусу, засолення, опустелювання значних територій. Було встановлено, що насичення приземного шару атмосфери завтовшки до 1 м надлишком СО 2 може відгукнутися "ефектом пустелі". Цей шар поглинає висхідні теплові потоки, тому в результаті його збагачення діоксидом вуглецю (у 1.5 рази у порівнянні з нинішньою нормою) локальна температура повітря безпосередньо біля земної поверхні стане на кілька градусів вище середньої температури. Інтенсивність випаровування вологи з грунту збільшиться, що призведе до її иссушению. Через це в цілому в країні може знизитися виробництво зерна, кормів, цукрових буряків, картоплі, насіння соняшнику, овочів і т.д. У результаті зміняться пропорції між розміщенням населення і виробництвом основних видів сільськогосподарської продукції.
Наземні екосистеми, таким чином, дуже чутливі до збільшення СО2 в атмосфері, причому, поглинаючи надлишковий вуглець в процесі фотосинтезу, в свою чергу сприяють і зростання атмосферного вуглекислого газу. Не менш важливу роль у формуванні рівня СО 2 в атмосфері відіграють процеси грунтового дихання. Відомо, що сучасне потепління клімату викликає посилене виділення неорганічного вуглецю з грунту (особливо в північних широтах). Модельні розрахунки [19], проведені з метою оцінки відгуку наземних екосистем на глобальні зміни клімату та рівня СО 2 в атмосфері, показали, що у випадку тільки зростання СО 2 (без кліматичних змін) стимуляція фотосинтезу зменшується при високих значеннях СО 2, але виділення вуглецю з грунтів зростає у міру його акумуляції в рослинності і грунтах. Якщо вміст СО 2 в атмосфері стабілізується, чиста продукція екосистем (результуючий потік вуглецю між біотою і атмосферою) швидко падає до нуля, так як фотосинтез компенсується диханням рослин і грунтів. Відповіддю наземних екосистем на кліматичні зміни без впливу росту СО 2, згідно з цими розрахунками, може стати зменшення глобального потоку вуглецю з атмосфери у біоту через посилення дихання грунтів у північних екосистемах та зменшення чистої первинної продукції в тропіках в результаті падіння вологовмісту грунтів. Цей результат підтверджується оцінками, згідно з якими вплив потепління на дихання грунтів превалює над впливом його на ріст рослин і зменшує грунтовий запас вуглецю. Спільний вплив глобального потепління і зростання СО 2 в атмосфері може збільшити глобальну чисту продукцію екосистем і стік вуглецю у біоту, проте значне зростання грунтового дихання може компенсувати цей стік в зимовий і весняний періоди. Важливо, що ці прогнози реакції наземних екосистем істотно залежать від видового складу рослинних угруповань, забезпеченості поживними речовинами, віку деревних порід і значно варіюють у межах кліматичних зон.
Список літератури
1. Алексєєв В.В., Зайцев С.І., Лямін М.Я., Кисельова С.В. / / Изв. АН СРСР. Фізика атмосфери та океану. 1987. № 10. Т.23. С.1055-1059.
2. Кудеяров В.М. Виділення вуглекислого газу грунтовим покривом Росії / / Природа. 1994. № 7. С.37-43.
3. Менжулін Г.В., Коваль Л.А., Миколаїв М.В., Савватеев С.П. Про оцінки агрокліматичних наслідків сучасних змін клімату. Сценарій для Північної Америки / / Исслед. впливу змін навколишнього середовища і клімату на продуктивність с.-г. культур. Л., 1987. С.132-146.
4. Скурлатов Ю.І. та ін Введення в екологічну хімію. М., 1994. С.38.
5. Чумаков Н.М. Тепла біосфера / / Природа. 1997. № 5. С.66-88.
· Концентрація парникових газів в атмосфері (вуглекислий газ, метан, закис азоту, озон, та ін);
· Рух повітряних мас
· Концентрація тропосферних аерозолів;
· Сонячна радіація;
· Вулканічна активність, що викликає забруднення стратосфери аерозолями сірчаної кислоти;
· Автоколивання в системі атмосфера-океан (Ель Ніньо-Південне коливання);
· Параметри орбіти Землі.
Було проаналізовано вплив цих факторів на радіаційний баланс у межах десятиліття і останнього століття.
Одним з найважливіших факторів, що впливають на клімат планет, є сонячне випромінювання, падаюче на планету. Сонячне випромінювання, падаюче на планету, частково відбивається у космічний простір, частково поглинається. Поглинена енергія нагріває поверхню планети.
Винятково важливим фактором, що впливає на клімат планет, є наявність або відсутність атмосфери. Атмосфера планети впливає на тепловий режим планети. Щільна атмосфера планети впливає на клімат декількома шляхами:
а) парниковий ефект збільшує температуру поверхні;
б) атмосфера згладжує добові коливання температури;
в) рух повітряних мас (циркуляція атмосфери) згладжує різницю температур між екватором і полюсом.
При розгляді вікової мінливості клімату виявилося, що саме накопичення парникових газів в атмосфері визначило подію підвищення среднеглобальной температури на 0.5 ° C. Однак пояснення нинішніх і майбутніх змін клімату тільки антропогенним фактором спочиває на дуже хиткому фундаменті, хоча його роль з часом, безумовно, зростає.
Парниковий ефект - це підвищення температури поверхні планети і нижніх шарів атмосфери планети через те, що атмосфера пропускає сонячне випромінювання (як кажуть, атмосфера прозора для сонячного випромінювання) і затримує теплове випромінювання планети. Чому це може відбуватися? Теплове випромінювання планети затримується (поглинається) складними молекулами, наприклад вуглекислим газом СО2, водою Н2О та іншими. (Атмосфера прозора для сонячного випромінювання і непрозора для теплового випромінювання планети). Саме внаслідок парникового ефекту температура Венери підвищується з Т = - 44 С ° до Т = 462 С °. Венера як би укрита шаром вуглекислого газу, як овочі в парнику - поліетиленовою плівкою.
Парниковий ефект відіграє дуже важливу роль у формуванні клімату Землі. Наприклад, на Титані через парникового ефекту температура підвищується на 3 - 5 С °.
Сонячна радіація - це сонячне випромінювання. Рівень сонячної радіації вимірюється на 1 м 2 земної поверхні в одиницю часу (МДж / м 2). Її розподіл залежить від широти місцевості, якій обумовлений кут падіння сонячних променів, і тривалості дня, що в свою чергу впливає на тривалість і інтенсивність сонячного сяйва, показники сумарної сонячної радіації і середню температуру повітря за рік.
20% сонячної радіації, що поступає на Землю, відображається атмосферою. Інша її частина досягає земної поверхні - це пряма сонячна радіація. Частина радіації поглинається і розсівається краплями води, льоду, частинками пилу, хмарами. Така радіація називається розсіяною. Пряма і розсіяна складають сумарну. Частина радіації відображається від поверхні Землі - це відображена радіація.
Руху повітряних мас. Повітряна маса - великий об'єм повітря в тропосфері, що володіє характерними властивостями (температурою, вологістю, прозорістю). Утворення різних типів повітряних мас відбувається в результаті нерівномірного нагрівання земної поверхні. Вся система руху повітря називається атмосферною циркуляцією.
Між повітряними масами розташовуються перехідні області шириною в декілька десятків кілометрів. Ці області називаються атмосферними фронтами. Атмосферні фронти знаходяться в постійному русі. При цьому відбувається зміна погоди, зміна повітряних мас. Фронти діляться на теплі і холодні.
Теплий фронт утворюється, коли тепле повітря наступає на холодний і відтісняє його. Холодний фронт утворюється, коли холодне повітря переміщається у бік теплого і відтісняє його.
Теплий фронт приносить потепління, опади. Холодний фронт приносить похолодання і прояснення. З атмосферними фронтами пов'язаний розвиток циклонів і антициклонів.
Підстилаюча земна поверхня впливає на розподіл сонячної радіації, рух повітряних мас.
Аналіз теплої біосфери крейдяного періоду як аналога прогнозованого потепління показав, що впливу основних климатообразующих факторів (крім вуглекислого газу) недостатньо для пояснення потепління такого масштабу в минулому. Парниковий ефект необхідної величини відповідав би багаторазового збільшення вмісту СО 2 в атмосфері. Поштовхом грандіозних кліматичних змін в цей період розвитку Землі, найімовірніше, стала позитивний зворотний зв'язок між зростанням температури океанів і морів та збільшенням концентрації атмосферної вуглекислоти.
Реакція молодих дерев сосни, молодих апельсинових дерев, пшениці на збільшення вмісту СО 2 в навколишньому середовищі в діапазоні від 400 до 800 ppm майже лінійна і позитивна. Ці дані можна легко перенести на різні рівні збагачення СО 2 і на різні види рослин. До впливу зростаючої кількості вуглекислого газу в атмосфері відноситься і збільшення маси лісів США (на 30% з 1950 р.). Більший стимулюючий ефект зростання СО 2 робить на рослини, які ростуть у посушливих (стресових) умовах. А інтенсивне зростання рослинних угруповань, як стверджують автори огляду, неминуче призводить до збільшення загальної маси тварин і робить позитивний вплив на біорізноманіття в цілому. Звідси випливає оптимістичний висновок: "У результаті збільшення атмосферного СО 2 ми живемо у все більш і більш сприятливих умовах навколишнього середовища. Наші діти будуть насолоджуватися життям на Землі з набагато більшою кількістю рослин і тварин. Це чудовий і непередбачений подарунок від індустріальної революції ".
Безумовно, коливання рівня СО 2 в атмосфері мали місце і в минулі епохи, однак ніколи ці зміни не відбувалися настільки швидко. Але якщо в минулому кліматична і біологічна системи Землі в силу поступовості змін складу атмосфери "встигали" перейти в новий стійкий стан і знаходилися в квазірівноваги, то в сучасний період при інтенсивному, надзвичайно швидкій зміні газового складу атмосфери всі земні системи виходять з стаціонарного стану. І якщо навіть стати на позицію авторів, які заперечують гіпотезу глобального потепління, не можна не відзначити, що наслідки такого "виходу з квазістаціонара", зокрема кліматичні зміни, можуть бути найсерйознішими.
Крім того, згідно з деякими прогнозами, після досягнення максимуму концентрації СО 2 в атмосфері вона почне падати через зменшення антропогенних викидів, поглинання вуглекислоти Світовим океаном і біотою. У цьому випадку рослинам знову доведеться адаптуватися до нової середовищі існування.
У зв'язку з цим надзвичайно цікаві деякі результати математичного моделювання складних наслідків можливої зміни клімату Землі. Експерименти з тривимірною моделлю об'єднаної системи океан-атмосфера, проведені американськими дослідниками, показали, що у відповідь на потепління Термохалинна північно-атлантична циркуляція (Північно-Атлантичний течія) сповільнюється. Критична величина концентрації СО 2, що викликає такий ефект, лежить між двома та чотирма доіндустріальними величинами вмісту СО 2 в атмосфері (вона дорівнює 280 ppm, а сучасна концентрація складає близько 360 ppm).
Використовуючи більш просту модель системи океан-атмосфера, фахівці провели детальний математичний аналіз описаних вище процесів. Згідно з їх розрахунками, при зростанні концентрації вуглекислого газу на 1% в рік (що відповідає сучасним темпам) Північно-Атлантичний течія сповільнюється, а при вмісті СО 2, що дорівнює 750 ppm, настає його колапс - повне припинення циркуляції. За більш повільному зростанні вмісту вуглекислоти в атмосфері (і температури повітря) - наприклад на 0.5% на рік, при досягненні концентрації 750 ppm циркуляція сповільнюється, але потім повільно відновлюється. У разі прискореного зростання парникових газів в атмосфері і пов'язаного з ним потепління Північно-Атлантичний протягом руйнується при більш низьких концентраціях СО 2 - 650 ppm. Причини зміни течії в тому, що потепління наземного повітря викликає зростання температури поверхневих шарів води, а також підвищення тиску пари в північних районах, а значить, і посилену конденсацію, через що зростає маса розпріснених води на поверхні океану в Північній Атлантиці. Обидва процеси призводять до посилення стратифікації водяного стовпа і уповільнюють (або зовсім унеможливлюють) постійне формування холодних глибинних вод в північній частині Атлантики, коли поверхневі води, охолоджуючись і стаючи більш важкими, опускаються в придонні області і потім повільно переміщаються до тропіків.
Дослідження такого роду наслідків потепління атмосфери, проведені нещодавно Р. Вудом з співробітниками, дає ще більш цікаву картину можливих подій. Крім зменшення загального атлантичного перенесення на 25% при сучасних темпах зростання парникових газів відбудеться "відключення" конвекції в Лабрадорское море - одному з двох північних центрів формування холодних глибинних вод. Причому це може мати місце вже в період від 2000 до 2030 р.
Зазначені коливання Північно-Атлантичного течії можуть спричинити за собою вельми серйозні наслідки. Зокрема, при відхиленні розподілу потоків тепла і температури від сучасного в атлантичному регіоні Північного півкулі середні температури приземного повітря над Європою можуть істотно знизитися. Більш того, зміни у швидкості Північно-Атлантичного перебігу та нагріву поверхневих вод можуть зменшити поглинання океаном СО 2 (за розрахунками згаданих фахівців - на 30% при подвоєнні концентрації вуглекислого газу в повітрі), що слід враховувати і в прогнозах майбутнього стану атмосфери, і в сценаріях викидів парникових газів. Істотні зміни можуть відбутися і в морських екосистемах, включаючи популяції риб та морських птахів, що залежать не тільки від специфічних кліматичних умов, а й від поживних речовин, які виносяться до поверхні холодними океанічними течіями. Тут ми хочемо підкреслити надзвичайно важливий момент, згаданий вище: наслідки зростання парникових газів в атмосфері, як видно, можуть бути набагато складніше, ніж однорідне потепління приземної атмосфери.
При моделюванні обміну вуглекислим газом доводиться враховувати і вплив на газоперенос стану кордону розділу океану і атмосфери. Протягом кількох років у лабораторних та натурних експериментах досліджувалися інтенсивність переносу СО 2 в системі вода-повітря. Розглядалося вплив на газообмін ветроволнових умов і дисперсного середовища, що утворюється поблизу кордону розділу двох фаз (бризки над поверхнею, піна, повітряні бульбашки в товщі води). Виявилося, що швидкість газопереноса при зміні характеру хвилювання від гравітаційно-капілярного до гравітаційного істотно збільшується. Цей ефект (крім підвищення температури поверхневого шару океану) може внести додатковий внесок у потік вуглекислоти між океаном і атмосферою. З іншого боку, істотним стоком СО 2 з атмосфери є опади, інтенсивно вимиваються, як показали наші дослідження, крім інших газових домішок і вуглекислий газ. Розрахунки з використанням даних про зміст розчиненого вуглекислого газу в дощовій воді і річній сумі опадів показали, що в океан щорічно з дощами може надходити 0.2-1 Гт СО 2, а загальна кількість вуглекислого газу, що вимиваються з атмосфери, може досягати величини 0.7-2.0 Гт .
Оскільки атмосферне вуглекислий газ частково поглинають опади і поверхневі прісні води, в грунтовому розчині підвищується вміст СО 2 і як наслідок цього відбувається підкислення середовища. У дослідах, проведених в лабораторії, була зроблена спроба дослідити особливості впливу розчиненого у воді СО 2 на накопичення біомаси рослинами. Проростки пшениці вирощувалися на стандартних водних поживних середовищах, в яких в якості додаткових джерел вуглецю, крім атмосферного, служили розчинений молекулярний СО 2 і бікарбонат-іон в різних концентраціях. Це досягалося варіюванням часу насичення водного розчину газоподібним вуглекислим газом. Виявилося, що початкове підвищення концентрації СО 2 в живильному середовищі призводить до стимулювання наземної і кореневої маси рослин пшениці. Однак при 2-3-кратному перевищенні над нормальним вмісту розчиненого вуглекислого газу спостерігалося гальмування росту коренів рослин із зміною їх морфології. Можливо, при значному підкисленні середовища відбувається зменшення асиміляції інших поживних речовин (азоту, фосфору, калію, магнію, кальцію). Таким чином, опосередкований вплив підвищеної концентрації СО 2 повинен прийматися до уваги при оцінці їх впливу на ріст рослин.
Наведені в додатку до петиції дані про інтенсифікацію росту рослин різних видів та віку залишають без відповіді питання про умови забезпеченості об'єктів вивчення біогенними елементами. Слід підкреслити, що зміна концентрації СО 2 повинен бути строго збалансоване з споживанням азоту, фосфору, інших поживних речовин, світла, води в продукційного процесу без порушення екологічної рівноваги. Так, посилений ріст рослин при високих концентраціях СО 2 спостерігався в середовищі, багатою поживними речовинами. Наприклад, на заболочених землях в естуарії Чесапікської затоки (південний захід США), де ростуть в основному З 3-рослини, збільшення СО 2 в повітрі до 700 ppm призводило до інтенсифікації росту рослин і збільшенню щільності їх зростання. Аналіз понад 700 агрономічних робіт показав, що при великих концентраціях СО 2 в середовищі, урожай зернових у середньому був більше на 34% (там, де в грунт вносилось достатню кількість добрив та води - ресурсів, наявних в достатку тільки в розвинених країнах). Щоб підняти продуктивність сільськогосподарських культур в умовах зростання вуглекислоти в повітрі, очевидно знадобиться не лише значну кількість добрив, а й засобів захисту рослин (гербіциди, інсектициди, фунгіциди і т.д.), а також великі іригаційні роботи. Резонно побоюватися, що вартість цих заходів та наслідки для навколишнього середовища виявляться дуже істотними і невідповідними.
Дослідження виявили також роль конкуренції в екосистемах, що призводить до зниження стимулюючого ефекту високих концентрацій СО 2. Дійсно, саджанці дерев одного виду в помірному кліматі (Нова Англія, США) і тропіках росли краще при високій концентрації атмосферного СО 2, однак при спільному вирощуванні саджанців різних видів продуктивність таких співтовариств при тих же умовах не підвищувалася. Ймовірно, конкуренція за поживні речовини стримує реакцію рослин на підвищення вуглекислого газу.
Дослідження показують, що в листі рослин, що сформувалися в умовах високих концентрацій вуглекислого газу, менше вміст азоту, а отже, білка. Тому цінність такої рослинності як їжі для тварин і комах значно знижена. Дійсно, в експериментах комахи починали з'їдати істотно більше листя цих рослин в порівнянні з рослинністю в умовах нормальної концентрації СО 2. Причому у комах сповільнюється розвиток, вони стають більш уразливими для хижаків і паразитів. У результаті популяція травоїдних комах скорочується, звужується і харчова база багатьох хижаків. Можуть змінитися й інші екологічні взаємозв'язки. Встановлено, наприклад, що при підвищеному рівні діоксиду вуглецю прискорюється зростання, цвітіння і старіння рослин. Зміна періоду цвітіння може в свою чергу "зірвати" запилення рослин через розбіжність цвітіння з піком активності і поширеності запилювачів. Тому не доводиться говорити про зростання відоразноообразія в умовах підвищеної концентрації СО 2. У цілому на підставі наведених результатів наукових досліджень можна бачити, що майбутня атмосфера Землі з високим вмістом двоокису вуглецю надасть пряме і значний вплив на склад і функціонування екосистем.
Вивчення адаптивної стратегії та реакції рослин на коливання основних факторів, що впливають на зміну клімату і характеристики навколишнього середовища, дозволило уточнити деякі прогнози. Ще в 1987 р. був підготовлений сценарій агрокліматичних наслідків сучасних змін клімату і зростання СО 2 в атмосфері Землі для Північної Америки. Згідно з проведеними оцінками, при збільшенні концентрації СО 2 до 400 ppm і зростання середньої глобальної температури в земної поверхні на 0.5 ° С врожайність пшениці в цих умовах збільшиться на 7-10%. Але зростання температур повітря в північних широтах особливо проявиться у зимовий час і викличе надзвичайно несприятливі часті зимові відлиги, які можуть призвести до послаблення морозостійкості озимих культур, вимерзання посівів і пошкодження їх крижаною кіркою. Прогнозоване збільшення теплого періоду викличе необхідність селекції нових сортів з більш тривалим вегетаційним періодом.
Що стосується прогнозів урожайності основних сільськогосподарських культур для Росії, то відбувається зростання середніх приземних температур повітря і зростання СО 2 в атмосфері, здавалося б, повинні мати позитивний ефект. Вплив тільки зростання вуглекислого газу в атмосфері може забезпечити зростання продуктивності провідних сільськогосподарських культур - З 3-рослин (хлібних злаків, картоплі, буряків та ін) - в середньому на 20-30%, тоді як для С 4-рослин (кукурудзи, проса , сорго, амаранту) це зростання незначний. Однак потепління, очевидно, потягне за собою зниження рівня атмосферного зволоження приблизно на 10%, що ускладнить землеробство особливо в південній частині Європейської території, в Поволжі, в степових районах Західного і Східного Сибіру. Тут можна очікувати не лише зниження збору продукції з одиниці площі, а й розвитку ерозійних процесів (особливо вітрових), погіршення якості грунтів, у тому числі втрати ними гумусу, засолення, опустелювання значних територій. Було встановлено, що насичення приземного шару атмосфери завтовшки до 1 м надлишком СО 2 може відгукнутися "ефектом пустелі". Цей шар поглинає висхідні теплові потоки, тому в результаті його збагачення діоксидом вуглецю (у 1.5 рази у порівнянні з нинішньою нормою) локальна температура повітря безпосередньо біля земної поверхні стане на кілька градусів вище середньої температури. Інтенсивність випаровування вологи з грунту збільшиться, що призведе до її иссушению. Через це в цілому в країні може знизитися виробництво зерна, кормів, цукрових буряків, картоплі, насіння соняшнику, овочів і т.д. У результаті зміняться пропорції між розміщенням населення і виробництвом основних видів сільськогосподарської продукції.
Наземні екосистеми, таким чином, дуже чутливі до збільшення СО2 в атмосфері, причому, поглинаючи надлишковий вуглець в процесі фотосинтезу, в свою чергу сприяють і зростання атмосферного вуглекислого газу. Не менш важливу роль у формуванні рівня СО 2 в атмосфері відіграють процеси грунтового дихання. Відомо, що сучасне потепління клімату викликає посилене виділення неорганічного вуглецю з грунту (особливо в північних широтах). Модельні розрахунки [19], проведені з метою оцінки відгуку наземних екосистем на глобальні зміни клімату та рівня СО 2 в атмосфері, показали, що у випадку тільки зростання СО 2 (без кліматичних змін) стимуляція фотосинтезу зменшується при високих значеннях СО 2, але виділення вуглецю з грунтів зростає у міру його акумуляції в рослинності і грунтах. Якщо вміст СО 2 в атмосфері стабілізується, чиста продукція екосистем (результуючий потік вуглецю між біотою і атмосферою) швидко падає до нуля, так як фотосинтез компенсується диханням рослин і грунтів. Відповіддю наземних екосистем на кліматичні зміни без впливу росту СО 2, згідно з цими розрахунками, може стати зменшення глобального потоку вуглецю з атмосфери у біоту через посилення дихання грунтів у північних екосистемах та зменшення чистої первинної продукції в тропіках в результаті падіння вологовмісту грунтів. Цей результат підтверджується оцінками, згідно з якими вплив потепління на дихання грунтів превалює над впливом його на ріст рослин і зменшує грунтовий запас вуглецю. Спільний вплив глобального потепління і зростання СО 2 в атмосфері може збільшити глобальну чисту продукцію екосистем і стік вуглецю у біоту, проте значне зростання грунтового дихання може компенсувати цей стік в зимовий і весняний періоди. Важливо, що ці прогнози реакції наземних екосистем істотно залежать від видового складу рослинних угруповань, забезпеченості поживними речовинами, віку деревних порід і значно варіюють у межах кліматичних зон.
Список літератури
1. Алексєєв В.В., Зайцев С.І., Лямін М.Я., Кисельова С.В. / / Изв. АН СРСР. Фізика атмосфери та океану. 1987. № 10. Т.23. С.1055-1059.
2. Кудеяров В.М. Виділення вуглекислого газу грунтовим покривом Росії / / Природа. 1994. № 7. С.37-43.
3. Менжулін Г.В., Коваль Л.А., Миколаїв М.В., Савватеев С.П. Про оцінки агрокліматичних наслідків сучасних змін клімату. Сценарій для Північної Америки / / Исслед. впливу змін навколишнього середовища і клімату на продуктивність с.-г. культур. Л., 1987. С.132-146.
4. Скурлатов Ю.І. та ін Введення в екологічну хімію. М., 1994. С.38.
5. Чумаков Н.М. Тепла біосфера / / Природа. 1997. № 5. С.66-88.