Огляд нинішньої глобальної зміни клімату
Зміна клімату - коливання клімату Землі в цілому або окремих її регіонів з плином часу, що виражаються в статистично достовірних відхиленнях параметрів погоди від багаторічних значень за період часу від десятиліть до мільйонів років. Враховуються зміни як середніх значень погодних параметрів, так і зміни частоти екстремальних погодних явищ. Вивченням змін клімату займається наука палеокліматологія. Причиною зміни клімату є динамічні процеси на Землі, зовнішні впливи, такі як коливання інтенсивності сонячного випромінювання, і, за однією з версій, з недавніх пір, діяльність людини. Останнім часом термін «зміна клімату» використовується як правило (особливо в контексті екологічної політики) для позначення зміни в сучасному кліматі (див. глобальне потепління).
Фактори зміни клімату
Зміни клімату обумовлені змінами в земній атмосфері, процесами, що відбуваються в інших частинах Землі, таких як океани, льодовики, а також ефектами, супутніми діяльності людини. Зовнішні процеси, що формують клімат, - це:
зміни сонячної радіації і орбіти Землі.
зміна розмірів і взаємного розташування материків і океанів,
зміна світимості сонця,
зміни параметрів орбіти Землі,
зміна прозорості атмосфери і її складу в результаті змін вулканічної активності Землі,
зміна концентрації парникових газів (СО2 і CH4) в атмосфері,
зміна відбивної здатності поверхні Землі (альбедо),
зміна кількості тепла, наявного в глибинах океану.
Кліматичні зміни на Землі
Погода - це щоденне стан атмосфери. Погода є хаотичною НЕ лінеарному динамічною системою. Клімат - це усереднене стан погоди і він, навпаки, стабільний і передбачуваний. Клімат включає в себе такі показники як середня температура, кількість опадів, кількість сонячних днів і інші змінні, які можуть бути виміряні в якомусь певному місці. Проте на Землі відбуваються і такі процеси, які можуть впливати на клімат.
Заледеніння
Льодовики визнані одними з найбільш чутливих показників зміни клімату. Вони істотно збільшуються в розмірах під час охолодження клімату (т. зв. "Малі льодовикові періоди») і зменшуються під час потепління клімату. Льодовики ростуть і тануть через природні зміни і під впливом зовнішніх впливів. У минулому столітті льодовики не були здатні регенерувати достатньо льоду протягом зим, щоб відновити втрати льоду під час літніх місяців.
Найзначніші кліматичні процеси за останні декілька мільйонів років - це гляціальних і інтергляціальние цикли поточного льодовикового періоду, обумовлені змінами орбіти Землі. Зміна стану континентальних льодів і коливання рівня моря в межах 130 метрів є в більшості регіонів ключовими наслідками зміни клімату.
Мінливість світового океану
У масштабі десятиліть кліматичні зміни можуть бути результатом взаємодії атмосфери і світового океану. Багато флуктуації клімату, включаючи найбільш відому південну осциляцію Ель-Ніньо, а також північноатлантичну і арктичну осциляції, відбуваються частково завдяки можливості світового океану акумулювати теплову енергію і переміщенню цієї енергії в різні частини океану. У більш тривалому масштабі в океанах відбувається Термохалинна циркуляція, яка грає ключову роль в перерозподілі тепла і може значно впливати на клімат.
Кліматична пам'ять
У більш загальному аспекті мінливість кліматичної системи є формою гістерезису, тобто це означає, що даний стан клімату є не тільки наслідком впливу певних чинників, але також і всією історією його стану. Наприклад, за десять років посухи озера частково висихають, рослини гинуть, і площа пустель збільшується. Ці умови викликають, у свою чергу, менш рясні дощі в наступні за засухою роки. Т. о. зміна клімату є саморегулюючим процесом, оскільки навколишнє середовище реагує певним чином на зовнішні впливи, і, змінюючись, сама здатна впливати на клімат.
Парникові гази
Прийнято вважати, що парникові гази є головною причиною глобального потепління. Парникові гази мають також значення для розуміння кліматичної історії Землі. Згідно з дослідженнями, парниковий ефект, що виникає в результаті нагрівання атмосфери тепловою енергією, що утримується парниковими газами, є ключовим процесом, який регулює температуру Землі.
Протягом останніх 600 млн років концентрація діоксиду вуглецю в атмосфері варіювалися від 200 до більш ніж 5 000 чнм із-за дії геологічних і біологічних процесів. Однак в 1999 р. Вейзер і ін показали, що впродовж останніх десятків мільйонів років немає строгої кореляції між концентрацією парникових газів і зміною клімату і що важливіша роль належить тектонічному руху літосферних плит. Пізніше Ройер та ін використовували кореляцію СО2 - клімат, щоб вивести значення «чутливості клімату». Є декілька прикладів швидких змін концентрації парникових газів в земній атмосфері, що мають строгу кореляцію з сильним потеплінням, серед яких термальний максимум палеоцену - еоцену, вимирання видів пермі - тріасу і кінець варязької «Землі - сніжку» (snowball earth event).
Зростаючий рівень діоксиду вуглецю вважається головною причиною глобального потепління, починаючи з 1950 року. Згідно з даними Міждержавної групи експертів зі зміни клімату (МГЕЗК) від 2007 року, концентрація СО2 в атмосфері в 2005 році склала 379 чнм3, в доіндустріальний період вона становила 280 чнм3.
Щоб запобігти різкому потепленню в найближчі роки, концентрація вуглекислоти повинна бути знижена до рівня, що існував до індустріальної епохи, - до 350 частин на мільйон (0,035%) (зараз - 385 частин на мільйон і збільшується на 2 мільйонних частки (0,0002%) в рік, в основному через спалювання викопного палива і вирубування лісів). [1]
Ученим вже давно відомі способи розірвання або навіть припинення масових вирубок лісу. Ще на початку минулого століття американські дослідники прогнозували, що вирощування конопель в промислових масштабах здатне зупинити вирубку лісів, тому що врожай конопель з 10 тисяч гектарів ріллі дає стільки ж папери, скільки і ліс, повалений на площі 40 тисяч гектарів. Це пов'язано з тим, що один гектар конопель дає 5-6 кубометрів деревини в рік, а один гектар лісових угідь - удвічі менше. [2]
Є скептичне ставлення до геоінженерних методів вилучення вуглекислоти з атмосфери, зокрема, до пропозицій поховання вуглекислого газу в тектонічних тріщинах або закачувати його в породи на океанському дні: вилучення 50 мільйонних часток газу за цією технологією коштуватиме, щонайменше, 20 трильйонів доларів, що в два рази більше від національного боргу США. [1]
Тектоніка літосферних плит
Впродовж тривалих відрізків часу тектонічні рухи плит переміщають континенти, формують океани, створюють і руйнують гірські хребти, тобто створюють поверхню, на якій існує клімат. Недавні дослідження показують, що тектонічні рухи посилили умови останнього льодовикового періоду: близько 3 млн років тому північно-і південноамериканська плити зіткнулися, утворивши Панамський перешийок і закривши шляхи для прямого змішування вод Атлантичного і Тихого океанів.
Сонячне випромінювання
Зміна сонячної активності протягом останніх декількох століть
Сонце є основним джерелом тепла в кліматичній системі. Сонячна енергія, перетворена на поверхні Землі в тепло, є невід'ємною складовою, яка формує земний клімат. Якщо розглядати тривалий період часу, то в цих рамках Сонце стає яскравішим і виділяє більше енергії, тому що розвивається згідно головної послідовності. Це повільний розвиток впливає і на земну атмосферу. Вважається, що на ранніх етапах історії Землі Сонце було надто холодним для того, щоб вода на поверхні Землі була рідкою, що призвело до т. зв. «Парадоксу слабкого молодого Сонця».
На більш коротких тимчасових відрізках також спостерігаються зміни сонячної активності: 11-річний сонячний цикл і триваліші модуляції. Проте 11-річний цикл виникнення і зникнення сонячних плям не відстежується явно в кліматологічних даних. Зміна сонячної активності вважається важливим чинником настання малого льодовикового періоду, а також деяких потеплінь, що спостерігаються між 1900 і 1950 роками. Циклічна природа сонячної активності ще не до кінця вивчена; вона відрізняється від тих повільних змін, які супроводжують розвиток і старіння Сонця.
Зміни орбіти
За своїм впливом на клімат зміни земної орбіти схожі з коливаннями сонячної активності, оскільки невеликі відхилення в положенні орбіти приводять до перерозподілу сонячного випромінювання на поверхні Землі. Такі зміни положення орбіти називаються циклами Міланковича, вони передбачувані з високою точністю, оскільки є результатом фізичної взаємодії Землі, її супутника Місяця та інших планет. Зміни орбіти вважаються головними причинами чергування гляціальних і інтергляціальних циклів останнього льодовикового періоду. Результатом прецесії земної орбіти є і менш масштабні зміни, такі як періодичне збільшення і зменшення площі пустелі Сахара.
Вулканізм
Одне сильне виверження вулкана здатне вплинути на клімат, викликавши похолодання тривалістю декілька років. Наприклад, виверження вулкана Пінатубо в 1991 році істотно вплинуло на клімат. Гігантські виверження, що формують найбільші магматичні провінції, трапляються всього кілька разів в сто мільйонів років, але вони впливають на клімат протягом мільйонів років і є причиною вимирання видів. На початку вчені вважали, що причиною похолодання є емітована в атмосферу вулканічний пил, оскільки вона перешкоджає досягти поверхні Землі сонячному випромінюванню. Проте вимірювання показують, що більша частина пилу осідає на поверхні Землі протягом шести місяців.
Вулкани є також частиною геохімічного циклу вуглецю. Протягом багатьох геологічних періодів діоксид вуглецю вивільнявся з надр Землі в атмосферу, нейтралізуючи тим самим кількість СО2, вилученого з атмосфери і пов'язаного осадовими породами та іншими геологічними поглиначами СО2. Проте цей внесок не порівняється по величині з антропогенною емісією оксиду вуглецю, яка, за оцінками Геологічної служби США, в 130 разів перевищує кількість СО2, емітованого вулканами.
Антропогенний вплив на зміну клімату
Антропогенні чинники включають в себе діяльність людини, яка змінює навколишнє середовище і впливає на клімат. У деяких випадках причинно-наслідковий зв'язок пряма і недвозначна, як, наприклад, при впливі зрошення на температуру і вологість, в інших випадках цей зв'язок менш очевидна. Різні гіпотези впливу людини на клімат обговорювалися впродовж багатьох років. В кінці 19-го століття в західній частині США і Австралії була, наприклад, популярна теорія «дощ іде за плугом» (англ. rain follows the plow).
Головними проблемами сьогодні є: зростаюча через спалювання палива концентрація СО2 в атмосфері, аерозолі в атмосфері, що впливають на її охолоджування, і цементна промисловість. Інші фактори, такі як землекористування, зменшення озонового шару, тваринництво і вирубка лісів, також впливають на клімат.
Спалювання палива
Почавши рости під час промислової революції в 1850-х роках і поступово прискорюючи, споживання людством палива призвело до того, що концентрація СО2 в атмосфері зросла з ~ 280 чнм до 380 чнм. При такому зростанні спроектована на кінець 21-го століття концентрація буде складати більше 560 чнм. Відомо, що зараз рівень СО2 в атмосфері вище, ніж коли-небудь за останні 750 000 років. Разом зі зростаючою концентрацією метану ці зміни провіщають зростання температури на 1.4-5.6 ° С в проміжку між 1990 і 2040 роками.
Аерозолі
Вважається, що антропогенні аерозолі, особливо сульфати, що викидаються при спалюванні палива, впливають на охолодження атмосфери. Вважають, що ця властивість є причиною відносного «плато» на графіку температур в середині XX століття.
Цементна промисловість
Виробництво цементу є інтенсивним джерелом викидів СО2. Діоксид вуглецю утворюється, коли карбонат кальцію (CaCO3) нагрівають, щоб отримати інгредієнт цементу оксид кальцію (СаО або негашене вапно). Виробництво цементу є причиною приблизно 2.5% викидів СО2 індустріальних процесів (енергетичний та промисловий сектори). При заутворі цементу ту ж кількість СО2 поглинається з атмосфери при протіканні зворотної реакції СаО + СО2 = СаСО3. Тому виробництво і споживання цементу змінює тільки локальні концентрації СО2 в атмосфері, не змінюючи середнє значення.
Землекористування
Істотний вплив на клімат робить землекористування. Зрошення, вирубка лісів і сільське господарство корінним чином міняють навколишнє середовище. Наприклад, на зрошуваної території змінюється водний баланс. Землекористування може змінити альбедо окремо взятій території, оскільки змінює властивості підстилаючої поверхні і тим самим кількість поглинається сонячного випромінювання. Наприклад, є причини припускати, що клімат Греції та інших середземноморських країн помінявся через масштабну вирубку лісів між 700 років до н. е.. і початком н. е.. (Деревина використовувалася для будівництва, кораблебудування і як паливо), ставши більш жарким і сухим, а ті види дерев, які використовувалися в кораблебудуванні, не ростуть більше на цій території.
Згідно з дослідженням 2007 Лабораторії реактивного руху (Jet Propulsion Laboratory) середня температура в Каліфорнії зросла за останні 50 років на 2 ° С, причому в містах це зростання набагато вище. Це є в основному наслідком антропогенної зміни ландшафту.
Скотарство
Згідно зі звітом ООН «Довга тінь скотарства» від 2006 року худоба є причиною 18% викидів парникових газів у світі. Це включає в себе і зміни в землекористуванні, тобто вирубку лісу під пасовища. У тропічних лісах Амазонки 70% вирубки лісів проводиться під пасовища, що стало основною причиною, чому Продовольча і сільськогосподарська організація ООН (англ. Food and Agriculture Organization, FAO) у сільськогосподарському звіті за 2006 рік включила землекористування в сферу впливу скотарства. На додаток до викидів СО2, скотарство є причиною викиду 65% оксиду азоту і 37% метану, що мають антропогенне походження.
Взаємодія чинників
Вплив на клімат всіх чинників, як природних, так і антропогенних, виражається єдиної величиною - радіаційним прогріванням атмосфери у Вт/м2.
Виверження вулканів, зледеніння, дрейф континентів і зсув полюсів Землі - могутні природні процеси, що впливають на клімат Землі. У масштабі декількох років вулкани можуть грати головну роль. У результаті виверження вулкана Пенатубо в 1991 року на Філіппінах на висоту 35 км було закинуто стільки попелу, що середній рівень сонячної радіації знизився на 2,5 Вт/м2. Однак ці зміни не є довгостроковими, частинки відносно швидко осідають вниз. У масштабі тисячоліть визначальним клімат процесом буде, ймовірно, повільний рух від одного льодовикового періоду до наступного.
У масштабі декількох століть на 2005 рік у порівнянні з 1750 роком є комбінація різноспрямованих чинників, кожний з яких значно слабкіше, ніж результат зростання концентрації в атмосфері парникових газів, що оцінюється як прогрів на 2,4-3,0 Вт/м2. Вплив людини складає менше 1% від загального радіаційного балансу, а антропогенне посилення природного парникового ефекту - приблизно 2%, з 33 до 33,7 град С. Таким чином, середня температура повітря біля поверхні Землі збільшилася з доіндустріальної епохи (приблизно з 1750 року) на 0,7 ° С.