Землепользование и изменение климата в США

    Оглавление:

    Оглавление___________________________________________________________1 

    Введение_____________________________________________________________2 

    Влияние урбанизации__________________________________________________6 

    Добыча  полезных ископаемых карьерным способом_______________________ 22 

    Сведение  лесов______________________________________________________ 27 

    Осушение  болот_____________________________________________________ 30 

    Орошение земель____________________________________________________ 33 

    Заключение_________________________________________________________35 

    Список  использованной литературы____________________________________39 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение.

    Люди  долго находились в составе наземной биоты, будучи почти наверху трофической пирамиды. Человек-собиратель зависел от прихотей среды обитания и был вынужден «ждать милостей от природы». Век отдельной личности краток, а амбиции непомерны. Поэтому, став покорителем природы, человек брал от нее сколько мог и продолжает делать это в огромных масштабах.

    В эру техногенеза и демографического взрыва развитые страны благодаря научному прогрессу достигли, так называемой, постиндустриальной стадии. Однако, очень  похоже, что не всегда достижения науки  и необходимые для их реализации важнейшие политические решения «идут в ногу».

      В богатых странах обществу  чрезвычайно трудно от господства  перейти к сбалансированному  сосуществованию с природной  средой в силу сложившихся  традиций избыточного потребления,  а в бедных –  в первую  очередь из-за отсутствия денег не только на природоохранные цели, но и на выживание. А непонимание и невнимание к экологическим проблемам в такой ситуации ординарное явление.

          Природа продолжает удивлять людей своими возможностями  терпеть насилие над ней, хотя во многих случаях жестоко мстит людям за бездумную эксплуатацию. Между тем, информация об эволюционно-катаклизменном прошлом биосферы и даже о современных разрушительных откликах глобальной экосистемы на вторжение Человека-Покорителя – все это для сильных мира сего проблемы второго плана.  Тем не менее, движение в сторону  баланса между природой и обществом осуществляется, хотя и с меньшей эффективностью, чем это необходимо.  

         Еще недавно ученые относились к влиянию изменения землепользования на климат, как к влиянию капли воды на циркуляцию водных масс в океане, считая, что главная причина потепления климата - это все увеличивающиеся выбросы парниковых газов. Но данные об отклике приземных температур на изменение использования земель, заставляют задуматься в другом направлении. Следует отметить, что в трактовке парниковой парадигмы преуменьшена роль солнечно-земных связей; создается впечатление, что не зависимо от того, насколько будет изменена поверхность Земли, соотношение явного и скрытого тепла не изменится. Но ведь при вовлечении земель в хозяйственное использование изменяются составляющие радиационного и теплового баланса, в частности,  понижается альбедо, а также  нарушается естественный гидрологический цикл, что естественно уменьшает поток скрытого тепла и повышает поток явного тепла в атмосферу. Несмотря на примерно одинаковые концентрации парниковых газов, в средних и нижних слоях атмосферы, в средних ее слоях наблюдается похолодание, тогда как температура в нижних ее слоях растет. В тропической тропосфере от 9 до15 км и в стратосфере до высоты 23 км для периода 1958-1992 гг. фиксируется похолодание. Небольшое потепление, фиксируется для интервала высот 1,3-9 км (Горшков,2007). Итак, верхняя тропосфера и нижняя стратосфера остаются без признаков глобального потепления  и характеризуются небольшим похолоданием. Между тем, они доступны для парниковых газов, в той же мере, как и подстилающая часть воздушной оболочки Земли. Суммарный эффект – почти нулевой глобальный тренд в нижней тропосфере, контрастирующий с существенным глобальным потеплением у поверхности Земли. Контраст между явным тропосферным похолоданием в тропиках и заметным приземным потеплением поразителен. (Горшков,2007)

    Все это говорит в пользу того, что  именно изменение земельного покрова  суши оказывает влияние на температурные тренды в нижней тропосфере.

    За  период с  середины 18 века поверхность  суши изменилась до неузнаваемости. Влияние  на природные ландшафты оказывают  сведение лесов, осушение болот, интенсивный  выпас скота, земледелие, урбанизация. С 18 века сохраняется тенденция к росту освоенных человеком территорий.

    До  недавнего времени ученые пытались скорректировать воздействие землепользования на климат, приводя измерения температуры, взятые на метеостанциях в городах  и сельской местности, к единому значению. А скачки температуры приписывались, лишь урбанизации, игнорирую другие изменения в земельном покрове. Станции классифицировались по спутниковым измерениям ночных огней на городские и загородные. Среднее воздействие урбанизации на климат в США оценивалось как 0.006 ⁰C в декаду для городских станций и 0.015 ⁰C в декаду для загородных. Эти оценки не включают в себя изменения температуры, связанные с с/х освоением территории, осушением болот, ирригацией, индустриализацией, которые до неузнаваемости меняют земной покров. (Kalnay, Cai, Li, Tobin,2006)

    В начале 21 века в США был запущен  проект по оценке изменения в землепользовании и земельного покрова в стране (The Land Cover Trends project). Анализ изменений включает в себя дешифрирование аэрокосмических снимков земной поверхности, сделанных за последние 30 лет, и карт, составленных по этим снимкам за тот же период времени. По данным, собранным учеными в ходе исследования, были выделены 11 типов подстилающей поверхности. Затем по типу подстилающей поверхности были выделены 84 экорегиона. В 23 из этих 84 экорегионов были проведены исследования по выявлению связей между колебаниями температур и изменением земного покрова. 

    Рис 1. Карта  84 экорегионов США; в 23 проведены  исследования (закрашенные). Крестики – 366 метеостанций, расположенных не далее 10 км от местностей с сильно измененным земельным покровом; Закрашенные круги – 183 метеостанции, данные которых, были обработаны на компьютере. (Hale, Gallo, Owen, Loveland, 2006) 

    Наибольшую  ценность представляют данные метеостанций, расположенных на территориях с интенсивно измененным земельным покровом. Тренды температур, наблюдаемые до периода интенсивного изменения земного покрова в разных регионах США примерно поровну делятся на положительные и отрицательные. Тем временем температурные тренды (тренды минимальных, максимальных и средних температур) после периода интенсивного изменения земного покрова в подавляющем большинстве - 95% -  положительные. 

      Рис 2. Данные тридцатилетних наблюдений за многолетними минимальными температурами января на метеостанции близь г. Мемфиса (Теннеси). Жирная линия отображает изменения в температурных трендах до и после интенсивного изменения земельного покрова. (Hale, Gallo, Owen, Loveland, 2006) 

    На  основе данных Рис.2. выяснено, что до интенсивного изменения земного покрова изменения температуры для разных регионов страны колебались от - 0.26 до  + 0.56 ⁰ С в декаду, а после него показания термометров стали увеличиваться от 1.24 до 1.47 ⁰ в декаду. (Hale, Gallo, Owen, Loveland, 2006)

    В данной работе будут рассмотрены  основные виды землепользования:  сведение лесов, урбанизация, влияние мелиоративных  работ и промышленная разработка полезных ископаемых карьерным способом. А затем оценено примерное  воздействие каждого вида на климатические показатели в США. 
 
 
 
 

Влияние урбанизации

    Территория  США занимает приблизительно 930 миллионов  гектар, из них 150 миллионов занимает Аляска, земельные ресурсы которой  в силу суровых климатических  условий использованы сравнительно мало, а территория 48 смежных штатов материка - 760 млн.га. Несмотря на то, что США - это типичная страна городских агломераций (всего 300 агломераций; 10 городов - «миллионеров» и 50 агломераций - «миллионеров»), 

    Рис.3 Агломерации-«Миллионеры»  США. (Максаковский, 2005)

    Рис.4 Мегалополисы США. (Максаковский, 2005)               

      всего лишь 24,6 миллионов гектаров  находится под городами, что составляет  примерно 3% от всей территории  страны, но на такой площади  сосредоточено 75 % населения США. Добавляя к этому еще 29,2 миллиона гектар площади под участками сельских жителей (из которых 17,6 млн. га под участками более площадью 4 и более гектар) получаем, что 55,6 млн. га или 6.1 % территории страны занято городами и сельскими населенными пунктами. Рост населения вызывает и рост земель, предназначенных для застройти, с каждым годом увеличивается площадь городских земли на душу населения, по оценке ученых в 2000 году она должна составлять примерно 0,08 га на человека (Горшков, 2007).

    Города  США отличаются широким развитием  индивидуального транспорта, а так  же стихийным разрастанием пригородной  зоны. Это связано с тем, что  среднестатистический американец предпочитает жить в собственном доме, но, как  правило, не может позволить купить его в черте города из-за высоких цен на землю. Огромные агломерации формируют мегалополисы, которых в стране на данный момент 3 - Северо-Восточный (Бостон -Вашингтон - «Босваш»), Приозерный ( Чикаго- Питсбург - «Чипитс») и Калифорнийский ( Сан-Франциско – Сан-Диего - «Сансан»). Их расположение на территории США показано на Рис.4.

    Сельское  население живет, как правило, на отдельных фермах. Но, ввиду того, что условия быта сельских жителей  не сильно отличаются от городских, городской  образ жизни безраздельно господствует в стране. Территории, вокруг городов и других населенных пунктов характеризуются весьма хаотичным использованием земель и быстрым изменением структуры земельного фонда.

    Хочется еще раз отметит, что среднее  воздействие урбанизации на температурные тренды в США  составляет примерно 0,006⁰ С в декаду для городских станций и 0,015⁰ в декаду для пригородных станций. Различия в метеорологических показателях между станциями в городах и сельской местности за период 1997-2002 г. приведены в таблице: 

    Таблица 1.

    Различия  между климатическими показателями  городов и  сельской местности.

    (Cai, Kalnay, 2003) 
 

    Далее более подробно рассмотрим изменения  в климате, наблюдаемые в городах, а именно: состав воздуха, радиационный и тепловой баланс, скорость ветра, поле влажности, количество осадков. 
 

    Состав  воздуха в городах 

    Учеными неоднократно отмечалось, что основное отличие воздуха города от воздуха  сельской местности – присутствие  в нем загрязняющих веществ в  крайне высоких концентрациях. Деревенский  воздух также не является чистой газовой смесью азота, кислорода, углекислого газа, аргона, радона, криптона, ксенона, неона, в нем можно обнаружить следы озона, а также твердых частиц в основном сдуваемых ветром с верхнего слоя почвы. В нем присутствуют продукты распада органического вещества (сероводород и аммиак). Однако, в атмосфере города в добавлении к вышеперечисленным можно найти примеси, обязанные своим происхождением деятельности человека. Это двуокись серы, окись азота, двуокись азота, угарный газ (окись углерода), ряд органических соединений, а также продукты фотохимических реакций с участием кислорода. Кроме того, в городском воздухе содержится множество частиц, называемых аэрозолями. (Dai, Trenberth, Karl,1999). К аэрозолям относятся: алюминий, мышьяк, углерод, железо, хром, марганец, никель, свинец, титан, ванадий, цинк, медь. Основные источники выброса данных частиц – автотранспорт, ТЭС, сжигание мусора, промышленные предприятия, обогрев помещений. Помимо химических реакций, существуют и другие источники образования атмосферных аэрозолей. Это – сажа, летучие частицы пепла и множество других газообразных продуктов промышленных процессов. (Ландсберг,1983). Учитывая направление преобладающих ветров и географическое положение города, можно определить районы с высоким потенциалом загрязнения. Для США это западные и юго-западные районы. Плохое рассеяние частиц наблюдается также в городах, расположенных в долинах, естественных котловинах и впадинах.

    Большое количество аэрозолей в воздухе  над городами в США, по мнению ученых, влияет на  атмосферную циркуляцию и радиационный баланс в городах. Антропогенные аэрозоли могут быть связаны с изменениями в циркуляции облаков и выпадением осадков из них, что в свою очередь связано с изменением температуры. Повышенная облачность днем снижает температуру воздуха, рассеивая солнечную радиацию, а ночью препятствует интенсивному охлаждению суши, задерживая излучение идущее от земной поверхности; выпадение осадков из облаков в любое время суток снижает температуру воздуха.  Так на севере Аляски, на мысе Барроу отмечено длинноволновое дообогревание приземного воздуха на 1 - 1,6⁰ С  при наличии облачности, возникновение которой стимулировано аэрозолями, принесенными из отдаленных среднеширотных районов (Горшков,2007). 
 

      Составляющие радиационного  и теплового балансов 

    На  территорию, занятую городом, падает меньше солнечного света, чем на окружающую ее местность. В промышленных городах  потери в продолжительности солнечного сияния могут достигать 20%. Если же говорить не о продолжительности солнечного сияния, а о количестве солнечной энергии, достигающей земной поверхности, то при прохождении слоя загрязненного городского воздуха ее потери также составляют приблизительно 20%. При прохождении загрязненной городской атмосферы наибольшие потери солнечной энергии отмечаются при максимальной относительной толщине загрязненного слоя воздуха, через который проходят солнечные лучи, то есть при малых высотах солнца над горизонтом. Наоборот, потери энергии минимальны, если солнце стоит высоко.

    В холодный сезон приход солнечной энергии в крупном промышленном городе намного меньше, чем в небольшом провинциальном городке. Различия практически исчезают летом, но в декабре достигают 25 % от радиации, теоретически ожидаемой в чистой атмосфере. Данные, полученные для Бостона, говорят о том, что средние годовые потери солнечной радиации составляют 18 %.

    Потери  солнечной радиации по спектру распределяются неравномерно. Наибольшие потери отмечаются для коротковолнового УФ-излучения. Зимой в некоторых больших  городах излучение с длиной волн менее 0,4 мкм поглощается полностью. Чувствительность УФ-излучения к загрязнению особенно отчетливо проявляется при прохождении над пригородной зоной, загрязненной шлейфами выбросов промышленных предприятий города. Например, когда такой шлейф тянется из Лос-Анжелеса к западу в городке Риверсайд, расположенному неподалеку, УФ-излучение в середине дня уменьшается на 25% (Ландсберг,1983).

    Американские  ученые Дабердт и Дэвис исследовали  загрязнение воздуха в Сент-Луисе  и его окрестностях. В приведенных ими данных определяются значения альбедо для различных местностей. Они получены в ходе летнего самолетного эксперимента при полете на высоте 160 м. 

    Таблица 2

    Альбедо различных поверхностей в Сент-Луисе  и окрестностях.

    По  Дабердту и Дэвису (Ландсберг,1983) 
 

    Из  таблицы видно, что значения альбедо  местностей, занятых под сельскохозяйственные угодья, примерно на 4 % больше, чем соответствующее  значение для давно застроенных территорий. Хотя на первый взгляд, это различие не велико, оно играет большую роль, особенно если речь идет о больших значениях энергии, приносимой на поверхность коротковолновым солнечным излучением. Данные для летнего периода, приведенные в таблице 2, подтвердились в ходе выполнения проекта METROMEX, который охватывал и регион Сент-Луиса. Уайт и несколько других ученых (Ландсберг,1983) опубликовали следующие результаты наблюдений: для пашни альбедо равняется 16,5%, а для плотно застроенной жилой части города соответствующее значение составляет 11,5%. В измерениях, проведенных для различных строительных материалов, покрытий дорог и автостоянок, получились также небольшие значения (5%). С другой стороны, парки с полностью развитым листовым покровом отражают до 20 – 25% приходящей коротковолновой радиации, а поглощенная ими радиация возвращается в атмосферу в виде скрытого тепла за счет интенсивного фотосинтеза у зеленых растений.

    Отраженная  коротковолновая радиация в городах  мала и велика в сельской местности, что связано с большим альбедо активно растущей растительности. Уходящая длинноволновая радиация в городе больше, чем  в сельской местности, однако более всего урбанизация сказывается на такой составляющей радиационного баланса, как кондуктивный поток тепла в почву. Он невелик в покрытой растительностью сельской местности, где составляет около 19% приходящего суммарного потока коротковолновой радиации, но вырастает до 50% этого потока в городе. Это отражается в более высоких значениях температуры поверхности в городе.

    В 1962 году Лоренц (Ландсберг,1983) отметил, что днем при солнечном свете  температура поверхности, занятой  лесом, сельскохозяйственными угодьями и водоемами сравнительно невелика; даже на малозастроенной территории она выше. Замощенные территории, например, дороги, всегда теплее, чем окружающие их поверхности. В середине дня асфальтированная улица теплее приповерхностного слоя воздуха на 17,9⁰С, крыша ангара на 17,4⁰, площадка для стоянки автомобилей на 14,1⁰.  Кесслер (Ландсберг,1983) проводя измерения получил следующие результаты: асфальтированная улица теплее окружающего ее воздуха максимум на 23,5⁰С и минимум на 2,6⁰, соответствующие значения для травянистого покрова – максимум на 9,4⁰, минимум на 2,9⁰.

    Следует отметить, что в ясную погоду температура поверхности практически всегда – как днем, так и ночью, отличается от температуры воздуха, измеренной на стандартной высоте в 2 метра. В условиях облачной, ветреной погоды оба значения температуры могу совпадать. В летний безоблачный день различия проявляются лишь ранним утром, когда подстилающая поверхность еще не успела прогреться. В таблице 2 представлены результаты серии измерений, приведенных в метеорологическом обзоре, посвященном строительству города Колумбия (Мэриленд). Эти данные получены в ходе измерений с вертолета на высоте 50-100 м над поверхностью.  
 
 
 
 
 
 
 
 

    Таблица 3

    Результаты  измерений температуры воздуха  над различными поверхностями в  районе города Колумбия (Мэриленд). Солнечное  утро. (Ландсберг,1983) 

    В некоторых городах были отмечены отдельные точки с дополнительным превышением температуры на 2-3⁰С, что, по-видимому, можно приписать наличию тепловых электростанций и промышленных предприятий. Что касается излучаемой мощности, Макголдрик (Ландсберг,1983), указал, что средний суточный выброс  только искусственно произведенного тепла в пригородной области составляет от 0 до 5 Вт/кв.м. В то время как в центре города имеются площадки в несколько квадратных километров, где соответствующее значение в среднем равняется 100 Вт/м². Максимум же приходится на территорию в центре города с площадью примерно 1км², где средний суточный выброс тепла достигает 234 Вт².

    Интересная, осложненная картина в распределении  температуры наблюдается на улицах типа каньонов во внутренней части  города. На узких улицах существует радиационное взаимодействие между фасадами противостоящих зданий, а так же между зданиями и поверхностью улицы. Расположенные друг напротив друга здания служат помехой проникновению солнечной радиации на дно уличного каньона и уменьшают его освещенность. 

    Рис.5. Ход температуры внутри и неподалеку от комплекса зданий в послеполуденные и вечерние часы. (Ландсберг,1983) 

    В целом температурные контрасты  наиболее четко проявляются в  ясную спокойную погоду и  практически  исчезают в условиях облачности и  сильного ветра. Следовательно, температурное своеобразие климата города наиболее отчетливо при устойчивых антициклональных типах погоды. Именно при таких синоптических условиях различия в температуре между городской и сельской местностью оказываются значительными. Поле температуры в городе ограничивается замкнутыми изолиниями, которые создают на карте структуру, получившую в литературе название городского острова тепла. (Впервые данный термин в англоязычной литературе появился в работе Гордона Мэнли , помещенной в Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, но вполне возможно, что где-нибудь он употреблялся ранее) (Ландсберг,1983) 
 

      Городской остров  тепла 

    Остров  тепла является отражением суммы  микроклиматических изменений, связанных  с антропогенным преобразованием городской поверхности. Даже изолированный комплекс зданий создает микроклимат, отличный от того, который был бы на этой местности в ее естественном состоянии. Заасфальтированные поверхности и стены зданий в светлое время суток некоторое количество тепла, а ночью отдают его окружающему воздуху. Естественные процессы еще больше искажаются в условиях города из-за малого испарения. Солнечная энергия, расходующаяся в сельской местности утром на испарение росы, транспирацию и др., в городе непосредственно поглощается зданиями. Транспирация в городе также резко уменьшена, так как растительный покров незначителен. Положительные температурные аномалии в городах также связаны с изменениями в естественных гидрологических циклах рек и водохранилищ, осушением заболоченных территорий, расположенных в черте городов и других населенных пунктов. Свою лепту вносит и постилающая поверхность, а именно, сильный прогрев асфальта и обнаженного грунта, что связано с их малым альбедо, по сравнению с растительным покровом. Осадки, выпадающие на крыши, тротуары, дороги зачастую уходят в искусственные дренажные системы. Это снижает норму природного испарения и увеличивает восходящий поток явного тепла в структуре радиационного баланса земли под техногенной инфраструктурой.

          Линейные размеры, а также интенсивность городских островов тепла весьма сильно зависят от особенностей рельефа. В условиях сложного рельефа на развитие острова тепла влияют различные локальные циркуляции. Помимо этого, заметное влияние оказывают крупные реки, протекающие по территории городов. Например, река Потомак  в Вашингтоне является причиной расщепления острова тепла на две части, эпицентр одной из которых в деловом секторе округа Колумбия, а эпицентр другой части – по другую сторону реки (территория штата Виргиния) в городах Арлингтон и Алегзандрия. Дополнительное влияние на структуру острова тепла оказывают широкие зеленые пояса, окаймляющие берега этой реки (Ландсберг, 1983). На аналогичное явление указывал Эмондс (Ландсберг, 1983), изучавший температурные условия в городах Бонн и Бейель, находящихся на противоположных берегах Рейна. 
 

      Скорость ветра 

    Из  множества наблюдений на городских  метостанциях можно сделать вывод  о том, что скорость ветра в  городах ниже чем в сельской местности. Это можно объяснить наличием множества препятствий (высокие здания, эстакады, мосты) на пути воздушного потока.  
 
 

    Рис.6. Фронт морского бриза над территорией  Нью-Йорка. Наблюдается замедление фронта над застроенной территорией. (Ландсберг,1983) 

    Соответственно  теории, которую выдвинул Энджелл и др.(Ландсберг,1983) город можно рассматривать как единое пассивное препятствие на пути воздушного потока, замедляющее его скорость. Согласно выводам Луза и Борнштейна (Lim, Cai, Zhou, 2005), все фронты, скорость которых над сельской местностью лежит в интервале от 4 до 14 м/с, независимо от направления движения замедляются над городом примерно в два раза.

    Рис.7. Вертикальный профиль скорости ветра  в процентах к скорости геострофического ветра по Давенпорту (Ландсберг, 1983) 

    Поле влажности в городе 

    Поле  влажности в городе изменяется под  действием нескольких факторов. Одним  из них является радикальное изменение  свойств подстилающей поверхности. Подстилающая поверхность в городах  как правило водонепроницаемая  – крыши, мостовые способствуют скорейшему удалению осадков и сбросу их в канализацию. В центральной части городов мало растительности ( в некоторых городах в центре растительность отсутствует и вовсе ), поэтому транспирация в городах значительно ниже, чем в сельской местности. С другой стороны, в городах сжигается много углеводородов, а вода является одним из конечных продуктов данного процесса. Кроме того, во многих промышленных процессах высвобождается водяной пар и испаряется большое количество воды. Например, теплоэлектростанции выбрасывают из труб на большие высоты пар и влагу, а на уровне поверхности земли большое количество водяного пара образуется из выхлопов автомобилей в результате сжигания углеводородов. Большинство данных говорит о том, что относительная влажность, измеренная на стандартной высоте 2 м, в городе меньше, чем в сельской местности. Это особенно ясно видно при сравнении одновременных наблюдений в аэропортах, находящихся вне городов и в их пределах. Два характерных примера таких наблюдений для районов Нью-Йорка и Чикаго показаны в таблице 5 (аэропорты в обоих городах расположены на уровне моря). Из данных таблицы следует, что низкая относительная влажность наблюдается во внутригородских аэропортах чаще, чем в расположенных вне города. Наоборот, высокая относительная влажность в аэропортах, расположенных внутри городов, отмечается реже.