42

Омский Государственный Технический Университет

Реферат

на тему:

Атмосфера. Современная климатическая ситуация на планете

проверила:

выполнила:

Омск 2008

Содержание

1. Строение атмосферы

2. Функции атмосферы

3. Происхождение атмосферы с достаточным содержанием кислорода

4. Состояние климата и эволюция организмов

4.1 Эволюция в прошлом

4.2 Эволюция сейчас

5. Современное состояние климата

5.1 Актуальность проблемы

5.2 Важнейшие экологические последствия загрязнения атмосферы

5.3 Влияние климата на вращение Земли

6. Возможное решение климатических проблем

6.1 «Заморозить» Землю

6.2 Спасти нашу планету от катастрофы может любой землянин. Британские СМИ предложили 15 способов

7. Участники саммита G8 пришли к соглашению по климату

Заключение

Словарик

Список литературы

1. Строение атмосферы

Атмосфера газообразная оболочка Земли. К ней относятся: атмосферный воздух; газы, растворенные в поверхностных и подземных водах; газовая составляющая почв, а также газы, выделяющиеся из горного массива, которые прямо или косвенно влияют на жизнедеятельность живых организмов. Атмосфера распространяется над Землей до 2 000 км; это от радиуса Земли.

Атмосфера делится на:

1) Тропосфера граница до 10 12 км.

2) Стратосфера граница до 55 км от тропосферы.

3) Мезосфера граница до 85 90 км от стратосферы.

4) Термосфера граница до 150 км от мезосферы.

5) Экзосфера граница до 800 2 000 км от термосферы.

Состав атмосферы.

В настоящее время состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, что достигается деятельностью живых организмов.

На высоте 100 120 км чаще всего встречаются азот и кислород; на высоте 400 км находится кислород в атомарном состоянии (с одним свободным электроном); на высоте 600 -1600 км чаще всего встречают гелий; выше преобладает водород.

В нижних слоях атмосферы (до 25 км) встречаются CO2, углеводороды CxHy, диоксид серы SO2, оксиды азота NxOy и др.

Одной из характеристик атмосферы является влажность. Влажность атмосферного воздуха определяется его насыщенностью водяными парами. Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (1,5 - 2,0 км), где концентрируется примерно 50 % влаги. Количество водяного пара в воздухе зависит от его температуры: чем выше температура, тем больше влаги содержит воздух. Однако при любой конкретной температуре воздуха существует определенный предел его насыщения парами воды, который является максимальным. Обычно насыщение воздуха парами воды не достигает максимума, и разность между максимальным и текущим насыщением носит название дефицита влажности, или недостатка насыщения. Дефицит влажности важнейший экологический параметр, поскольку он характеризует сразу две величины: температуру и влажность. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, и наоборот. Известно, что повышение дефицита влажности в определенные отрезки вегетационного периода способствует интенсивному плодоношению растений, а у насекомых приводит к усиленному размножению вплоть до так называемых демографических вспышек. На анализе динамики дефицита влажности основаны многие способы прогнозирования различных явлений среди живых организмов.

Температура на поверхности земного шара определяется температурным режимом атмосферы и тесно связана с солнечным излучением. Известно, что количество тепла, падающего на горизонтальную поверхность, прямо пропорционально синусу угла стояния Солнца над горизонтом, поэтому наблюдаются суточные и сезонные колебания температуры. Чем выше широта местности, тем больше угол наклона солнечных лучей и тем холоднее климат.

Одним из инструментов атмосферы, влияющих на экологию Земли, является ветер. Причина возникновения ветра неодинаковый нагрев земной поверхности, связанный с перепадами давления. Ветровой поток направлен в сторону меньшего давления, т.е. туда, где воздух более прогрет. Сила вращения Земли воздействует на циркуляцию воздушных масс. В приземном слое воздуха их движение оказывает влияние на все метеорологические элементы климата: режим температуры, влажности, испарения с поверхности Земли и транспирацию растений. Ветер важнейший фактор переноса и распределения примесей в атмосферном воздухе. Наблюдаются длительные периоды (циклы) преобладающей атмосферной циркуляции продолжительностью в несколько десятков лет. Эти циклы меридианальной, широтной циркуляции периодически сменяются с востока на запад, с севера на юг, а также в противоположных направлениях. С типами атмосферной циркуляции иногда связывают периоды одновременной активности многих видов животных, например, периоды вспышек массового размножения насекомых. Скорость и направление движения воздушных масс могут изменяться в зависимости от рельефа, времени суток и других факторов. Вертикальное движение масс воздуха сложный природный процесс, который может характеризоваться температурной стратификацией изменением температуры воздуха с высотой.

Давление атмосферы. Нормальным считается давление 1кПа, соответствующее 750,1 мм рт.ст. В пределах земного шара существуют постоянно области низкого и высокого давления, причем в одних и тех же точках наблюдаются сезонные и суточные колебания давления. Различают также морской и континентальный типы динамики давления. Периодически возникающие области пониженного давления, характеризующиеся мощными потоками воздуха, стремящегося по спирали к перемещающемуся в пространстве центру, носят название циклонов. Циклоны отличаются неустойчивой погодой и большим количеством осадков. Также существуют антициклон, а вот механизма его образования вообще не существует. Это "нечто", приносящее ясную, безоблачную погоду, по мнению синоптиков, возникает случайно и никак не связано с циклонами. Но Н.С.Шаповалова сделала открытие (более 10 лет назад), что образование антициклонов происходит только в период ускорения планеты и их число достигает максимума в точке наивысшей скорости Земли. Это можно объяснить только тем, что атмосфера не успевает быстро подстроиться под Землю и начать вращаться с такой же скоростью, как и она; она начинает отставать и в результате закручиваться по часовой стрелке, образуя воздушные потоки, называемые антициклонами.

2. Функции атмосферы

1) Регулирование климата Земли.

2) Поглощение солнечной радиации.

3) Пропускает тепловое излучение Солнца.

4) Сохраняет тепло.

5) Является средой распространения звука.

6) Источник кислородного дыхания.

7) Формирование влагооборота, связанного с образованием облаков и выпадением осадков.

8) Формирующий фактор литосферы (выветривание).

9) Метеориты или полностью сгорают в атмосфере или становятся менее габаритными. Другими словами фильтрует «космический мусор».

3. Происхождение атмосферы с достаточным содержанием кислорода.

Рис. 1

В современной биосфере весь кислород, образовавшийся в результате фотосинтеза наземной растительности и океанического фитопланктона, расходуется на дыхание организмов, разлагающих органическое вещество, - бактерий, грибов и животных. Фото с сайта www.wri.org

Заметное увеличение содержания свободного кислорода в атмосфере Земли 2,4 млрд лет назад, по-видимому, явилось результатом очень быстрого перехода от одного равновесного состояния к другому. Первый уровень соответствовал крайне низкой концентрации О₂ -- примерно в 100 000 раз ниже той, что наблюдается сейчас. Второй равновесный уровень, мог быть достигнут, при более высокой концентрации, составляющей не менее чем 0,005 от современной. Содержание кислорода между двумя этими уровнями характеризуется крайней неустойчивостью. Наличие подобной «бистабильности» позволяет понять, почему в атмосфере Земли было так мало свободного кислорода в течение, по крайней мере, 300 млн. лет после того, как его стали вырабатывать цианобактерии-«сине-зеленные водоросли» (рис.2)

Для того чтобы кислород начал накапливаться в атмосфере, хотя бы часть образованного в ходе фотосинтеза вещества должна быть выведена из круговорота -- например, попасть в донные отложения и стать недоступной для бактерий, разлагающих его аэробно, то есть с потреблением кислорода.

Многие важные детали того, как установилось современное равновесие между поступлением кислорода в атмосферу и его изъятием, остаются невыясненными. Ведь заметное увеличение содержания кислорода, так называемое «Великое окисление атмосферы» (Great Oxidation), произошло только 2,4 млрд. лет назад, хотя точно известно, что осуществляющие оксигенный фотосинтез цианобактерии были уже достаточно многочисленны и активны 2,7 млрд. лет назад, а возникли они еще раньше -- возможно, 3 млрд. лет назад. Таким образом, в течение, по крайней мере, 300 миллионов лет деятельность цианобактерий не приводила к увеличению содержания кислорода в атмосфере.

Рис.2

На раннем этапе свободный кислород, производимый цианобактериями (на фото), быстро связывался железом и водородом (изображение с сайта www.star.ucl.ac.uk)

Предположение о том, что в силу каких-то причин вдруг произошло радикальное увеличение чистой первичной продукции (то есть прироста органического вещества, образованного в ходе фотосинтеза цианобактерий), критики не выдержало. Дело в том, что при фотосинтезе преимущественно потребляется легкий изотоп углерода ¹²С, а в окружающей среде возрастает относительное содержание более тяжелого изотопа ¹³С. Соответственно, донные отложения, содержащие органическое вещество, должны быть обеднены изотопом ¹³С, который скапливается в воде и идет на образование карбонатов. Однако соотношение ¹²С и ¹³С в карбонатах и в органическом веществе отложений остается неизменным, несмотря на радикальные изменения в концентрации кислорода в атмосфере. Значит, всё дело не в источнике О₂, а в его, как выражаются геохимики, «стоке» (изъятии из атмосферы), который вдруг существенным образом сократился, что и привело к существенному увеличению количества кислорода в атмосфере.

Обычно считается, что непосредственно до «Великого окисления атмосферы» весь образующийся тогда кислород расходовался на окисление восстановленных соединений железа (а потом серы), которых на поверхности Земли было довольно много. В частности, тогда образовались так называемые «полосчатые железные руды». Но недавно Колин Гольдблатт, аспирант Школы наук об окружающей среде при Университете Восточной Англии (Норвич, Великобритания), совместно с двумя коллегами из того же университета пришли к выводу о том, что содержание кислорода в земной атмосфере может быть в одном из двух равновесных состояний: его может быть или очень мало -- примерно в 100 тысяч раз меньше, чем сейчас, или уже довольно много (хотя с позиции современного наблюдателя мало) -- не менее чем 0,005 от современного уровня.

В предлагаемой модели они учли поступление в атмосферу, как кислорода, так и восстановленных соединений, в частности обратив внимание на соотношение свободного кислорода и метана. Они отметили, что если концентрация кислорода превышает 0,0002 от современного уровня, то часть метана уже может окисляться бактериями метанотрофами согласно реакции: CH₄ + 2O₂ > CO₂ + 2H₂O.

Но остальной метан (а его довольно много, особенно при низкой концентрации кислорода) поступает в атмосферу.

Основной же механизм восстановления нарушенного равновесия -- окисление метана в верхних слоях атмосферы гидроксильным радикалом (см. Колебания метана в атмосфере: человек или природа -- кто кого, «Элементы», 06.10.2006). Гидроксильный радикал, как известно, образуется в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения. Но если кислорода в атмосфере много (по меньшей мере, 0,005 от современного уровня), то в верхних ее слоях образуется озоновый экран, хорошо защищающий Землю от жестких ультрафиолетовых лучей и вместе с тем мешающий физико-химическому окислению метана.

Авторы приходят к несколько парадоксальному выводу о том, что само по себе существование оксигенного фотосинтеза не является достаточным условием ни для того, чтобы сформировалась богатая кислородом атмосфера, ни для того, чтобы возник озоновый экран.

А, по мнению ученых из Вашингтонского университета, с момента появления бактерий, способных производить свободный кислород с помощью фотосинтеза, до момента, когда накопленный свободный кислород стал преобладать в атмосфере Земли, прошло не менее 300 миллионов лет. Новая теория объясняет, почему так получилось.

Кислород, как известно, появился на Земле благодаря цианобактериям -- водным микроорганизмам, живущим за счет фотосинтеза. Эти бактерии углекислый газ и воду превращают в углеводы и свободный кислород. Однако в течение первого времени подавляющая часть производимого бактериями кислорода связывалась химическими элементами, выбрасываемыми в атмосферу в результате бурной вулканической активности Земли, а также вступала в реакцию с железом, «импортированным» планетой в ходе интенсивных метеоритных бомбардировок, образуя ржавчину.

По мере того, как господствовавший в атмосфере метан разлагался ультрафиолетовым излучением Солнца, высвободившийся в ходе реакции водород покидал атмосферу и улетал в космос. Снижение доли водорода в атмосфере ускорило процесс окисления кислородом железа и других веществ, входящих в состав коры, привело к образованию скалистых пород и позволило в итоге значительно снизить выделение водорода земной корой и снизить темпы образования новых объемов метана.

По мнению аспиранта кафедры астрономии и астробиологии Вашингтонского университета Марка Клэра (Mark Claire), именно «железный» и «водородный» факторы сыграли решающую роль в наступлении «кислородной эры». Согласно построенным американскими учеными моделям, увеличение или уменьшение всего в пять раз железной составляющей земной коры, могло отсрочить или, напротив, приблизить наступление этой эпохи на миллиард лет. Соответственно, можно предположить, что причиной неработоспособности ранее применяемых для расчета времени накопления свободного кислорода моделей стала ошибка в определении исходных данных, касающихся присутствия железа в коре и на поверхности планеты.

Рис.3

На снимке хорошо видна полосчатая структура ПЖФ (фото с сайта z.about.com)

Гипотеза о появлении кислорода в атмосфере основана, прежде всего, на изучении минеральных отложений, известных как полосчатые железорудные формации (рис.3), ПЖФ (в них чередуются слои -- полоски -- оксида железа и кварца). Предполагается, что слои оксида железа в этих древних формациях не могли появиться иначе как в результате взаимодействия железа с кислородом, производившимся цианобактериями. Этим же объясняется и разрыв между появлением цианобактерий и заметным накоплением кислорода в атмосфере: кислород, вырабатывавшийся с помощью фотосинтеза цианобактериями, попав в атмосферу, мгновенно вступал в реакцию с растворенным в океане железом. В конечном итоге на дне океанов образовались огромные залежи гематитов (Fe₂O₃) и магнетитов (Fe₃O₄).

Однако некоторые ученые призывают не сбрасывать со счетов и другую возможность происхождения ПЖФ. В 90-е годы прошлого века немецкие исследователи обнаружили, что пурпурные бактерии -- микроорганизмы, появившиеся еще раньше, чем цианобактерии -- способны окислять железо без участия кислорода (в ходе анаэробного фотосинтеза, используемого ими для получения энергии из света и двуокиси углерода). А если так, то получается, что слои оксида железа в ПЖФ уже не могут выступать в качестве надежного доказательства наличия в древней атмосфере кислорода.

Недавние опыты, проведенные специалистами из Калифорнийского технологического института, немецкого Университета Тюбингена и канадского Университета Альберты, подтвердили тот факт, что слои оксида железа в ПЖФ на самом деле могли появляться в результате деятельности пурпурных бактерий. Клаудия Паскуэро (Claudia Pasquero) из Калифорнийского института определила даже толщину слоя пурпурных бактерий, который был бы необходим для полного окисления проходивших через него частиц железа. Ее расчеты показали, что она должна составлять около 17 метров (сейчас бактериальные слои такой толщины можно найти, например, в Черном море).

«Суть вопроса в том, как именно произошли ПЖФ, -- говорит Диана Ньюман (Dianne Newman) из Калифорнийского института. -- Считается, что ПЖФ отражают историю появления кислорода на Земле, но это может быть справедливо по отношению не ко всем из них».

4. Состояние климата и эволюция организмов

4.1 Эволюция в прошлом

Следы жизни обнаружены в самых древних горных породах, которые сформировались около 3 миллиардов лет назад. Тогда содержание кислорода в атмосфере было очень низким. Именно тогда жили на нашей планете организмы,пурпурные бактерии - анаэробы - их фотосинтез происходил без участия кислорода и цианобактерии, которые в процессе фотосинтеза вырабатывали кислород, и следы их жизни запечатлены в этих породах. Эти организмы были чрезвычайно примитивными, они были одноклеточными или колониальными, не имели скелета и размножались простым делением клеток надвое, в клетках их не было сформированного ядра. Даже наружный скелет - твердый панцирь клеток - у них отсутствовал, поэтому в геологической летописи планеты сохранилось так мало следов той древнейшей жизни.

Эволюция живых организмов вначале привела к появлению живых существ с обособленным клеточным ядром и внутриклеточными органоидами - рибосомами, митохондриями и др. Для них уже было характерно бесполое и половое размножение. Доказано, что миллиард лет назад такие организмы на нашей планете населяли океан. Эти микроорганизмы использовали кислород в процессе своей жизнедеятельности и получали они его из воды, в которой кислород находился в растворенном виде.

Примерно 600-700 миллионов лет назад появились первые позвоночные животные - рыбы, обитавшие в мировом океане и морях. Царство растений тогда было представлено многочисленными водорослями, как одноклеточными, так и многоклеточными, образующими, как и теперь, настоящие подводные леса на мелководьях.

Выход живых существ на сушу сдерживался тем, что в атмосфере Земли, вплоть до кембрийского периода, было очень мало кислорода. Из-за этого у планеты отсутствовал озоновый слой (верхний слой атмосферы, состоящий из трехатомных молекул кислорода и отдельных атомов кислорода), который поглощает жесткое космическое излучение. Дело в том, что кванты жесткого электромагнитного излучения обладают очень высокой энергией и, ударяя в органические молекулы, легко их разрушают, поглощаясь при этом и не достигая поверхности планеты. Слой воды толщиной 2-3 м может поглощать кванты жесткого излучения не хуже озонового слоя. Именно поэтому на первых этапах эволюции жизнь была только в морях и океанах и не спешила выходить на сушу. В процессе поглощения электромагнитного излучения и фотосинтеза водорослей в гидросфере и атмосфере постепенно накапливался свободный кислород.

Примерно 500 миллионов лет назад живые организмы появились и на суше. На суше эволюция живых существ проходила более быстрыми темпами. Из животных сушу сначала завоевали членистоногие. Из позвоночных животных первыми на сушу выбрались двоякодышащие рыбы, от которых произошли земноводные. Земноводные в свою очередь дали начало пресмыкающимся, от которых произошли птицы и в меловом периоде - около 70 миллионов лет назад - млекопитающие. Человек относится к классу млекопитающих (отряд приматов, семейство гоминид - человекообразные).

Первые люди, согласно последним научным данным, обитали в Африке около 3 миллионов лет назад. Они ходили прямо на двух ногах, имели ступню, не отличающуюся от ступни современного человека, и довольно развитые руки с отстоящим, как у современного человека, большим пальцем; могли издавать членораздельные звуки, пользовались огнем и изготавливали примитивные орудия, разбивая камни и кости. По мере эволюции живых организмов увеличивалось биологическое разнообразие, интенсифицировался обмен веществ, совершенствовались механизмы размножения, усложнялось поведение животных и жизненные циклы растений. Одновременно удлинялись пищевые цепи, благодаря которым, однажды захваченные живыми существами из внешней среды атомы химических элементов и энергия, все дольше не возвращались во внешнюю среду.

Разумеется, по мере эволюции изменялась и среда обитания живых организмов, а также и скорость ее изменений. Содержание кислорода за последний миллиард лет в атмосфере выросло с 1% до 21%. При этом резко снизилось содержание в атмосфере Земли углекислого газа - до 0,3%. Баланс углекислого газа между атмосферой, океаном, почвой и живыми организмами поддерживается миллионами видов живых организмов. Если он нарушится, то содержание углекислоты в атмосфере резко возрастет, усилится так называемый парниковый эффект, и атмосфера Земли начнет разогреваться. Если на Земле не будет жизни, то состояние ее атмосферы довольно скоро, буквально за несколько сотен или тысяч лет, вернется к своему безкислородному состоянию. Ведь ни на Венере, ни на Марсе свободного кислорода в атмосферах практически нет. Зато очень много углекислого газа. Вероятно, такой когда-то была и атмосфера нашей планеты.

Многие процессы являются общими для всех уровней. Их характеристики, установленные для одного уровня (клеточного, организменного) могут быть высокоинформативными и для других уровней (популяционного, экосистемного) и точно также одни и те же области наук м.б. общими для всех уровней организации.

4.2 Эволюция сейчас

Уже сейчас, глобальное потепление климата отражается не только на людях, но и на эволюции некоторых животных. По мнению ученных, наблюдаемые ими генетические изменения напрямую связаны с повышением температуры на планете.

Средние температуры повысились, также увеличилась продолжительность теплых весенних и осенних периодов. Это дало явные преимущества животным, наделенным генетической способностью менять свое поведение, оказывая влияние на ход эволюции. Так, наследуемые генетические изменения обнаружились у белок, птиц и некоторых насекомых, которые, возможно, эволюционируют, адаптируясь к более теплой среде.

Однако на сегодняшний день эволюционные адаптации связаны с изменением продолжительности сезонов, а не с переносимостью высоких температур. Это означает, что видам будет грозить исчезновение при дальнейшем глобальном потеплении.

В статье, журнале Science, Вильям Брэдшоу и Кристина Хольцафель из Университета Орегона приводят несколько примеров животных, эволюционирующих в ответ на глобальное потепление, пишет The Times.

"В последние 40 лет животные смещают свои ареалы в направлении полюсов, а популяции мигрируют, развиваются или выводят потомство раньше, - говорит Брэдшоу. - Эти изменения часто связывают с "пластичностью фенотипа", то есть способностью индивидов модифицировать свое поведение, морфологию или психологию в ответ на изменение внешних условий".

Однако пластичность фенотипа - это еще не все. "Недавние исследования показывают, что за последние десятилетия в результате изменений климата наследуемые генетические модификации произошли у таких популяций животных, как птицы, белки и комары", - говорит он.

Рыжие канадские белки выводят потомство раньше, что позволяет им раньше добираться до еловых шишек, которым они питаются. Славки-черноголовки из Центральной Европы все чаще улетают на зиму в Британию, а не на Иберийский полуостров, а генетически отличная субпопуляция, использующая эту стратегию, становится больше.

Большие европейские синицы оказались под селективным давлением, так как гусеницы, которыми питаются их птенцы, раньше становятся взрослыми. Синицы, которые могут раньше положить яйца - что является генетическим признаком, имеют преимущество, так как их птенцы по-прежнему могут поедать этих гусениц.

Фруктовые мухи, чьи генетические характеристики типичны для южных насекомых, стали чаще встречаться в северных широтах. А у комаров, живущих на листьях плотоядных кувшинок в Северной Америке, изменилось время впадения в спячку личинок в ожидании зимы.

Что же может случиться с другими видами животных, а как они могут преобразиться из за изменения климата, это еще неизвестно. И как будет выглядеть человек в будущем?...

Глобальное потепление может сделать мир таким, каким он был 4 млн лет назад, когда уровень моря был на 25 метров выше, чем в наши дни, предупреждают ученые из Йельского университета во главе с Алексеем Федоровым.

5. Современное состояние климата

5.1 Актуальность проблемы

Вопрос о воздействии человека на атмосферу находится в центре внимания специалистов и экологов всего мира. И это не случайно, так как крупнейшие глобальные экологические проблемы современности - "парниковый эффект", нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей, связаны именно с антропогенным загрязнением атмосферы. Атмосферный воздух выполняет и сложнейшую защитную экологическую функцию, предохраняя Землю от абсолютно холодного Космоса и потока солнечных излучений. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формируются климат и погода, задерживается масса метеоритов. Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, турбулентном перемешивании приземного слоя воздуха, отложении загрязненных веществ на поверхности земли и т. д. Однако в современных условиях возможности природных систем самоочищения атмосферы серьезно подорваны. Под массированным натиском антропогенных загрязнений в атмосфере стали проявляться весьма нежелательные экологические последствия, в том числе и глобального характера. По этой причине атмосферный воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие экологические функции.

5.2 Важнейшие экологические последствия глобального загрязнения атмосферы

· возможное потепление климата ("парниковый эффект");

· нарушение озонового слоя;

· выпадение кислотных дождей.

· возможное похолодание климата.

· затопление огромных тереторий.

Парниковый эффект

В настоящее время, наблюдаемое изменение климата, которое выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины прошлого века, большинство ученых связывают с накоплениями в атмосфере так называемых "парниковых газов" - диоксида углерода (СО2),метана (СН4), хлорфторуглеродов (фреонов), озона (О3), оксидов азота и др.

Следствием увеличения концентраций этих газов, создающих "парниковый эффект" является рост средней глобальной температуры воздуха у земной поверхности. За последние 100 лет наиболее теплыми были 1980, 1981, 1983, 1987 и 1988 гг. В 1988 г. среднегодовая температура оказалась на 0,4°С выше, чем в 1950-1980 гг. Расчеты некоторых ученых показывают, что в 2005 г. она будет на 1,3 °С больше, чем в 1950-1980 гг. В докладе, подготовленном под эгидой ООН международной группой по проблемам климатических изменений, утверждается, что к 2100 г. температура на Земле увеличится на 2-4 градуса. Масштабы потепления за этот относительно короткий срок будут сопоставимы с потеплением, произошедшим на Земле после ледникового периода, а значит, экологические последствия могут быть катастрофическими. В первую очередь это связано с предполагаемым повышением уровня Мирового океана, вследствие таяния полярных льдов, сокращения площадей горного оледенения и т. д. (рис.4 Айсберг, отколовшийся от одного из ледников Гренландии. Фото Конрада Стеффена из Колорадского университета с сайта news.mongabay.com).



Рис.4

Моделируя экологические последствия повышения уровня океана всего лишь на 0,5-2,0 м к концу XXI в., ученые установили, что это неизбежно приведет к нарушению климатического равновесия, затоплению приморских равнин в более чем 30 странах, деградации многолетнемерзлых пород, заболачиванию обширных территорий и к другим неблагоприятным последствиям.

Однако ряд ученых видят в предполагаемом глобальном потеплении климата и положительные экологические последствия (Вронский, 1993; Парниковый эффект..., 1989). Повышение концентрация СО2 в атмосфере и связанное с ним увеличение фотосинтеза, а также возрастание увлажнения климата могут, по их мнению, привести к увеличению продуктивности как естественных фитоценозов (лесов, лугов, саванн и др.), так и агроценозов (культурных растений, садов, виноградников и др.)

Существуют причины повышения средней температуры земной поверхности, не зависящие от человека и связанные с астрофизическими переменными и циклическими колебаниями климата. Повышение концентрации "парниковых газов" в атмосфере может быть не причиной, а наоборот - следствием этих климатических изменений (увеличение заболоченности территорий, прежде всего таежных массивов умеренных широт).

А так же, ученые нашли очередное подтверждение гипотезе о том, что роль человека в глобальном потеплении до сих пор переоценивали. По их мнению, космические лучи из открытого космоса оказывают гораздо большее влияние на изменение земного климата, чем выбросы углекислого газа, связанные с деятельностью человека.

Облака отражают радиоактивные лучи Солнца обратно в космос, благодаря чему планета охлаждается. Группа ученых, которую возглавляет датский климатолог Хенрик Свенсмарк, утверждает, что планета переживает период, когда облачный покров уменьшился из-за недостатка космических лучей, попадающих в атмосферу. Соответственно, солнечная радиация из-за нехватки облаков сильнее нагревает Землю. Это, по словам Свенсмарка, и является основной причиной происходящего на наших глазах глобального потепления. Группа, в которую входят более 60 ученых со всего мира, готовится провести масштабный эксперимент с использованием женевского ускорителя частиц, чтобы воспроизвести эффект попадания космических лучей в атмосферу. Они надеются, что это покажет, действительно ли космическая радиация влияет на изменение облачного покрова. Если это так, климатологам, возможно, придется пересмотреть свои представления о механизмах глобального потепления.

По результатам исследования Свенсмарка, космические лучи, попадая в атмосферу, создают заряженные частицы, притягивающие молекулы воды из атмосферы, которые конденсируются, образуя облака. Датский ученый утверждает, что количество космических лучей, попадающих на Землю, меняется в зависимости от магнитной активности Солнца. В периоды высокой магнитной активности на Землю попадает меньше космических лучей. Из-за этого формируется меньше облаков и температура повышается. Низкая же магнитная активность приводит к тому, что облаков формируется больше и Земля охлаждается.

Свенсмарк обращает внимание на то, что сейчас "солнечная активность выше, чем когда-либо как минимум за последнюю тысячу лет".

У новой теории есть свои сторонники и критики.

Джайлс Гаррисон, специалист по атмосфере из Редингского университета, проводивший исследование космических лучей и их влияния на облачный покров, считает, что Свенсмарк переоценивает воздействие космических лучей на климат планеты. "Я изучил данные об облачном покрове над Великобританией за последние 50 лет и обнаружил, что связь с космическими лучами незначительна. Судя по всему, они добавляют изменчивости природной климатической системе, однако их вклад достаточно мал", сказал Гаррисон.

Однако число сторонников теории растет. Боб Бингем, специалист по атмосфере из Центральной лаборатории научного совета имени Резерфорда, признал, что "есть ряд доказательств подобного воздействия на облака".

Нарушение озонового слоя

Вследствие нарушения озонового слоя, стало больше попадать на Землю космичесих излучений, что приводит к распространению некоторых тяжелых заболеваний, а также это влияет на состояние климата, что ведет за собой появление определенных проблем. На состояние озонового слоя, влияют химические выбросы в атмосферу, полеты в космос (по утверждению некоторых ученых) и т.д.

Выпадение кислотных дождей

Кислотные дожди образуются, в результате выброса в атмосферу химических веществ. И в процессе образования дождевых облаков, эти самые выбросы вступают в химическую реакцию с молекулами воды и выпадают кислотные осадки. Кислотные дожди уничтожают растения и очень вредны всем живым организмам, они наносят не поправимый вред всей планете.

Возможное похолодание климата

Ученые лаборатории космических исследований Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН (ГАО РАН) впервые обнаружили двухвековое циклическое изменение светимости Солнца, оказывающее, по их мнению, определяющее влияние на изменение климата Земли. Абдусаматов пояснил:

"Нам удалось установить, что в течение последних нескольких тысячелетий существовала несомненная прямая связь между двухвековыми циклическими вариациями солнечной светимости и изменениями глобальной температуры на Земле", - ученые исследовали влияние 11-летней и двухвековой циклических вариаций светимости Солнца на изменение климата Земли. В результате было установлено, что влияние 11-летней вариации светимости на климат сглаживается и практически не проявляется благодаря термической инерции Мирового океана.

"Однако двухвековые циклические вариации интенсивности солнечного излучения непосредственно оказывают определяющее влияние на изменение климата Земли с отставанием на 15-20 лет из-за термической инерции Земли. Солнце несет основную ответственность за изменение климата". Это оказывает влияние не только на климат нашей планеты, но и определяет наблюдаемые параллельные потепления на Марсе и других планетах солнечной системы.

По мнению ученого, обнаруженная закономерность позволяет говорить о том, что ориентировочно к середине этого века на Земле произойдет глубокое похолодание, обусловленное естественным снижением потока солнечного излучения.

Это похолодание может быть подобным тому, которое наблюдалось в 1645-1715 годах во всей Европе, в Северной Америке и Гренландии во время маундеровского минимума солнечной активности. Тогда, по словам ученого, в Лондоне замерзла Темза, в Париже - Сена, а в Голландии - все каналы. В Гренландии, название которой означает "зеленая земля", вследствие наступления ледников люди были вынуждены оставить часть поселений.

Также отмечено, что Солнце еще в середине 90-х годов прошлого столетия вступило в стадию медленного уменьшения светимости. Наблюдаемое же в настоящее время глобальное потепление климата Земли ученый объясняет тем, что наша планета "подобно нагретой сковородке" все еще отдает тепло, накопленное в течение практически всего 20-го столетия.

Кроме того, по мнению Абдусаматова, обнаруженная закономерность служит доказательством тому, что наблюдаемое повышение концентрации углекислого газа в атмосфере не может оказывать решающего влияния на значимое изменение климата Земли.

"Этот фактор никак не может конкурировать с вкладом роста двухвековой солнечной светимости в глобальное потепление климата", - считает ученый.

По его мнению, лишь незначительная часть наблюдаемого повышения температуры может быть связана с парниковым эффектом, вызванным общим ростом концентрации углекислого газа в атмосфере.

А так же отмечено, что неожиданное для климатологов начало остывания верхних слоев Мирового океана - явное свидетельство того, что глобальный тепловой максимум на Земле уже достигнут.

Затопление огромных территорий

Глобальные изменения в водах Тихого и Индийского океанов обнаружили австралийские ученые. Сравнение данных солености и температуры воды за период с 1930 по 1980 год с данными 1985-1994 годов показало, что на глубинах до километра эти показатели падают. Такие процессы, по мнению исследователей, связаны с разбавлением океанских вод огромным количеством холодных вод из полярных областей планеты. С течением времени перераспределение температур океанских вод приведет к изменению главных океанских течений, а, следовательно, к засухам в при экваториальных областях и увеличению количества осадков в высоких широтах.

И если потепление будет продолжаться такими же темпами, то в наступившем веке большая часть льдов на полярных шапках планеты растает, соответственно, подъем уровня Мирового океана будет измеряться многими метрами. Уже в 1996 году зафиксировано отделение от ледяного панциря Антарктиды куска ледника размером со штат Род-Айленд, то есть площадью около 3000 квадратных километров. Массовое таяние льда приведет к тому, что под водой исчезнут целые территории и страны. Уже на сегодняшний день рассчитано, что частичное подтопление грозит Нидерландам, Германии, Польше, Англии, Италии и некоторым территориям в бассейне Средиземного моря, ряду прибрежных стран азиатского материка, Америке и Африке. В частности, Скандинавский полуостров вполне может превратиться в остров. Это произойдет в том случае, если при подъеме уровня Мирового океана воды Белого моря соединятся через Онежское и Ладожское озера с Балтикой. Примерные расчеты показывают, что в ближайшие десятки лет перед человечеством встанет нелегкий вопрос о переселении и размещении на незатопленных территориях не менее 46 миллионов человек. Другого выхода просто не будет, так как невозможно всю территорию какой-либо страны окружить дамбой! Впрочем, этот расчет может провести каждый самостоятельно. Достаточно на физической карте выделить территории с высотами ниже уровня океанских вод или выше его на 10-15 метров, а потом по карте плотности населения приблизительно оценить количество человек, проживающих в этих регионах.

Глобальные изменения в расселении людей могут в отдаленном будущем привести к мощным социальным потрясениям. Нетрудно догадаться, что население затопленных стран будет стремиться занять сухие территории. Это грозит новыми войнами.

5.3 Влияние климата на вращение Земли

На вращение Земли могут влиять очень многие процессы: изменения в распределении воздушных масс в атмосфере, снежного и ледяного покровов (к примеру изменения массы ледников Гренландии определят по снимкам со спутников (Аномалии гравитационного поля Земли согласно данным спутников GRACE. Рис. из статьи T.Murray. Greenland's ice on the scales (Nature. 2006. V.443. P.277-278))), осадков и растительности на земной поверхности, вариации уровня Мирового океана, взаимодействие ядра и мантии Земли, извержения вулканов, землетрясения, воздействия внешних сил и т.д. Тщательные оценки вклада этих процессов позволили выявить наиболее существенные из них.

В течение года массы воздуха и влаги (воды, снега и льда) перераспределяются между материками и океанами, а также между Северным и Южным полушариями. Так, над Евразией масса воздуха в январе на 6·1015 кг больше, чем в июле. С января по июль из Северного полушария в Южное переносится 4·1015 кг воздуха. В течение всей зимы происходит накопление снега в северных районах Евразии и Северной Америки, весной же снег тает, и влага возвращается в Мировой океан. Все это меняет момент инерции Земли и в какой-то степени сказывается на ее вращении. Оценки показывают, что сезонное перераспределение воздушных и водных масс мало влияет на сезонную неравномерность вращения Земли, но почти полностью обусловливает вынужденное движение географических полюсов с годовым периодом.

Чандлеровское движение полюсов возникает, как мы уже отмечали, когда ось вращения Земли отклоняется от оси наибольшего момента инерции планеты. Однако оно должно со временем затухать, так как энергия свободного движения полюсов преобразуется в тепло. Отсутствие затухания свободного движения полюсов указывает на то, что существуют некие процессы, непрерывно его поддерживающие. К таким процессам относят землетрясения, электромагнитное взаимодействие ядра и мантии Земли, лунно-солнечную прецессию и т.д. Наиболее вероятно, что свободное движение полюсов поддерживается межгодовыми колебаниями системы Земля-океан-атмосфера. Как удалось показать, атмосфера, океан и Земля совершают согласованные колебания. Так, квазидвухлетняя цикличность и южная осцилляция атмосферы, явления Эль-Ниньо и Ла-Нинья в океане, чандлеровское колебание и главная нутация Земли имеют соизмеримые частоты, кратные частоте Чандлера 1/(1.2 г.). Поэтому свободное движение географических полюсов может поддерживаться за счет комбинационных резонансов в системе Земля-океан-атмосфера.

Главная причина сезонной неравномерности вращения Земли - это атмосферная циркуляция. Известно, что в среднем атмосфера движется относительно земной поверхности в низких широтах с востока на запад (дуют восточные ветры), а в умеренных и высоких - с запада на восток (преобладают западные ветры). Момент импульса восточных ветров отрицателен, а западных - положителен. Можно было бы думать, что эти моменты компенсируют друг друга и момент импульса ветров всей атмосферы всегда равен нулю. Однако расчеты показывают, что у восточных ветров данная величина в несколько раз меньше, чем у западных [3]. Поэтому момент импульса ветров всей атмосферы не равен нулю, а составляет в среднем за год +14·1025 кг·м2·с-1. Его величина меняется в течение года от +16.1·1025 кг·2·с-1 в апреле и ноябре до +10.9·1025 кг·2·с-1 в августе.

Момент импульса - это такая физическая величина, которая не может возникать или уничтожаться. Она способна лишь перераспределяться. В рассматриваемом случае перераспределение происходит между атмосферой и твердой Землей. Когда момент импульса атмосферы увеличивается, т.е. усиливаются западные ветры или ослабевают восточные, момент импульса тела Земли снижается, т.е. замедляется ее вращение. Когда же момент импульса атмосферы уменьшается (ослабевают западные или усиливаются восточные ветры), вращение Земли ускоряется. Степень согласия изменений моментов импульса атмосферы и Земли в 1958-2001 гг. иллюстрирует рис. 6. Тот факт, что суммарный момент импульсов Земли и атмосферы всегда остается неизменным, может служить хорошей иллюстрацией справедливости закона сохранения момента импульса не только в лабораторных экспериментах, но и в глобальных масштабах.

Поскольку момент импульса ветров всегда положителен, значит, атмосфера в целом вращается вокруг оси быстрее Земли. Уподобляя движение атмосферы вращению твердого тела, можно сказать, что период ее обращения вокруг оси составляет в апреле и ноябре 23 ч 36 мин, а в августе - 23 ч 45 мин. В среднем за год сутки для атмосферы длятся 23 ч 38 мин, а не 23 ч 56 мин, как для Земли.

Иногда думают: раз атмосфера обгоняет Землю в суточном вращении, значит, она должна непрерывно ускорять Землю. Однако на неравномерность вращения Земли влияют лишь изменения момента импульса ветров. Постоянная же величина этого момента была заимствована атмосферой у Земли на этапе формирования атмосферной циркуляции. Тогда скорость вращения Земли немного замедлилась (длительность суток возросла на 0.0024 с) и остается таковой в настоящее время. Если иссякнет источник, поддерживающий ветры в атмосфере (Солнце), то атмосферная циркуляция прекратится, момент импульса ветров “стечет” к Земле и длительность суток вернет свое первоначальное значение (уменьшится на 0.0024 с).

Атмосферу, неравномерно разогретую по горизонтали солнечными лучами, можно рассматривать как тепловую машину. Она превращает тепловую энергию Солнца в кинетическую энергию ветров. Наиболее теплые части атмосферы выполняют в этом случае функции нагревателя, а самые холодные - холодильника. Рабочим телом служит сам воздух. В физике атмосферы сегодня известны несколько тепловых машин. Важнейшие из них - тепловые машины, порождаемые контрастом температур между экватором и полюсами. Известный отечественный геофизик В.В.Шулейкин назвал их тепловыми машинами первого рода [4]. Одна из них работает в Северном полушарии, другая - в Южном. Благодаря этим машинам поддерживаются восточные ветры в низких широтах и западные - в умеренных и высоких. Чем больше контраст температур между экватором и полюсом, тем интенсивнее атмосферная циркуляция в данном полушарии и тем больше величина момента импульса ветров.

Контраст температур в каждом полушарии колеблется с годовым периодом. Он бывает наибольшим зимой, а наименьшим - летом. Поэтому момент импульса ветров Северного полушария, удерживаемый тепловой машиной первого рода, совершает гармонические колебания с периодом в один год (от максимального значения в январе до минимального в июле). В Южном полушарии годовое колебание имеет противоположную фазу: момент импульса максимален в июле, а минимален в январе. Поэтому годовые колебания ветров Северного и Южного полушарий компенсируют друг друга и момент импульса ветров всей атмосферы должен оставаться почти постоянным. Итак, тепловые машины первого рода обусловливают появление в атмосфере положительной величины момента импульса ветров, но почти не влияют на его сезонные колебания.

Долгое время оставалось неясным, почему момент импульса ветров всей атмосферы испытывает наблюдаемые сезонные колебания. Было обнаружено, что в верхних слоях атмосферы самой теплой областью является не экватор и не параллель, на которой Солнце в полдень находится в зените, а полярная шапка летнего полушария (в июле - северная, в январе - южная). Оказалось, что средняя температура воздуха непрерывно убывает от полюса летнего полушария до полюса зимнего (в июле - от Северного полюса до Южного, в январе - от Южного полюса до Северного). Стало ясно, что в атмосфере имеется межполушарная тепловая машина, нагревателем которой служит атмосфера летнего полушария, а холодильником - атмосфера зимнего. Межполушарная тепловая машина препятствует работе тепловых машин первого рода: она уменьшает величину момента импульса ветров, удерживаемую в атмосфере тепловыми машинами первого рода. Чем больше контраст температур между полушариями, тем значительнее этот эффект. В январе и июле, когда межполушарная тепловая машина действует наиболее интенсивно, момент импульса ветров уменьшается до минимальных значений, а скорость вращения Земли достигает максимальных величин. В апреле и ноябре температурные различия между атмосферой Северного и Южного полушарий выравниваются; межполушарная тепловая машина прекращает свою работу, поэтому в атмосфере удерживается предельно большая величина момента импульса ветров и скорость вращения Земли становится минимальной.

Различие июльского и январского максимумов скорости вращения Земли связано с тем, что атмосфера Северного полушария в среднем за год теплее атмосферы Южного. Поэтому контраст температур между полюсами в июле значительно больше, чем в январе. Если бы подстилающие поверхности в Северном и Южном полушариях были одинаковы, то январский и июльский максимумы не различались бы. Интенсивность работы межполушарной тепловой машины меняется от года к году. В соответствии с этим меняются и параметры сезонных колебаний скорости вращения Земли.

6. Возможное решение проблем климата

6.1 «Заморозить» Землю

К таким относят возможность поставить огромное зеркало за лунной орбитой между Землей и Солнцем. Это создало бы дополнительную тень на Солнце и сократило бы освещение Земли.

Например, проводятся эксперименты по "удобрению" океанов частицами железа, что способствует фотосинтезу, т.е. поглощению углерода у фитопланктона. Это в свою очередь уменьшает концентрацию углекислого газа, вызывающего парниковый эффект.

Также можно было бы распылять мельчайшие частицы в верхних слоях атмосферы для того, чтобы они отражали часть солнечных лучей. Теоретически таким образом можно было бы снизить среднюю температуру. Хотя, как пишет французское издание "Le Monde", в реальности все намного сложнее.

"Le Monde" отмечает, что попытка искусственно изменить климат не является чем-то новым для ученых. Климатологи это называют "геоинженерией". Однако в научном мире на этот термин долго было табу. Причина проста: было опасно распространять среди политиков, промышленников и общественности идею, что с помощью таких мер можно остановить потепление, поскольку это бы означало, что ученые внушали ложную мысль, будто можно до бесконечности выбрасывать углерод в земную атмосферу.

Климатологи утверждают, что эти геоинженерные меры могут быть использованы лишь в качестве последнего средства, только в случае резкого и неожиданного ухудшения климатической ситуации. Тем не менее, некоторые ученые все же полагают, что пора нарушить это табу и начать работать над такой возможностью, что позволит оценить риски, а главное - избавиться от мысли о каком-то чудо решении.

Способ охлаждения, который выглядит самым реалистичным, известен уже несколько десятилетий, но недавно его вновь предложил Пауль Крутцен, удостоившийся Нобелевской премии по химии за свои исследования озона. "С помощью шаров можно распылять в стратосфере сернистый ангидрид, который будет тут же превращаться в мельчайшие частички сульфата. Эти аэрозоли будут на протяжении нескольких лет отражать часть солнечных лучей", - пишет "Le Monde".

Изучить последствия такого эффекта помогли крупные вулканические извержения, в частности, извержения вулкана Пинатубо (1992). Вулкан выбросил в атмосферу двуокись серы, превратившуюся в клубы аэрозолей. После извержения этот "экран" на протяжении двух лет снижал температуру поверхности Земли примерно на 0,5 градусов. Однако существуют и определенные риски, ведь на следующее лето после извержения Пинатубо было замечено похолодание практически во всех регионах планеты.

Стоит отметить, что неуправляемые побочные эффекты уже нашли свое объяснение. Так, распыление аэрозолей влияет на природный феномен, именуемый арктическим колебанием, что вызывает в некоторых регионах потепления, поскольку похолодание "концентрируется" в других регионах.

При применении таких геоинженерных инструментов в планетарном масштабе затрагивается не только атмосфера, но и вся климатическая система: возникает гигантский и сложнейший эффект домино. Чтобы предсказать и оценить его побочные последствия, необходим огромный труд климатологов, океанографов, геологов, астрономов, биологов, агрономов и др.

Несмотря на свою осторожность, многие климатологи настроены пессимистично относительно эффективности мер по сокращению выбросов парниковых газов. "Даже в Европе не ощущается сильного желания быстро и в широких масштабах разрабатывать альтернативу нефти и углю. Карты на руках у промышленников и политиков. И, если Север не изменит своего отношения к климату, то через несколько десятилетий дело действительно дойдет до использования таких крайних мер", - говорится в тексте материала "Le Monde".