Климат Земли никогда не был постоянен. Времена похолодания (Ледниковые периоды) сменялись эпохами потепления. Причины таких изменений климата остаются неизвестными. Ученые лишь высказывают догадки.
Причины изменения климата
- Изменения орбиты Земли
- Солнечная активность
- Вулканические выбросы
- Парниковый эффект
Сегодня Земля находится во временном пространстве потепления. Климатологи заявляют, что оно реально. Доказательством этого является уменьшение площади арктических льдов. Её минимальное сентябрьское (после летнего таяния) значение составляло
-
в 1980-х годах — 6,9 млн. кв. км.
-
в 1990-х — 6,5 млн
-
в 2000-х — 5,6 млн,
-
в 2015 году — 4,4 млн. кв. км.
Причины глобального потепления
Причиной глобального потепления является человеческая деятельность, вызвавшая к жизни так называемый парниковый эффект. Парниковый эффект впервые обнаружил в 1827 году Жозеф Фурье, а предметно исследовали Ф. де Соссюр и Сванте Аррениус. Ученые доказали, что любая поверхность, накрытая стеклом, легко нагревается от приходящих тепловых лучей, но тепла практически не отдает, так как стекло пропускает свет, но не пропускает тепло. Накопление же тепла внутри системы ведёт к росту температуры. Для Земли «стеклом» является углекислый газ, вызванный производственной деятельностью человечества.
За последние два века содержание углекислого газа в атмосфере земли выросло с 280 до 400 миллионных долей. За это время парниковые газы привели к росту средней температуры на Земле на 0,6 градуса Цельсия
Учёные-климатологи утверждают, что рост глобальной температуры более, чем на 2 градуса, то есть на 1,4 градуса от нынешнего показателя, приведет к катастрофе
Последствия глобального потепления
- Повышение уровня Мирового океана, что приведет к затоплению больших участков суши и исчезновению многих прибрежных государств: Нидерландов, Нигерии, Бангладеш, островов Океании
- Пересыхание одних рек, ухудшение качества воды в других
- Исчезновение многих видов животных
- Рост стихийных бедствий: засух, наводнений, сильных морозов
- Голод
Результаты глобального потепления для России
- Распространение по Европейской части России клещевого энцефалита
- Сокращение урожайности зерновых
- Снижение средней скорости ветра. что приведет к засухам
- Уменьшится площадь вечной мерзлоты, что приведет к массовым разрушения строений на ней
- Разрушение дорог и трубопроводов
- Уменьшится сток талой воды в горах
- Увеличится количество летних пожаров
Основным способом борьбы с глобальным потеплением является уменьшение выбросов в атмосферу парниковых газов. Ограничение их производства регулируется Киотским протоколом, согласованым 160 странами мира в 1997 году
Введение
1. Причины изменения климата
2. Понятие и сущность парникового эффекта
3. Глобальное потепление и воздействие на него человека
4. Последствия глобального потепления
5. Меры, необходимые для предотвращения глобального потепления
Заключение
Список литературы
Введение
Мир становится теплее, и человечество в значительной мере ответственно за это, говорят эксперты. Но многие факторы, влияющие на изменение климата, еще не изучены, а другие и вовсе не изучены.
Некоторые засушливые места в Африке за последние 25 лет стали еще более сухими. Редкие озера, приносящие людям воду, высыхают. Усиливаются песчаные ветры. Дожди прекратились там еще в 1970-х. Все более острой становится проблема питьевой воды. Согласно компьютерным моделям такие местности продолжат высушиваться и станут совсем непригодными для жизни.
Добыча угля распространена по всей планете. В атмосферу выбрасывается огромное количество углекислого газа (СО 2) при сжигании угля. Так как развивающиеся страны идут по следам своих индустриальных соседей, объем СО 2 удвоится в течение XXI века.
Большинство специалистов, изучая комплексность климатической системы Земли, связывают повышение глобальной температуры и грядущие изменения климата с увеличение уровня СО 2 в атмосферном воздухе.
Жизнь процветает на планете около четырех миллиардов лет. В течение этого времени колебания климата были радикальными, от ледникового периода – длившегося 10 000 лет – до эпохи стремительного потепления. С каждым изменением неопределенное число видов жизненных форм изменялись, развивались и выживали. Другие ослабли или просто вымерли.
Сейчас многие эксперты считают, что человечество подвергает опасности мировую экологическую систему в связи с глобальным потеплением, вызванное так называемым парниковым эффектом. Испарение продуктов цивилизации в форме парниковых газов, таких как диоксид углерода (СО 2), задержали достаточно отраженного от земной поверхности тепла, чтоб средняя температура у поверхности Земли повысилась на пол градуса Цельсия в течение ХХ столетия. Если такое направление современной индустрии сохранится, то климатическая система изменится повсеместно – таяние льдов, повышение уровня Мирового океана, уничтожение растений засухами, превращение местностей в пустыни, перемещение зеленых зон.
Но этого может и не быть. Климат на планете зависит от комбинации многих факторов, взаимодействующих по отдельности друг с другом и в комплексных путях, которые еще не до конца изучены. Возможно, что потепление, наблюдавшееся в течение прошлого столетия, произошло вследствие естественных колебаний, несмотря на то, что его скорости значительно превышали тех, что наблюдались в течение последних десяти веков. Более того, компьютерные симуляции могут быть неточными.
Тем не менее, после долгих лет интенсивного изучения Международная конференция по проблеме изменения климата, спонсируемая Объединенными нациями, ориентировочно заключила, что «многие доказательства свидетельствуют, что влияния человечества на глобальный климат огромны». Объем этих влияний, как замечают специалисты, неизвестно, так как не определен ключевой фактор, включая степень воздействия облаков и океанов на изменение глобальной температуры. Возможно, потребуется десяток лет или больше дополнительного исследования, чтобы исключить эти неопределенности.
Тем временем, многое уже известно. И хотя специфика обстоятельств хозяйственной деятельности человека остаются неясными, наша способность изменять состав атмосферы бесспорна.
Цель данной работы – изучить проблему изменения климата на Земле.
Задачи данной работы:
1. изучить причины изменения климата;
2. рассмотреть понятие и сущность парникового эффекта;
3. дать определение понятию «глобальное потепление» и показать влияние на него человечества;
4. показать последствия ожидающие человечество в результате глобального потепления; 5. рассмотреть меры, необходимые для предотвращения глобального потепления.
1. Причины изменения климата
Что такое глобальное изменение климата и почему его часто называют «глобальным потеплением»?
Нельзя не согласиться с тем, что климат на Земле меняется и это становится глобальной проблемой для всего человечества. Факт глобального изменения климата подтвержден научными наблюдениями и не оспаривается большинством ученых. И все же вокруг этой темы идут постоянные дискуссии. Одни употребляют термин "глобальное потепление" и делают апокалиптические прогнозы. Другие пророчат наступление нового «ледникового периода» - и тоже делают апокалиптические прогнозы. Третьи считают изменения климата естественным, а доказательства обеих сторон о неизбежности катастрофических последствий изменения климата – спорными… Попробуем разобраться….
Какие существуют доказательства изменения климата?
Они всем хорошо известны: повышение среднемировой температуры (более мягкие зимы, более жаркие и засушливые летные месяцы), таяние ледников и повышение уровня мирового океана, а также всё чаще возникающие и всё более разрушительные тайфуны и ураганы, наводнения в Европе и засухи в Австралии. А кое-где, например, в Антарктике, отмечается похолодание.
Если климат менялся и раньше, почему сейчас это стало проблемой?
Действительно, климат нашей планеты меняется постоянно. Всем известно про ледниковые периоды (они бывают малые и большие), при всемирный потоп и пр. Согласно геологическим данным среднемировая температура в разные геологические периоды колебалась от +7 до +27 градусов по Цельсию. Сейчас средняя температура на Земле составляет примерно +15 о С и еще довольно далека от максимума. Так, чем же обеспокоены ученые, главы государств и общественность? Если коротко, обеспокоенность вызывает то, что к естественным причинам изменения климата, которые были всегда, добавляется еще один фактор – антропогенный (результат деятельности человека), влияние которого на изменение климата, по мнению ряда исследователей, становится все сильнее с каждым годом.
Каковы причины изменения климата?
Главной движущей силой климата является Солнце. Например, неравномерное нагревание земной поверхности (сильнее у экватора) является одной из главных причин ветров и океанических течений, а периоды повышенной солнечной активности сопровождаются потеплением и магнитными бурями.
Кроме того на климат влияют изменение орбиты Земли, ее магнитного поля, размеров материков и океанов, извержения вулканов. Все это -естественные причины изменения климата. До недавнего времени они, и только они, определяли изменения климата, в том числе начало и конец долговременных климатических циклов, таких как ледниковые периоды. Солнечной и вулканической активность можно объяснить половину температурных изменений до 1950 года (солнечная активность приводит к повышению температуры, а вулканическая – к снижению).
В последнее время к естественным факторам добавился еще один – антропогенный, т.е. вызванный деятельностью человека. Основным антропогенным воздействием является усиление парникового эффекта, влияние которого на изменение климата в последние два столетия в 8 раз выше влияния изменений солнечной активности.
Здравствуйте! Данная статья будет на тему изменения климата. Думаю Вам будет интересно то, как на Земле на протяжении ее истории менялся климат.
Необычные погодные явления, которые в последние десятилетия наблюдаются во всем мире, говорят о том, что человечество стоит на пороге глобальной катастрофы.
На нашей планете климат постоянством никогда не отличался, и неоднократно изменялся на протяжении всей истории Земли.
Изучение окаменелостей и горных пород дало возможность получить информацию о климатических условиях на Земле в далеком прошлом.
Например, наличие в недрах Антарктиды (подробнее об этом материке ) угольных пластов, говорит о том, что в этой ледяной пустыне когда-то царил теплый . Ведь уголь образуются из остатков растений, которые буйно развиваются в тропиках.
Также образцы горных пород свидетельствуют о том, что часть Австралии, юго-восточную часть Южной Америки и юг Африки, 300 млн. лет назад покрывали огромные ледовые щиты.
Данные, которые были получены при изучении окаменелостей, и которые касаются изменений климата, подтверждают теорию дрейфа континентов.
Иными словами, ученные сегодня полагают, что при изменении положений частей суши, меняются климатические условия.
Но дрейф континентов (более подробно о дрейфе континентов ) – это медленный процесс и не объясняет причину последнего ледникового периода, который начался 1,8 млн. лет назад, а тогда карта мира мало чем отличалась от нынешней.
Также эта теория не объясняет и серьезных климатических изменений, которые произошли за последние 10 000 лет после окончания ледникового периода.
В частности, дрейф континентов не имеет прямого отношения к необычным погодным явлениям, которые зарегистрированы во всем мире в период 1970-80-х гг.
Послеледниковый период.
Погода в северном полушарии, в ледниковый период, не всегда была холодной. Периоды похолодания (ледовые щиты двигались из полярной области на юг) чередовались с теплыми периодами (льды таяли, отступая на север).
Около 10 000 лет назад завершился последний ледниковый период. Изучая годичные кольца стволов и содержание пыльцы различных деревьев, ученные обнаружили, что вначале наблюдалось быстрое потепление климата.
Лед таял и, соответственно, уровень океана повысился, а многие участки суши оказались затопленными. Так, около 7500 лет назад, оказались отрезанными от Европы (подробнее об этой части света ) Британские острова.
Климат Западной Европы, примерно 7000 лет назад, был теплее сегодняшнего. Средние температуры зимних месяцев были, приблизительно, на 1°С выше, а летних месяцев — на 2-3°С выше чем сегодня.
Поэтому снеговая граница (нижняя граница вечных снегов) находилась примерно на 300 м выше, чем теперь.
Климат Северо-Западной Европы, около 5000 лет назад, стал суше и прохладнее. А Сахара в те времена представляла собой саванну (степь) с множеством озер и рек.
Дальнейшие перемены.
Более холодная и влажная погода в Северо-Западной Европе установилась примерно 3 000 лет назад. Долины Альп покрылись ледниками. В озерах поднялся уровень воды, и появились обширные болота. Сахара превратилась в пустыню.
За последние 2000 лет информацию об изменении погодных условий ученные получают из исторических документов. А в последнее время они используют данные, которые были получены при взятии глубоководных кернов (цилиндрических колонок горных пород) и бурении скважин в ледовых щитах.
Так стало известно, что между 400 и 1200 гг. н. э. в Северо-Западной Европе царила теплая, более сухая и относительно ясная погода. А в Англии рос виноград.
В XIII – XIV вв. произошло следующее похолодание. Зимой, такие реки, как Темза и Дунай покрывались толстым слоем льда, что редко происходит в наши дни. Индия, из-за отсутствия муссонных ветров, страдала от летних засух, а на юго-западе нынешней США (более подробно об этой стране ) была крайне сухая погода.
«Малый ледниковый период» Европа пережила приблизительно с 1550 по 1880 гг. Тогда температура опускалась до минимума.
Последние 100 лет.
Климат после 1880 года постепенно становился теплее вплоть до 1940—1950-х гг., когда примерно на 0,2-0,3°С понизились средние показатели.
Также наряду с этим происходили изменения в глобальном распределении осадков, которые заметны по перемещениям климатических зон (о климатических зонах более подробно ) в направлении «север-юг».
Очевидно, причиной все более и более сильных засух в зоне сахеля, стало незначительное смещение субтропических районов высокого давления (которые еще называют «конскими широтами»).
В странах Экваториальной Африки увеличилось выпадение осадков, что также было с этим связано. Так, в озере Виктория начал повышаться уровень воды, а это грозило затоплением прибрежных населенных пунктов.
Исходя из наблюдающегося глобального похолодания, в середине 1970-х гг., ученые пришли к выводу, что надвигается новый ледниковый период.
Ученые полагали, что последние 10 000 лет могли быть межледниковьем. Но, метеорологические станции всего мира, в течение 1970—1980 гг., регистрировали повышение среднемесячных температур.
Но к концу 1980-х гг. стало очевидным, что с 1880 г. среднемесячные температуры фактически увеличились примерно на 0,5°С.
Все это сопровождалось необычными погодными условиями, включая ранний приход весны, мягкие зимы, более жаркое лето, засухи и временами сильные бури. Все это указывает на то, что на Земле климат становится теплее.
Многие ученные считают, что все эти изменения связаны с загрязнением атмосферы.
Вулканический пепел.
Каковы причины изменения климата? По этому поводу существует много различных теорий, но ученные сошлись во мнении, что ни одна из этих теорий не объясняет все множество перемен в погоде.
Дрейф континентов, как таковой, не оказывает краткосрочного влияния на погодные условия, а вот его последствия (вулканическая деятельность, например), безусловно, могут их изменять.
Например, в 1883 году после сильнейшего извержения вулкана Кракатау, всю планету окутала пелена вулканической пыли. Это способствовало снижению количества солнечной радиации, которая достигала земной поверхности.
В 1982 году в Мексике, в результате извержения вулкана Эль-Чичон, огромное облако пыли было выброшено в стратосферу. Масса этого облака предположительно 16 млн. тонн.
На поверхность Земли пробивалось меньше солнечного тепла, но насколько это количество тепла стало меньше, мнение ученых разошлись.
Но представляется очевидным, что при наступлении периода интенсивной вулканической деятельности, остывает поверхность планеты, это происходит из-за скопления облаков тепла.
В период с 1750 по 1900 гг. наблюдалась высокая вулканическая активность, что могло стать причиной «малого ледникового периода».
Другие теории касаются солнечной активности. Его энергия обеспечивает перемещение воздушных масс планеты и активно воздействует на климат.
Некоторые ученые считают, что основные изменения глобального климата могут быть вызваны колебаниями солнечной постоянной (количества солнечной радиации, которая попадает в атмосферу).
Наклон земной оси.
В основе этой теории лежит изменение угла наклона Земной оси к плоскости орбиты вращения вокруг Солнца. Известно, что к плоскости орбиты земная ось наклонена под углом 23,5°. Но также известно и то, что этот угол вследствие прецессии – медленного движения оси вращения Земли (подробнее о Земном вращении ) по круговому конусу, меняется.
Чем больше угол наклона, тем более резкие различия между зимним и летним сезонами. Исходя из недавних расчетов ученных, изменение наклона земной оси в сочетании с изменениями околосолнечной орбиты Земли, могли существенно отразится на климате.
Вмешательство человека в природу считают одним из главных факторов изменения климата.
Парниковые газы.
Постоянное увеличение содержания в атмосфере углекислого газа является еще одним фактором изменения климата. Углекислый газ называют «парниковым». Он действует как тепличные стекла – т. е. пропускает тепло Солнца через атмосферу, и препятствует отдаче излишков в открытый космос.
Тепловой баланс на Земле всегда помогал поддерживать .
Но при увеличении количества парниковых газов, атмосферой задерживается все больше исходящего от поверхности излучения, а это неизбежно ведет к тому, что растет температура.
Концентрация углекислого газа в атмосфере до 1850 года составляла около 280 частей на миллион. Эта цифра возросла примерно до 345 к 1989 году. А к середине XXI века прогнозируется концентрация порядка 400-600 частей на миллион.
Возможные последствия.
Что произойдет, если продолжит расти количество углекислого газа? Существует такое мнение, что если содержание этого газа удвоится, это приведет к повышению средних температур на 6°С, что, в свою очередь, конечно же, будет иметь очень серьезные последствия для планеты.
Вероятно, углекислый газ – это причина примерно 2 / 3 увеличения глобального потепления климата за последние 100 лет. Но здесь свою роль играют и другие газы.
Метан, например, который образуется при перегнивании растительности. Он в 25 раз улавливает больше тепла, чем углекислый газ. Ученные полагают, что около 15% роста температур дает метан, а еще 8% приходится на долю искусственных газов – хлорированных и фторированных углеводородов (ХФУ).
ХФУ.
ХФУ – это газы, которые используют в аэрозольных баллончиках, холодильниках и растворителях для моющих средств. Также их применяют в теплоизоляционном пенопласте.
Хотя они и встречаются в небольших количествах, ХФУ оказывают значительное влияние на потепление, так как они улавливают в 25 000 раз больше тепла, чем углекислый газ.
Кроме этого, ХФУ разрушают озоновый слой, на высоте 15-35 км над поверхностью Земли. Нашу планету защищает тонкий озоновый слой. Он задерживает большую часть опасного ультрафиолетового солнечного излучения. А попадание в атмосферу ХФУ привело к истощению этого слоя.
Ученые в начале 1980-х гг. над Антарктидой обнаружили «озоновую дыру», а в конце того же десятилетия над Северным Ледовитым океаном появилась дыра меньших размеров.
Истощение озонового слоя способствует не только глобальному потеплению климата, но также усиливает вредное воздействие ультрафиолетового излучения, что грозит очень серьезными последствиями для всего живого на Земле.
Прогнозы.
Повышение температуры во всем мире на 0,5°С за последние 100 лет на первый взгляд мелочь. Но многие ученные считают, что реальная величина глобального потепления скрыта снижением температур, вызванным другими факторами, такими как вулканический пепел или пыль антропогенных пустынь.
Пока невозможны точные прогнозы изменений климата в будущем. Причина тому – недостаточный экологический и метеорологический мониторинг.
Но большинство ученых согласны с тем, что при всей важности продолжения научных исследований, уже существует множество доказательств глобального потепления, и необходимо принять срочные меры, для того чтобы избежать катастрофических последствий для планеты в целом и для всех форм жизни на Земле.
Вот такие изменения климата происходили на нашей планете за ее историю. Земля повидала несколько «ледниковых периодов», потом потеплений, что естественно, повлияло на жизнь. И теперь мы снова стоим на пороге новых изменений климата, а когда и как это произойдет, мы не знаем, нам остается только лишь ожидать...
Обсуждение глобальных изменений климата, также называемых глобальным потеплением, может быть очень сложным. К счастью, эту проблему можно объяснить довольно просто. Вот основные сведения, которые необходимо знать об изменении климата:
Более теплая земля и океаны
Климат нагревался и охлаждался много раз в течение геологической истории Земли. Однако глобальное увеличение средней температуры, которое мы наблюдали в последние десятилетия, стало относительно быстрым и довольно значительным. Это приводит к более теплым температурам воздуха в атмосфере, на суше и в воде почти на всей нашей планете.
Меньше льда и меньше снега
Повышение температуры привело к увеличению таяния большинства мировых ледников. Кроме того, ледяные покровы Гренландии и Антарктиды теряют объем, а морской лед покрывает все меньшую часть Арктики, и значительно истончается. Зимний снежный покров в большинстве районов становится слабее. Уровни моря растут, как из-за таяния льдов, так и из-за того, что более теплая вода занимает больше места.
Менее предсказуемая погода
Хотя термин «климат» относится к долгосрочной статистике по многим аспектам температуры и осадков, погода является более непосредственным явлением, и это то, что мы чувствуем в повседневности. Глобальное изменение климата трансформирует наш опыт погодных событий по-разному в зависимости от того, где мы живем. Общие изменения включают более частые и сильные дожди, регулярные зимние оттепели или постоянные засухи.
Парниковый эффект
Человеческая деятельность выделяет в атмосфере многие газы, создающие парниковый эффект. Парниковые газы сдерживают солнечную энергию, которая была отражена земной поверхностью. Затем это тепло перенаправляется в сторону земли, увеличивая температуру. Большая часть наблюдаемого потепления вызвана этими газами.
Как образовывается парниковый газ?
Самыми важными парниковыми газами являются углекислый газ и метан. Они выпускаются в атмосферу при добыче, обработке и сжигании ископаемых видов топлива (таких, как уголь, нефть и природный газ). Еще эти газы высвобождаются когда мы вырубаем , ведь деревья поглощают вредный CO2, а также при некоторых видах сельскохозяйственной деятельности.
Последствия глобального потепления
Последствия глобального потепления включают более частые прибрежные наводнения, аномальную жару, экстремальные количества осадков, отсутствие продовольственной безопасности и уязвимость в городах. Последствия глобального потепления ощущаются (и будут ощущаться) по-разному в разных частях мира. Глобальное изменение климата, как правило, больше затрагивает тех, у кого нет экономических средств для разработки способов адаптации к изменениям.
Конечно, изменение климата влияет не только на людей, но и на остальную часть . Глобальное потепление имеет мало положительных последствий. Прибыль в сельском хозяйстве, часто упоминаемая как положительная, не может компенсировать проблем вредителей (включая инвазивные виды), засух и суровых погодных явлений.
Мы можем уменьшить проблему глобального потепления путем сокращения выбросов парниковых газов. Мы также можем захватывать углекислый газ, самый распространенный парниковый газ, из атмосферы и безопасно хранить его на земле. Кроме того, следует инвестировать в инфраструктуру, транспорт и сельское хозяйство, чтобы адаптироваться к неизбежным изменениям, вызванными глобальным потеплением.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Изменения климата Земли в исторической перспективе
Со времени формирования Земли из протопланетного облака происходили сильные изменения в температурном режиме ее поверхности. После того, как почти прекратились бомбардировки Земли кусками протопланетного вещества, распалась большая часть радиоактивных изотопов элементов, уменьшилась диссипация энергии приливов (благодаря отодвиганию Луны), и произошла значительная гравитационная дифференциация земного вещества, эти источники тепла стали слишком слабы, и основными факторами, влияющими на температуру всей поверхности Земли в целом, остались только поток солнечной энергии, поступающей к Земле, а также условия прохождения его и переизлученного потока через атмосферу. Т.е. основными факторами остались только солнечная светимость, пропускание земной атмосферой солнечного излучения, а также парниковый эффект.
Если посмотреть, как менялись солнечная светимость и парниковый эффект за всю историю Земли, то окажется, что солнечная светимость и парниковый эффект изменялись разнонаправлено - солнечная светимость постепенно росла, а парниковый эффект в целом уменьшался (хотя у него наблюдались и колебания на более коротких промежутках времени). Эти разнонаправленные процессы, после того, как основная роль в формировании термического режима поверхности Земли перешла именно к ним, позволили удерживать температуры на поверхности Земли в относительно узком коридоре, в котором возможна биологическая жизнь.
В начальный момент существования Земли, около 4,5 млрд. лет назад, солнечная светимость составляла примерно 1/3 часть от нынешней величины - это связано с тем, что хоть звезда типа Солнца в стабильной фазе своего существования почти не меняется, некоторые медленные изменения все же происходят - водород в ядре постепенно выгорает, и это приводит к очень медленному, но все таки заметному постепенному росту светимости. Парниковый же эффект на начальных этапах существования Земли был очень мощным - значительный нагрев Земли в это время за счет выпадения протопланетных обломков, высокой радиоактивности, и прочих указанных в начале главы причин, вызывал мощную дегазацию земных недр, поток углекислого и других парниковых газов в атмосферу был высок, а эффективных путей вывода их из атмосферы еще не было. .
Изменение средней глобальной температуры поверхности Земли, содержания углекислого газа и кислорода в атмосфере Земли, с архея по настоящее время, в самом грубом приближении.
Если в катархее большая часть земной поверхности была расплавлена (особенно значимую роль тут вероятно играла кинетическая энергия соударения с выпадающими на поверхность кусками протопланетного вещества), то в первой половине архея температуры на поверхности уже опустились до уровня примерно 150 градусов Цельсия и даже ниже, что в условиях мощной атмосферы с высоким давлением, позволило начать конденсироваться водяным парам. Наличие жидкой воды включило механизмы геохимического, неорганического механизма вывода углекислого газа из атмосферы. В это время температура опустилась примерно до 70-90°С, и сохранялась на таком уровне почти до конца архея.
К концу архея, примерно около 2,5 млрд. лет назад значительно уменьшилась тектоническая активность, что уменьшило дегазацию недр. Ускорился и вывод углекислого газа из атмосферы. В результате всего за сотню-полторы миллионов лет основные запасы углекислого газа были выведены из атмосферы, наступило первое в истории земли мощное оледенение, известное как гуронское. Оно продолжалось более сотни миллионов лет, и средняя температуры на поверхности Земли на уровне моря в это время составляла менее 10°С. В дальнейшем все же произошло некоторое накопление углекислого газа в атмосфере, и температуры повысились, хотя так и не достигли архейских значений. Средние температуры большей части протерозоя составляли около 35-40°С, как показывают исследования. Однако к концу протерозоя на процессы вывода углекислого газа из атмосферы начал влиять новый мощный фактор.
В период примерно 900-600 млн. лет назад, на Земле вновь прошла череда сильнейших оледенений. Похоже они были вызваны широким распространением к тому времени живых организмов, способных к фотосинтезу, причем в условиях, очень хороших для захоронения органики (отсутствие кислорода на океанических глубинах) и вывода углекислого газа из атмосферы на длительный срок. Периодическое чередование таких оледенений была вызвана, вероятно, изъятием очень больших объемов углекислого газа из атмосферы биотой, похолоданием и оледенением, и в конце гибелью большей части биомассы, что приводило к сильному сокращению вывода углекислого газа из атмосферы, его накоплению в атмосфере вновь, и опять к потеплению и возрождению жизни.
Но началу фанерозоя, около 600 млн. лет назад, в атмосфере накопилось уже очень много кислорода, кроме того, вода океанических глубин также насыщалась кислородом, благодаря совокупности биологических, так и геохимических факторов. В результате заработали и механизмы, эффективно возвращающие часть захороняемого углерода из органики обратно в атмосферу в виде углекислого газа. Т.е. эффектитвно заработали и процессы окисления захороняемой органики. Благодаря этому, мощные колебания содержания углекислого газа в атмосфере, и соответственно парникового эффекта, поуменьшились, и климатическая система стала стабильнее.
а) Изменение содержания углекислого газа в атмосфере (в количествах, кратных современной концентрации), средней глобальной температуры, средней температуры тропических широт, а также величины оледенения начиная от начала фанерозоя (ок. 600 млн. лет назад) и до настоящего времени (Crowley, T.J. and Berner, R.A., 2001, CO2 and climate change, Science 292: 870-872); б) сглаженные данные изменения температуры от докембрийских эпох до наших дней, с указанием конкретного температурного корридора.
Итак, начиная с фанерозоя, изменения средней глобальной температуры в целом стали относительно небольшими, до 10-15 градусов. В основном, это была более теплая эпоха, по сравнению с современностью, хотя за это время и произошли три оледенения, не достигшие однако, масштаба оледенений протерозоя. Это оледенения на границе верхнего ордовика-нижнего силура (460-420 млн. лет назад), слабое оледенение верхнего девона (370-355 млн. лет назад), и наиболее мощное среди них, пермо-карбоновое (350-230 млн. лет назад), начавшеес в каменноугольном периоде. Связывают их с усилением вывода из атмосферы углекислого газа, с возраставшим в эти периоды потоком захоронения углерода (что отражено даже в названии каменноугольного периода). Кроме того, возможно на колебания климата с приблизительными периодами в 150-250 млн. лет (а именно столько проходит между великими длительными оледенениями) влияет накопление захороненого углерода в предыдущие эпохи. Благодаря движению океанической коры и явлению постоянного подныривания и задвига одних плит под другие (субдукция), происходит модуляция выброса вулканами углекислого газа и метана в атмосферу, запасами углерода накопленного на океаническом дне в предыдущие эпохи.
После продолжительной, почти постоянно теплой мезозойской эры, температура опять начала постепенно падать. Падало и содержание углекислого газа в атмосфере - в начале кайнозоя оно было примерно в пять раз больше, чем в современную эпоху.
Изменение средней глобальной температуры в течение кайнозойской эры, за последние 65 млн. лет.
Описывая изменения климата в относительно холодные эпохи, необходимо особо выделить одно особо важное обстоятельство. После того, как общее понижение температуры достигало такой величины, что в районе полюсов температура опускалась довольно близко к 0°С, к точке замерзания воды, на климат Земли начинали влиять очень сильно многие факторы, которые в теплые эпохи были малозаметны. Это происходит потому, что тогда даже малого влияния достаточно, чтобы в полярных районах начинали формироваться ледяные шапки, а значит, чтобы и возникала заметная обратная связь между небольшим первоначальным похолоданием, и ростом альбедо, что приводит к дальнейшему, уже большему похолоданию.
Так во второй половине эоцена благодаря тому, что ранее вплотную прижатая к Антарктиде Австралия оторвалась от последней, и начала дрейфовать в строну экватора, вокруг Антарктиды начало формироваться широтное циркумполярное течение, которое стало препятствием для притока к Антарктиде теплых вод, идущих от экватора, и это послужило толчком к началу формирования ледяного щита Антарктиды. В дальнейшем, уже в миоцене, после того, как и Южная Америка отодвинулась от Антарктиды, это широтное течение замкнулось, сформировалось окончательно, и полностью преградило доступ тепла, переносимого океаном, к Антарктиде. В результате, при том что продолжалось и снижение парникового эффекта, и сформировался столь мощный ледяной щит в Антарктиде.
Заметно было и влияние на климат горообразования, повлиявшее уже на атмосферную циркуляцию и перенос атмосферой тепла от экватора к полюсам. Это относиться прежде всего к горообразованию в Евразии, в которой на протяжении кайнозоя сформировался значительный горный пояс, от Пиренеев до Гималаев, что привело к ухудшению переноса атмосферой тепла и влаги в сторону Северного полюса.
Кроме того, сильно стали влиять на климат и циклы Миланковича - периодические изменения параметров земной орбиты, с периодами 23, 41 и 100 тыс. лет. Эти циклы определяют изменения количества солнечной энергии, получаемой различными широтными зонами Земли в отдельные сезоны. Если в теплые эпохи их влияние не превышало 1 градуса, то в холодные, после образования хотя бы небольшого ледяного покрова, их влияние на среднепланетарную температуру начинало возрастать, и в конце концов возрастало в несколько раз.
Это происходило прежде всего потому, что возникали сильные обратные связи между изменением температуры, площадью оледенения (а значит и величиной альбедо) и содержанием водяного пара в атмосфере над оледенением (который является основным парниковым газом и вымораживается над ледяным покровом, а ведь современный парниковый эффект от водяного пара превышает целых 20 градусов!).
Кстати, наличие таких обратных связей и сильное влияние ледяного покрова на местный климат приводит к тому, что изменения температуры в высоких широтах (если там есть оледенение), намного превышает изменение температуры в теплых приэкваториальных широтах (понятно, что при этом сильно растет и общая разница температур между экватором и полюсом). К примеру, при переходе между ледниковым периодом и относительным межледниковьем (типа нынешнего), средняя температура теплых областей, где отсутствовал ледяной покров, менялась всего на 1-2 градуса Цельсия, а изменения в полярных областях были около 10 градусов и выше (колебания в Северном полушарии были выше чем в Южном, в связи с тем, что происходили еще сильные изменения в океанической циркуляции - прежде всего в течении Гольфстрим). А при глобальном переходе от состояния с практически полным отсутсвием льда к состоянию ледниковой эпохи (наподобие ледниковых периодов четвертичного периода) изменения температуры в полярных областях были еще значительнее, составляя уже несколько десятков градусов.
В теплые эпохи, наподобие мезозоя, градиент температуры между экватором и полюсом составлял около 15-20 градусов. В холодные эпохи, наподобие современной, когда возникало оледенение (сначала в приполярных регионах, распространяясь в сторону низких широт со временем), температура в приполярных регионах опускалась значительно сильнее чем на экваторе, на несколько десятков градусов, в то время как на экваторе изменения составляли всего несколько градусов. Градиент температуры между экватором и полюсами увеличивался при этом до 40-60 градусов.
Как видно из рисунка ниже, за последние 5 млн. лет при постепенном снижении температуры сильно росло влияние миланковических циклов (на данном рисунке хорошо видны 100-тысячелетние и наложенные на них 41-тысячелетние циклы), благодаря чему при общем снижении температуры росла амплитуда ее колебаний.
Изменение температуры за последние 5 млн. лет по данным изотопного анализа органических карбонатов. Температурные колебания даны в эквиваленте колебаний температуры в приполярных областях (т. е. заметно более резких чем в среднем по планете)
Наиболее точно известны температуры (прежде всего высоких широт) и содержание углекислого газа и метана в атмосфере за последние несколько сотен тысяч лет. Это связано с тем, что есть возможность прямого измерения содержания указанных газов в пробах льда, взятого из ледяных щитов Антарктики и Арктики; кроме того, измерение температуры изотопным методом, благодаря доступу к древнему льду, позволяет проверять и подтверждать данные изотопного анализа, получаемые по карбонатным отложениям.
Изменение температуры и содержания некоторых парниковых газов за последние 160 тыс. лет по данным ледяных кернов.
На рисунке выше показано изменение температуры и содержания углекислого газа за последние 160 тыс. лет. При этом изменение температуры хорошо отображает миланковические циклы (даже видны 20-тысячилетние циклы). Хорошо видно и почти синхронное изменение содержания углекислого газа и температуры. Вместе с тем отмечается, что при переходе от холодной эпохи к более теплой, температура и содержание углекислого газа в атмосфере меняется синхронно, а при обратном переходе изменение концентрации углекислого газа чуть запаздывает по сравнению с изменением температуры.
Судя по всему, в относительно холодные эпохи, когда парниковый эффект сам по себе уже мал (по сравнению с теплыми эпохами, наподобие мезозоя), и существуют уже очаги оледенений, на климат за счет указанных выше обратных связей (по оледенению и водяному пару) начинают сильно влиять факторы Миланковича, и эти же факторы начинают заметно модулировать парниковый эффект и от углекислого газа и метана. Ведь существуют еще и обратные связи между содержанием углекислого газа и метана в атмосфере и температурой. За счет влияния последней на природные резервуары, в которых законсервированы выведенные из атмосферы парниковые газы, возникают к примеру, такие связи: при изменении температуры меняется растворимость углекислого газа в воде, могут разрушаться либо образовываться метангидраты, меняется скорость выброса в атмосферу углекислого газа и метана при разрушении отмершей органики.
Этим можно объяснить то запаздывание снижения уровня углекислого газа в атмосфере по сравнению со снижением температуры, которое наблюдается при похолодании - ведь переход углекислого газа из атмосферы в остывающий океан (холодные воды могут вместить больше углекислого газа) требует довольно длительного времени (в том числе это связано и с растворением карбонатных пород, для высвобождения карбонат-ионов и образования бикарбонат-ионов - а это тысячелетние характерные времена). А синхронное повышение температуры и содержания углекислого газа в атмосфере при потеплении может быть обусловлено мощным выбросом углекислого газа из растаявших при отступлении ледников болот и общей активизации процессов биологического разложения органики. Да и обратное разложение в океане бикарбонат-ионов с разделением на углекислый газ и карбонат-ионы идет уже быстро.
Изменения средней годовой температуры за последние 140 лет для всего земного шара и изменения среднегодовой температуры за последние 1000 лет для Северного полушария. Изменения даны в отклонениях от средней глобальной температуры периода 1960-1990 гг.
Вместе с тем, нельзя и недооценивать влияние парникового эффекта холодные эпохи - он значительно усиливает колебания температуры. К примеру, оценка влияния парниковых газов за последний климатический цикл на изменение температуры в Антарктиде составляет около 50%, т. е. примерно 3 градуса из 6 (амплитуды ледниково-межледникового изменения) - это изменения температуры благодаря изменению парникового эффекта.
В последнее время температура на поверхности планеты начала быстро и сильно расти. Причем, как видно из представленных выше графиков, рост температуры хорошо совпадает с выбросами углекислого газа от человеческой деятельности. Вместе с тем, надо обратить внимание на небольшое потепление в 30-40 годах, заметное на графике. Это потепление связывают не столько с повышением содержания углекислого газа в атмосфере (его в то время было еще маловато), сколько с увеличением прозрачности атмосферы для солнечного излучения, уменьшением альбедо в это время. Дело в том, что примерно с 20х годов ХХ века на несколько десятилетий установилась низкая вулканическая активность, что привело к уменьшению поступления аэрозолей, отражающих солнечный свет, в атмосферу. Однако вскоре вулканическая активность восстановила свой уровень, количество аэрозолей в атмосфере возросло, и дальнейшее потепление было обусловлено только парниковыми газами.
Скорость климатических изменений и уникальность настоящего момента
Как видно из представленных материалов, изменения глобальной средней температуры на Земле были обычно довольно медленными, для колебаний около 1 градуса и более. Даже наиболее резкие изменения в циклах Миланковича, шли со скоростью примерно 1-1,5°С за 10 тыс. лет, и то в относительно высоких широтах, с ледяным покровом (изменение в среднем по планете в несколько раз меньше, ведь в низких, приэкваториальных широтах, температура меняется очень слабо). В настоящее же время изменения средней глобальной температуры примерно на 1°С, произошли за время около 100 лет, а прогнозируемые в моделях МГЭИК (IPCC) изменения составляют еще 2-6 градусов за последующие 100 лет.
Вместе с тем, резкие изменения климата в истории Земли все же бывали. Правда они были преимущественно довольно локальными, не распространяясь полностью на всю планету. По настоящему глобальное резкое изменение климата в истории Земли известно только одно - это эоценовый термический максимум. Однако вначале разберемся с локальными изменениями.
При исследовании ледяных кернов Гренландии за последние несколько десятков тысяч лет были обнаружены резкие колебания температуры - менее чем за столетие из очень холодного состояния, местный климат в Гренландии теплел более чем на 10 градусов, температура поднималась до почти современных (правда тоже довольно низких) значений.
Изменения температуры за последние 40 тыс. лет в приполярных регионах Северного и Южного полушария по данным изотопного анализа ледяных кернов. Хорошо заметны резкие колебания в Северном полушарии и практическое отсутствие их в Южном.
Резкие изменения температуры в эпоху «юного дриаса» и несколько более ранних эпох, заметны не только в Гренландии, но и в Европе, да и во многих других районах Северного полушария. Однако в южном полушарии эти изменения почти не заметны, а в Антарктиде и вовсе отсутствуют (в эпоху «юного дриаса» в Антарктиде правда тоже было небольшое изменение, начавшееся, однако на 1000 лет раньше и бывшее заметно слабее). Подобные резкие изменения температуры в районе Северной Атлантики связывают с резкими изменениями течения Гольфстрим, которое несет теплые поверхностные воды из приэкваториальных районов к приполярным. Подобные резкие, но относительно локальные изменения могут произойти и в самом ближайшем будущем, под действием даже значительно менее заметных глобальных изменений климата.
Как уже указано выше, в истории Земли на сегодняшний день известно и одно довольно резкое глобальное изменение климата. Это эоценовый термический максимум 55 млн. лет назад (см. резкий пик на одном из рисунков выше, там где представлен график изменения средней глобальной температуры за последнее 67 млн. лет). Это событие началось с резкого и быстрого повышения температуры, за несколько тысяч лет потепление на поверхности океанов составило 8°С, глубинные воды потеплели на 6°С. И потом около 200 тыс. лет потребовалось для восстановления прежнего состояния.
Эоценовый термический максимум 55 млн. лет назад характеризовался быстрым и значительным подъемом температуры поверхности Мирового океана и глубинных вод. При этом отмечалось и резкое повышение содержания метана в атмосфере.
Это резкое изменение связывают с большим выбросом метана в атмосферу, из подвергнувшихся внезапному разложению запасов метангидратов, предположительно благодаря начавшейся тектонической активности в районе одного из больших скоплений метангидратов, либо благодаря изменению океанических течений. Как раз к тому времени на океаническом дне уже около десятка млн. лет, как существовали относительно благоприятные условия для накопления метангидратов - ведь температура, и особенно глубинных вод, по окончании мезозойской эры заметно понизилась. Это и позволило накопиться заметно количеству метангидратов. Под воздействием внешней силы они начали интенсивно разрушаться, а далее, благодаря сильному влиянию выбросов метана на парниковый эффект, уже сами выбросы и потепление от них, способствовали дальнейшему разрушению метангидратов, пока их запасы не исчерпались, и поступление метана в атмосферу из этого источника не прекратилось.
Подобная ситуация резкого, и даже более резкого чем тогда, глобального потепления может повториться и в близком будущем - ведь прогнозируемое потепление в несколько градусов, от обычных антропогенных выбросов парниковых газов, уже вполне может повлиять на условия залегания метангидратов, вполне может нарушить их стабильность. А накоплено сейчас метангидратов в примерно десять раз больше, чем было накоплено ко времени эоценового термического максимума.
