Изменение климата на планете (стр. 2 )

Сейчас речь идет о том, что человек усилил парниковый эффект, хотя и не сильно, на несколько процентов, но существенно. Человек повысил содержание в атмосфере СО2 и метана (а также пыли, сажи и других веществ). По мнению ученых, даже усиление парникового эффекта на 2–3 °С приведет к большим проблемам, ведь, как будет показано ниже, это не плавное и приятное потепление, а рост неустойчивости — «экстремальности» — климата5.

СОТНИ ТЫСЯЧ ЛЕТ: ЛЕДНИКОВЫЕ ПЕРИОДЫ

Главная причина изменения климата в последние сотни тысяч лет — изменение орбиты Земли, ответственное за приход и уход ледниковых периодов длительностью в десятки тысяч лет (рис. 1.56).

Рис. 1.5 Изменения орбиты Земли (циклы Миланковича), которые определяют наступление ледниковых периодов.

T — изменения наклона (наклонения) оси Земли; E — изменения эксцентриситета орбиты (степени ее отклонения от круга, эксцентриситет круговой орбиты равен нулю); P — прецессия, то есть круговое изменение направления оси вращения планеты

Источник: IPCC 4AR, vol. 1, Climate Change 2007. The Physical Science Basis. p. 449,www. ipcc. ch.

Прецессия с периодичностью 19–23 тыс. лет смещает сезоны, то есть сильно изменяет широтное и сезонное распределение солнечной инсоляции.

Наклон (наклонение) оси Земли колеблется между 22° и 24,5° (сейчас 23,5°) с двумя близкими периодами длительностью около 41 тыс. лет. Наклон орбиты не влияет на общую инсоляцию, но чем он больше, тем сильнее в высоких широтах разница между теплым и холодным сезонами.

Эксцентриситет орбиты вращения Земли вокруг Солнца имеет более длительные периоды: примерно 400 и 100 тыс. лет. Сами по себе они оказывают незначительное влияние, так как в целом изменения в расстоянии между Солнцем и Землей малы, однако они взаимодействуют с сезонными эффектами. Когда эксцентриситет мал (орбита Земли близка к круговой), как это было около 400 тыс. лет назад и будет в течение следующих 100 тыс. лет, сезонные изменения инсоляции, вызванные прецессией, меньше, чем когда эксцентриситет больше (орбита Земли — более вытянутый эллипс).

Последний миллион лет ледниковые периоды инициируются минимумами летней инсоляции в высоких широтах Северного полушария, когда выпавший зимой снег сохраняется весь год и, накапливаясь, превращается в ледниковые щиты Северного полушария. Белый снег и лед отражают солнечное излучение, и становится еще холоднее. При этом уровень океана может падать почти на 100 м7. Именно в такой период древние люди перешли из Евразии в Америку, вероятно, в основном по суше, а частично — по узкому проливу, покрытому льдом.

Воздействие ледниковых периодов на Евразию, приход и уход ледников и изменение растительного покрова рассмотрены ниже, в теме «Лес и климат». С другой стороны, Южное полушарие мало подвергалось воздействию ледниковых периодов. Антарктида в последние миллионы лет была постоянно покрыта льдом и снегом, а изменения орбиты Земли слишком слабы, чтобы это изменить.

Углекислый газ тоже играет важную роль в ледниковых периодах, хотя и не является их причиной. В Антарктиде ученые сумели отобрать пробы льда по всей толщине ледникового щита, а это почти 4 км, или около миллиона лет накопления снега. В превратившемся в лед снеге остались пузырьки воздуха, которые можно проанализировать и определить состав воздуха в течение сотен тысяч лет. Концентрация CO2 в холодные ледниковые времена была низкой — 160–190 ppm, а в теплые межледниковые периоды — высокой, до 300 ppm. По анализу изотопов кислорода ученые восстановили температуру прошлого: в последний миллион лет на нашей планете временами было теплее, чем сейчас.

Приходы ледниковых периодов и теплые межледниковые времена видны как периодические минимумы и максимумы всех параметров (температуры, концентраций СО2, СН4, уровня океана) на рис. 1.6.

Содержание CO2 в атмосфере следует за температурными изменениями в Антарктиде с запаздыванием на несколько столетий. Так, биосфера Земли реагирует на изменение температуры. При этом во время нескольких тысяч лет в начале и в конце ледникового периода СО2 ускоряет этот процесс. Когда становится холоднее, содержание СО2 падает, ослабляется парниковый эффект и становится еще холоднее. В конце ледникового периода становится теплее, концентрация СО2 в атмосфере больше, и температура растет быстрее за счет усиления парникового эффекта

Рис. 1.6 Температура, концентрации СО2  и метана, уровень Мирового океана за последние 800 тыс. лет
Источник: Hansen, J. E., and Mki. Sato, 2011: Paleoclimate implications for human-made climate change. In Climate Change: Inferences from Paleoclimate and Regional Aspects. Berger, Andrй; Mesinger, Fedor; Sijacki, Djordje (Eds.) Springer, 2012, 270 pp. http://www. /environment/global+change+climate+change/book/978–3–7091–0972–4

Последний ледниковый период начался примерно 110, а закончился 13 тыс. лет назад. Более подробно его ход, а также динамика климата 20–5 тыс. лет назад рассмотрены ниже в тематическом разделе «Лес и климат». Там анализируется, как колебания температуры влияли на растительность, и приведены карты ее распределения в разные тысячелетия.

Примерно 5–7 тыс. лет назад климат был несколько более теплым и влажным, чем сейчас, — был пройден пик межледниковья (так называемый оптимум голоцена). Вероятно, такие условия были благоприятны для древнего человека и развития цивилизации, но заметим, что теперь у человека иные экономические условия, иная численность и расселение по планете, иная продолжительность и стандарты жизни. Поэтому было бы ошибочно думать, что «аналогичное» потепление на пару градусов будет благом и для нашей современной цивилизации. Затем около 5 тыс. лет назад климат постепенно похолодал и стал близок к современному.

Сейчас мы находимся в теплом межледниковом периоде и медленно движемся к следующему ледниковому периоду, который наступит через несколько десятков тысяч лет. Более точно определить время сильного похолодания пока не удается, но большинство ученых полагает, что у нас еще есть как минимум 20 тыс. лет. Поэтому рассматривая ниже климат последнего тысячелетия, а затем прошлого и нынешнего столетий, мы пока можем «забыть» об орбите Земли и ледниковых периодах и обратить внимание на иные факторы: океанские циклы, вулканы и Солнце.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В ПОСЕДНИЕ СТОЛЕТИЯ: ОКЕАНСКИЕ ЦИКЛЫ, ВУЛКАНЫ И СОЛНЦЕ

Факторы, которые обусловили изменения климата в последние сотни лет, конечно, действовали всегда. Однако для более далеких времен у нас не хватает данных, чтобы отследить их относительно небольшое и краткосрочное влияние. Как было сказано выше, ученые определили, насколько климат 5–6 тыс. лет до нашей эры отличался от климата 13–14 тыс. лет назад. Но они не могут сказать, чем климат, например, 5100-х годов до нашей эры отличался от климата 5300-х годов. Изменения, конечно, были, но какие конкретно, сказать нельзя. Можно лишь утверждать, что они были относительно краткосрочными и небольшими, гораздо меньшими, чем вариации климата, которые мы видели при рассмотрении климатической истории Земли за сотни тысяч и миллионы лет.

За последнюю тысячу лет есть гораздо больше данных. Конечно, прямые измерения температуры начались только в XVIII веке, но есть косвенные методы, которые уже хорошо проработаны и признаны учеными как надежные. Один из основных — дендрохронология: определение изменений температуры по ширине колец ежегодного прироста древесины. Кроме очень старых деревьев, в распоряжении ученых немало остатков деревянных строений, где есть очень старые бревна. Другие методы основаны на анализе растительного покрова, а также донных отложений различных водоемов. В результате для ряда регионов удается проследить вариации температуры за последние примерно 1200 лет, но не более (рис. 1.7).

Пока нельзя сказать, что о причинах изменений климата известно все. Уровень знаний растет, но при этом оценка роли различных факторов может меняться. Десять лет назад многие ученые главным фактором последнего тысячелетия называли вариации солнечной активности. Однако исследования последних лет выявили наличие очень мощных, но не связанных с Солнцем вариаций с периодом в несколько десятков лет, которые обычно называют океанскими циклами. Собственно, другого названия быть и не может, так как почти вся энергия климатической системы Земли сосредоточена именно в океане. В долгосрочных колебаниях атмосферные процессы могут серьезно влиять на климат, только если в них участвует океан.

Рис. 1.7 Вариации температуры в различных регионах мира за последние 1000 лет (оценка по косвенным данным о растительном покрове, годичным кольцам деревьев и другим источникам)
Источник: IPCC 4AR, vol. 1, Climate Change 2007. The Physical Science Basis. p. 468, www. ipcc. ch

Океанские циклы. Сейчас активно исследуются физические механизмы, которые могут приводить к циклическим изменениям в океане с периодом от 1–2 до ста и более лет. Картина очень непростая — идет единая циркуляция поверхностных и глубинных вод и их взаимодействие с атмосферой. Океанские течения объединены в огромный планетарный конвейер, причем трехмерный — есть поверхностные течения, а есть глубинные. В одних частях конвейера движение вод может быть более быстрым, а в других очень медленным, но охватывающим огромные массы воды. Теперь представим себе, что движение и температура различных частей этого конвейера могут «пульсировать». Когда чуть теплее поверхностные воды — над ними теплее атмосфера, когда чуть теплее глубинные воды — атмосфера холоднее. Энергия как бы «перетекает» из глубин на поверхность и обратно, из одной части океана или атмосферы в другую и «возвращается» назад, причем это может занимать десятки лет, но общее количество энергии остается практически неизменным. Одним из механизмов превращения непрерывного движения в циклический процесс может являться конвекция, которая из-за вязкости воды возникает только при определенной разнице в плотности воды, зависящей от ее температуры и солености. До этого температура глубинных вод может медленно нарастать, но конвекции не будет. Когда же разница достигнет определенного предела, начнется быстрое конвективное движение.