Глобальное потепление. 15
Введение
Глобальное потепление — процесс постепенного увеличения среднегодовой температуры атмосферы Земли и Мирового океана.
Научное мнение, выраженное Межгосударственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) ООН, и непосредственно поддержанное национальными академиями наук стран «Большой восьмёрки», заключается в том, что средняя температура по Земле поднялась на 0,7°C по сравнению со временем начала промышленной революции (со второй половины XVIII века), и что «большая доля потепления, наблюдавшегося в последние 50 лет, вызвана деятельностью человека», в первую очередь выбросом газов, вызывающих парниковый эффект, таких как углекислый газ (CO2) и метан (CH4).
Оценки, полученные по климатическим моделям, на которые ссылается МГЭИК, говорят, что в XXI веке средняя температура поверхности Земли может повыситься на величину от 1,1 до 6,4 °C. В отдельных регионах температура может немного понизиться. Как ожидается, потепление, и подъём уровня Мирового океана будут продолжаться на протяжении тысячелетий, даже в случае стабилизации уровня парниковых газов в атмосфере. Этот эффект объясняется большой теплоёмкостью океанов.
Помимо повышения уровня Мирового океана повышение глобальной температуры также приведёт к изменениям в количестве и распределении атмосферных осадков. В результате могут участиться природные катаклизмы, такие как наводнения, засухи, ураганы и другие, понизится урожай сельскохозяйственных культур, и исчезнут многие биологические виды. Потепление должно, по всей вероятности, увеличивать частоту и масштаб таких явлений.
Некоторые
исследователи считают, что глобальное
потепление — это миф, часть учёных
отвергает возможность влияния
человека на этот процесс и, наконец,
есть те, кто не отрицает факт потепления
и допускает его антропогенный
характер, но не соглашается с тем, что
наиболее опасными из воздействий на климат
являются промышленные выбросы парниковых
газов.
Глава 1. ГЛОБАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА
Исследования показывают, что климат Земли никогда не был статичным. Он является динамичным, подверженным колебаниям во всех временных масштабах, начиная от десятилетий до тысяч-миллионов лет. К числу наиболее заметных колебаний относится цикл более порядка 100 000 лет – ледниковые периоды, когда климат Земли был в основном холоднее по сравнению с настоящим, после чего следовали более теплые межледниковые периоды. Эти циклы определялись причинами естественного характера.
С
начала промышленной революции изменение
климата происходит ускоренными
темпами в результате деятельности
человека. Причина этого изменения,
которая накладывается на естественную
изменчивость климата, приписывается
прямым или косвенным образом деятельности
человека, которая изменяет состав атмосферы.
1.1. Прошлый климат
Проведенные многочисленные исследования продемонстрировали доказательства изменения климата в прошлом. Например, на рисунках в пещерах, которые были нарисованы, согласно оценкам, несколько тысяч лет тому назад и были обнаружены в пустыне Сахара, изображены животные, которые могут выжить только в климате, характеризуемом обильными водными ресурсами. Во время раскопок в Египте были найдены кости слонов и останки других животных, которые имеются в других местах, но которых нет в настоящее время в Египте. Это является свидетельством периодов с большим количеством растительности в прошлом по сравнению с нынешними условиями пустыни. Несколько других открытий в засушливых районах свидетельствуют в
том, что однажды там была буйно растущая растительность и вода.
Другие
исследования, основанные на палеоклиматических
или косвенных данных, таких, как кольца
деревьев, керны льда, озерные отложения
и коралловые рифы, показывают, что климат
был, фактически, подвержен изменениям
в прошлом. Некоторые из этих изменений
происходили в относительно короткие
периоды времени.
1.2. Быстрые климатические переходы
В течение определенного времени известно, что с момента последнего отступления ледников из Центральной Европы наблюдалось два этапа поразительного, быстрого и естественного потепления. Первое произошло около 14 700 лет тому назад в конце последнего ледникового периода при переходе к тому, что известно под названием позднего ледникового периода. Второй период наступил почти 3 200 лет спустя (приблизительно 11 500 лет тому назад) во время перехода от последних холодных периодов нашего климата (период молодого дриаса) к нашему нынешнему теплому климату (голоцен). Темпы изменения со времени промышленной революции представляются аналогичными быстрым изменениям периодов молодого дриаса и голоцена.
Средняя глобальная температура уменьшилась за предыдущие 10 000 лет из-за активной вулканической деятельности или других естественных климатических факторов воздействия, после чего она резко повысилась, особенно с начала ХХ века.
В
течение нескольких тысяч лет
до 1850-х гг. объем атмосферных парниковых
газов оставался на относительно стабильном
уровне. В настоящее время наибольшую
озабоченность в отношении климата вызывает
тот факт, что в результате деятельности
человека в атмосферу выбрасываются беспрецедентные
объемы парниковых газов, таких, как двуокись
углерода и метан, и это является причиной
явного изменения химического состава
атмосферы. Это изменение сказывается
на глобальном климате. Если эта тенденция
будет продолжаться, прогнозируется дальнейшее
изменение климата, хотя и не такой же
величины, во всех регионах мира. Действительно,
некоторые регионы в большей степени подвержены
влиянию изменения климата по сравнению
с другими регионами. Например, континентальные
районы средних и высоких широт характеризуются
наибольшим повышением температуры за
последние 100 лет, в то время как в некоторых
других районах наблюдается ее определенное
понижение.
1.3. Причины потепления климата
Существуют
две диаметрально противоположных
точки зрения на изменение климата.
Сторонники первой – утверждают, что
в настоящее время происходит глобальное
потепление климата. Одни исследователи
считают,
Вторая точка зрения заключается в утверждении, что в настоящее время человечество находится вначале очередного ледникового периода. И проблема глобального потепления является наукообразным мифом. В частности такой точки зрения придерживается известный российский географ, профессор А.П.Капица. Он утверждает, что увеличение концентрации углекислого газа не предшествует глобальному потеплению, а идет после него.
Президент британского Королевского астрономического общества Фред Хойл и профессор Кардиффского университета Чандра Викрамасингх опубликовали в “Журнале астрофизики и космической науки” статью, в которой излагаются не совсем обычные взгляды на проблему глобального потепления. Вопреки распространённому мнению, учёные полагают, что парниковый эффект – не беда, а единственное средство, которое может спасти Землю от катастрофы. Они утверждают, что около десяти тысяч лет назад Земля столкнулась с кометой. При взрыве, последовавшем за столкновением, в воздух было поднято огромное количество воды, в результате чего возник парниковый эффект. Если бы не комета – климат вряд ли бы претерпел существенные изменения к лучшему, и развитие человеческой цивилизации оказалось бы под вопросом. Последствия столкновения с кометой ощущаются до сих пор, однако за прошедшие тысячелетия его влияние сильно уменьшилось, и климат Земли медленно возвращается в исходное состояние. Положение ухудшает космическая пыль, накапливающаяся в атмосфере. Поэтому увеличение количества парниковых газов является необходимым или человечество может оказаться в новом ледниковом периоде.
Несмотря
на эти сообщения, большинство ученых
климатологов поддерживает точку зрения,
что в настоящее время происходит глобальное
потепление климата. По сведениям представителей
Всемирной метеорологической организации
тенденция к глобальному потеплению на
планете продолжается уже 23 года. Однако
какие именно факторы – сама природа или
деятельность человека – оказывают преимущественное
влияние на изменение климата, единого
мнения на сегодняшний день нет.
Глава 2. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ПРИЧИНЫ ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА
Естественные
факторы изменения климата включают смещения
орбиты и угла наклона Земли (относительного
положения ее оси), изменения солнечной
активности, вулканические извержения
и изменения в распределении атмосферных
аэрозолей естественного происхождения.
2.1. Изменение угла оси вращения Земли и её орбиты
Югославский
астроном Миланкович предположил, что
циклические изменения климата
во многом связаны с изменением орбиты
вращения Земли вокруг Солнца, а
также изменением угла наклона оси
вращения Земли, по отношению к Солнцу.
Подобные орбитальные изменения положения
и движения планеты вызывают изменение
радиационного баланса Земли, а значит
и её климата. Миланкович, руководствуясь
своей теорией, вполне точно рассчитал
времена и протяжённость ледниковых периодов
в прошлом нашей планеты. Климатические
изменения, вызванные изменением орбиты
Земли, происходят обычно в течение десятков,
а то и сотен тысяч лет. Наблюдаемое же
в настоящий момент времени относительно
быстрое изменение климата, по-видимому,
происходит в результате действия ещё
каких-то факторов.
2.2. Солнечная активность
Тепловой поток, поступающий от Солнца на внешнюю границу атмосферы, в среднем составляет 1370 Вт/м2. Данное значение испытывает сложные квазициклические колебания в пределах долей процента, однако этого оказывается достаточно для того, чтобы существенным образом влиять на формирование климата.
Прогнозирование
солнечной активности можно построить
на основе анализа изменения этой
активности за период непосредственных
инструментальных наблюдений за Солнцем
(с начала XVII века) и косвенных данных,
относящихся к более раннему периоду.
Оказывается, что солнечная активность
подвержена колебаниям с разными амплитудами
и периодами (от 6,6 до 2500 лет). В настоящий
момент Солнце проходит через тысячелетний
пик своей активности, образованный наложением
кратко- и долгосрочных трендов и отличающийся
достаточно высокой стабильностью. Этот
пик, по мнению ученых, продлится до конца
2010 года, после чего начнется постепенное
уменьшение активности, которое приведет
к ее глубокому минимуму во второй половине
следующего столетия. Минимальная оценка
снижения солнечной постоянной по сравнению
с нынешним уровнем составляет 0,4%, что
вполне достаточно для снижения среднеглобальной
температуры на 0,5-0,6°С.
2.3. Солнечный цикл и орбита Земли
Конечным источником энергии, который приводит в действие климатическую систему, является солнечная радиация. Известно, что ее интенсивность меняется в определенных, относительно небольших пределах. Хотя данные прямых измерений интенсивности солнечного излучения имеются лишь за последние приблизительно 25 лет, косвенное свидетельство, такое, как активность солнечных пятен, давно использовалось для оценки изменений солнечной радиации. Помимо меняющихся потоков энергии Солнца Земля получает различные объемы солнечной радиации, в зависимости от ее движения по эллиптической орбите и соответствующего изменения ее расстояния до Солнца. В течение последнего приблизительно миллиона лет ледниковые и межледниковые периоды менялись в зависимости от колебаний орбиты Земли. Меньшие орбитальные колебания наблюдались в течение последних 10 000 лет – периода, когда климат был относительно стабильным. Для того, чтобы климат продолжал оставаться стабильным, солнечная энергия, достигающая поверхности Земли, должна уравновешиваться уходящей радиацией. Любое изменение приходящей солнечной радиации может вызвать глубокие изменения в погоде и климате Земли. Распределение энергии в пределах атмосферы и его воздействие на климат зависят от таких факторов, как альбедо, облака, аэрозоли и газы, так же, как и энергия, излучаемая обратно в космическое пространство от поверхности Земли. Некоторые из этих факторов являются результатом деятельности человека или испытывают воздействие этой деятельности.
2.4. Вулканические извержения
В соответствии с современными представлениями механизм влияния вулканической активности на климат состоит в следующем. Основное влияние на поток солнечной радиации и, следовательно, на тепловой режим Земли оказывает слой сернокислотного аэрозоля, формирующийся в стратосфере из выброшенных вулканами серосодержащих газов. Этот аэрозоль препятствует проникновению солнечного излучения к поверхности Земли. Остальные компоненты вулканических выбросов имеют значительно меньшее влияние на климат.
В результате выбросов после вулканических извержений в атмосферу попадают значительные объемы частиц и газов. Эти частицы переносятся тропосферными и стратосферными ветрами над обширными районами земного шара и не пропускают часть приходящей солнечной радиации. Любое изменение приходящей солнечной радиации неизбежно вызывает изменение регулярности, режима и места восходящих и нисходящих воздушных потоков, а также преобладающего климата, в том числе температуры. Однако эти изменения не являются долгосрочными.
Помимо изменений в температурном режиме вулканические выбросы уничтожают также стратосферный озон. Например, вследствие извержения в Мексике в 1982 г. вулкана Эль-Чичон в последующие три-четыре года было уничтожено порядка 10 % озона. В 1991 г. извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах вызвало уменьшение озона на 15 % в течение нескольких лет, и считается, что оно явилось причиной увеличения размера озоновой дыры над Антарктикой.
Насколько серьезным фактором может оказываться вулканическая активность, демонстрируют также факты, свидетелями которых является нынешнее поколение. Крупнейшее за XX век вулканическое извержение произошло в 1991 г. – вулкан Пинатубо отправил в стратосферу 3×107 тонн серы. Последующие годы 1992 и 1993, хотя и входят в перечень самых теплых, однако занимают в нем позиции в конце списка.
Еще
в середине прошлого века была высказана
гипотеза о связи вулканической
и солнечной активности. Анализ достаточно
обширных архивов по вулканическим
извержениям и солнечной
2.5. Виновник глобальных климатических изменений – океан
Мировой океан – огромный инерционный аккумулятор солнечной энергии. Он во многом определяет направление и скорость движения тёплых океанических, а также воздушных масс на Земле, которые в сильной степени влияют на климат планеты. В настоящий день мало изучена природа циркуляции тепла в водной толщи океана. Так известно, что средняя температура вод океана составляет 3,5°С, а поверхности суши 15°С, поэтому интенсивность теплообмена между толщей океана и приземным слоем атмосферы может приводить к значительным климатическим изменениям. Кроме того, в водах океана растворено большое количество СО2 (около 140 трлн. тонн, что в 60 раз больше, чем в атмосфере и ряда других парниковых газов, в результате определённых природных процессов эти газы могут поступать в атмосферу, существенным образом оказывая влияние на климат Земли.
Из природных явлений планетарного масштаба к числу наиболее мощных и имеющих наиболее серьезные последствия для человека следует отнести так называемое южное колебание – перераспределение масс воздуха в низких широтах Южного полушария между Индийским и Тихим океанами. В обычной ситуации, когда атмосферное давление примерно одинаково над обоими океанами, северо-восточные и юго-восточные пассатные ветры нагоняют теплую воду в западную часть Тихого океана. При этом в его восточной части в
результате сгона поверхностного слоя формируется холодный слой перемешивания. Если давление над Тихим океаном растет, то сгонно-нагонные явления в океане становятся еще более выраженными. Однако возможна и другая ситуация, повторяющаяся через нерегулярные промежутки времени – давление над Индийским океаном вырастает настолько, что пассатные ветры ослабевают и даже меняют направление на противоположное.
Теплая вода из западной части Тихого океана устремляется на восток и накапливается у берегов Южной Америки. Такие случаи значительного потепления воды в центральной и восточной частях экваториальной зоны Тихого океана получили название явлений Эль-Ниньо.
Явления Эль-Ниньо оказывают влияние не только на региональный климат и морскую экосистему западного побережья Южной Америки, но и возмущают атмосферную циркуляцию на всем земном шаре. Вызванные этими возмущениями аномалии погоды обнаруживаются во многих районах умеренных широт. Глобальные изменения состояния океана и атмосферы сопровождаются также изменениями концентрации в атмосфере углекислого газа и озона и даже небольшим замедлением вращения Земли.
Разумеется,
что средний температурный
Современная
наука не позволяет предсказывать
точные даты явлений Эль-Ниньо, однако
анализ методами математической статистики
временного ряда явлений дает возможность
построить надежный прогноз среднего
числа событий за достаточно длинный
промежуток времени. Из этого прогноза
следует, что наблюдаемое в настоящее
время учащение явлений Эль-Ниньо в ближайшие
десятилетия прекратится и в 20-х годах
следующего столетия частота появления
Эль-Ниньо станет минимальной.
2.6. Изменение климата может происходить само по себе без каких-либо внешних воздействий и деятельности человека
Планета
Земля настолько большая и
сложная система с огромным количеством
структурных элементов, что её глобальные
климатические характеристики могут
ощутимо изменяться без всяких изменений
солнечной активности и химического состава
атмосферы. Различные математические
модели показывают, что на протяжении
века, колебания температуры приземного
слоя воздуха (флуктуации) могут достигать
0,4°С. В качестве сравнения можно привести
температуру тела здорового человека,
которая варьирует в течение дня и даже
часа.
Глава
3. АНТРОПОГЕННАЯ ГИПОТЕЗА
ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА
Обострение
глобального экологического кризиса связано
с демографическим взрывом и необходимостью
удовлетворения растущих материальных
потребностей людей, что обусловливает
расширение масштабов хозяйственной деятельности
и приводит к увеличению антропогенной
нагрузки на окружающую среду. Как следствие
обостряются проблемы глобального загрязнения
окружающей среды, глобального изменения
климата, разрушения стратосферного озона,
истощаются природные ресурсы планеты,
увеличивается число техногенных катастроф,
возрастает вероятность потери устойчивости
биосферы, хозяйственная емкость которой
конечна.
3.1. Антропогенное возмущение климатической системы
Глобальное изменение климата (потепление) связывают с аномальным усилением естественного атмосферного явления, называемого парниковым эффектом. Он был обнаружен Жозефом Фурье в 1824 году и впервые был количественно исследован Сванте Аррениусом в 1896 году. Это процесс, при котором поглощение и испускание инфракрасного излучения атмосферными газами вызывает нагрев атмосферы и поверхности планеты.
При отсутствии парникового эффекта средняя глобальная температура поверхности Земли составляла бы – 18 °С. Основные компоненты воздуха – азот, кислород и инертные газы – прозрачны как для видимого солнечного света, так и для инфракрасных лучей. Однако энергия излучения Земли, соответствующая инфракрасной области спектра, эффективно поглощается другими составляющими атмосферы – парниковыми газами (ПГ), повышая температуру приземных слоев атмосферы. К основным парниковым газам относятся: водяной пар, диоксид углерода, метан, закись азота, а также ряд техногенных газов. Парниковые газы сохраняются в атмосфере довольно длительное время, период их жизни исчисляется многими десятилетиями. Суммарное содержание в атмосфере парниковых газов составляет менее 0,5 %, но этого достаточно, чтобы создать естественный парниковый эффект. Благодаря этому эффекту средняя глобальная температура повышается до +15 °С.
Аномальное увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере, наблюдаемое в последние десятилетия, происходит за счет превышения притока над стоком этих газов и вызвано ростом антропогенных, т.е. связанных с хозяйственной деятельностью человека, выбросов ПГ. В настоящее время вклад диоксида углерода в усиление парникового эффекта составляет около 80 %, метана – 18–19 %, оставшиеся 1–2 % приходятся на закись азота, некоторые промышленные газы и озон. Хотя вклад водяного пара в парниковый эффект даже больше, чем вклад CO2, однако за многолетний период не наблюдалось сколько-нибудь значительного отклонения влажности воздуха от среднего значения.
Сжигание угля, нефти и природного газа приводит к высвобождению с беспрецедентной скоростью заключенного в этих ископаемых видах топлива углерода. Нынешний объем ежегодных антропогенных выбросов составляет более 23 млн тонн диоксида углерода или почти 1 % от общей массы диоксида углерода в атмосфере. Диоксид углерода, обусловленный хозяйственной деятельностью людей, включается в естественный углеродный цикл. Дополнительное антропогенное поступление углекислого газа в атмосферу могло бы компенсироваться в результате биотической регуляции, осуществляемой экологическими системами биосферы (например, поглощаться лесами). Но вследствие нарушений структуры биоты суши и в целом глобального биохимического цикла углерода эта избыточная антропогенная часть углекислого газа в атмосфере постоянно возрастает. Даже с учетом того, что половина выбросов диоксида углерода, обусловленных антропогенной деятельностью, поглощается океанами и растительностью, атмосферные уровни продолжают расти более чем на 10 % за каждые 20 лет. За последние 150-250 лет из-за изменений в землепользовании значительно сократилось количество биомассы и почвенного углерода, а, значит, и запас углерода, накопленного в на земных экосистемах в целом. В результате в атмосферу поступило большое количество CO2. Резко сократилась площадь лесов, прежде всего в тропиках. Выпас все большего количества скота в развивающихся странах, особенно в Африке, привел к деградации пастбищ. Все это не только повлияло на местный климат, но и внесло свой отрицательный вклад в глобальные процессы. По оценкам экспертов ООН, антропогенный парниковый эффект на 57% обусловлен добычей топлива и производством энергии, на 20% – промышленным производством, не связанным с энергетическим циклом, но потребляющим топливо, на 9 % – исчезновением лесов, на 14 % – сельским хозяйством.
Помимо аномального роста абсолютных значений средней глобальной температуры, весьма существенным фактом является резкое увеличение скорости ее роста. Острота проблемы изменения климата заключается не столько собственно в потеплении, сколько в разбалансировке и дестабилизации климатической системы. Мощный выброс CO2 является своего рода химическим толчком, достаточно сильным возмущением для климатической системы. На долговременный процесс естественной эволюции глобального климата накладываются все более ощутимые изменения в климатической системе, вызванные антропогенной деятельностью.
Популярность антропогенной гипотезы можно объяснить следующими факторами. Во-первых, она является наиболее согласованной с другими известными гипотезами, а во-вторых, она может быть включена в теорию "саморегулируемого" изменения климата. Действительно, хозяйственная деятельность человека является источником углекислоты, в результате чего срабатывает парниковый эффект и происходит потепление, вследствие которого в свою очередь повышается уровень концентрации парниковых газов.
Между
тем некоторые ученые имеют иную
точку зрения, утверждая, что вклад
человечества в процесс изменения
климата ничтожен. Процессы потепления/похолодания
наблюдались на протяжении большей части
истории Земли и являлись самоподдерживающимися
3.3. Парниковые газы, образующиеся в результате деятельности человека (антропогенные газы)
Атмосферные
концентрации основных антропогенных
парниковых газов, таких, как двуокись
углерода, метан, закись азота и тропосферный
озон, постоянно возрастали в течение
большей части ХХ века. Исключением являются
галоидоуглероды, поскольку их концентрация
возрастала приблизительно до 1990 г., а
затем стабилизировалась после того, как
в соотвествии с Монреальским протоколом
по веществам, разрушающим озоновый слой,
были введены в действие ограничения на
использование этих компонентов. Изменения
концентраций парниковых газов вызваны
главным образом сжиганием ископаемого
топлива, все большими изменениями в области
сельского хозяйства и землепользования.
Концентрации двуокиси углерода возросли
с 280 частей на миллион (ppm) в прединдустриальную
эпоху (1750-е гг.) до 370 в настоящее время,
и считается, что, учитывая существующую
тенденцию, эта концентрация будет находиться
в пределах от 540 до 970 ppm в 2100 г. Эти газы
характеризуются продолжительным сроком
нахождения в атмосфере. Оценки показывают,
что половина всех выбросов СО2 заканчивает свое существование
в атмосфере и остается там в течение 50—200
лет, в то время как вторая половина поглощается
океанами, сушей и растительностью. Ввиду
изменений в землепользовании и дальнейшего
обезлесения ожидается увеличение доли
СО2 в атмосфере.
