Проблемы охраны климата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

(МИНОБРНАУКИ РОССИИ)

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ТГУ)

Геолого-географический факультет

Кафедра природопользования

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ КЛИМАТА

Кублинская Ирина Викторовна

Руководитель

канд. геогр. наук, доцент

_________ Н. М. Семёнова

подпись

«_____»__________2010 г.

Студентка группы № 02907

_________ И. В. Кублинская

подпись

Томск - 2011

Введение

охрана климат антропогенный изменение

Климат - сложная, интерактивная система, состоящая из атмосферы, гидросферы, криосферы, поверхности суши и биосферы, находящихся во взаимодействии между собой.

Климатическая система изменяется во времени под воздействием собственной внутренней динамики, а также вследствие воздействия внешних факторов. Внешние воздействия включают явления природы (например, извержения вулканов, колебания режима солнечной радиации), а также воздействия, обусловленные антропогенной деятельностью, такие как изменение состава атмосферы и изменение в землепользовании.

Естественный парниковый эффект делает возможной жизнь на Земле. Вместе с тем, деятельность человека, пользование горючими полезными ископаемыми, заготовка древесины значительно усиливает естественный парниковый эффект, вызывая глобальное потепление и неустойчивость климатической системы. Указанные изменения климата приводят и к изменениям в погоде, например, волнам тепла и сильным осадкам.

Моделирование и прогнозирование изменения климата помимо повышения частоты экстремальных явлений (смерчи, ураганы) показывает в средних широтах в перспективе более влажные зимы и засушливое лето.

Вместе с повышением риска засушливости растет риск сильных осадков и наводнений. Интенсивные ливни будут сменяться длительными относительно сухими периодами. Такие изменения, несомненно, приведут к изменению биоразнообразия растительного и животного мира, а также повышению риска в сельскохозяйственном производстве.

Изменение климата влечет и изменения здоровья населения. Все больше людей становятся метеозависимыми. Резкие изменения погоды (влажность, атмосферное давление и другие природные явления) негативно сказываются на здоровье людей.

Таким образом, проблема изменения климата затрагивает не только вопросы изменения концентрации парниковых газов, изменений погоды, но и состояния лесов, биоразнообразия, здоровья населения, иные социальные факторы.

Решение этих проблем можно найти в охране климата. Охрана климата заключается в предотвращении всех возможных изменений атмосферы, поддержании на земле условий, пригодных для жизни. Это, несомненно, актуально в настоящее время.

Итак, целью данной курсовой работы является изучение проблем охраны климата.

В связи с этим можно выделить следующие задачи:

· поиск литературы, изучение, синтез и анализ материала;

· получить представление о климате прошлого;

· изучить естественные и антропогенные причины изменения климата;

· выяснить, какие изменения климата наиболее ярко выражены в настоящее время;

· изучить возможные сценарии развития климата в будущем и связанные с этим риски;

· получить описание направлений деятельности по охране климата, акцентируя внимание на проблемы охраны климата в России;

· подвести итог по проделанной работе.

1. Климат прошлого

На протяжении истории Земли климат значительно изменялся. Были ледниковые периоды, когда средняя глобальная температура была, вероятно, примерно ниже на 5^оС ниже современной, и были периоды значительно более теплые, когда средняя глобальная температура, возможно, была выше современной на 5-10^оС. В отдельных районах такие отклонения температуры от средних климатических условий могли происходить в течение суток, месяца, а иногда и сезона; когда же эти изменения носили глобальный характер, то они вызывали значительные изменения в распределении и видовом составе флоры и фауны [2].

1.1 Дочетвертичное время

По мере отдаления от нашего времени количество сведений о климатических условиях прошлого уменьшается, а трудности интерпретации этих сведений возрастают.

Наиболее надежную информацию о климатах отдаленного прошлого мы имеем из данных о непрерывном существовании на нашей планете живых организмов. Мало вероятно, чтобы они существовали вне пределов узкого интервала температуры, от 0 до 50 С^о, который в наше время ограничивает активную жизнедеятельность большинства животных и растений. На этом основании можно думать, что температура поверхности Земли, нижнего слоя воздуха и верхнего слоя водоемов не выходила из указанных пределов. Фактические колебания средней температуры поверхности Земли за длительные интервалы времени были меньше указанного интервала температур и не превосходили нескольких градусов за десятки млн. лет.

Из этого можно сделать вывод о трудности исследования изменений термического режима Земли в прошлом по эмпирическим данным, так как погрешности определения температуры, как методом анализа изотопного состава, так и другими известными сейчас методами составляют обычно не меньше нескольких градусов.

Другая трудность изучения климатов прошлого обусловлена неясностью положения различных областей по отношению к полюсам в результате движения континентов и возможностью перемещения полюсов.

Климатические условия мезозойской эры и третичного периода характеризировались двумя основными закономерностями:

1. На протяжении этого времени средняя температура воздуха у земной поверхности была значительно выше современной, в особенности в высоких широтах. В соответствии с этим разность температур воздуха между экватором и полюсами была гораздо меньше современной;

2. В течение большей части рассматриваемого времени преобладала тенденция к снижению температуры воздуха, в особенности в высоких широтах.

Эти закономерности объясняются изменением содержания углекислого газа в атмосфере и изменением положения континентов. Более высокая концентрация углекислого газа обеспечивала повышение средней температуры воздуха примерно на 5 градусов по сравнению с современными условиями. Низкий уровень континентов повышал интенсивность меридионального теплообмена в океанах, что увеличивало температуру воздуха в умеренных и высоких широтах.

Повышение уровня континентов уменьшало интенсивность меридионального теплообмена в океанах и приводило к постоянному снижению температуры в умеренных и высоких широтах.

При общей высокой устойчивости термического режима в мезозойское и третичное время, обусловленной отсутствием полярных льдов, в течение сравнительно редко коротких интервалов могли происходить резкие понижения температуры воздуха и верхних слоев водоемов. Эти понижения были обусловлены совпадением во времени ряда вулканических извержений взрывного характера [1].

1.2 Четвертичный период

Характерной чертой последнего (четвертичного) геологического периода была большая изменчивость климатических условий, в особенности в умеренных и высоких широтах. Природные условия этого времени изучены гораздо подробнее по сравнению с более ранними периодами, но, несмотря на наличие многих выдающихся достижений в изучении плейстоцена, ряд важных закономерностей природных процессов этого времени известен еще недостаточно. К их числу относится, в частности, датировка эпох похолоданий, с которыми связаны разрастания ледяных покровов на суше и океанах. В связи с этим оказывается неясным вопрос об общей длительности плейстоцена, характерной чертой которого было развитие крупных оледенений.

Существенное значение для разработки абсолютной хронологии четвертичного периода имеют методы изотопного анализа, к числу которых относятся радиоуглеродный и калиево-аргонный методы. Первый из указанных методов дает более или менее надежные результаты только для последних 40-50 тыс. лет, то есть для заключительной фазы четвертичного периода. Второй метод применим для гораздо более продолжительных интервалов времени. Однако точности результатов его использования заметно меньше, чем радиоуглеродного метода.

Плейстоцену предшествовал длительный процесс похолодания, особенно заметный в умеренных и высоких широтах. Этот процесс ускорился в последнем отделе третичного периода - плиоцене, когда, по-видимому, возникли первые ледяные покровы в полярных зонах северного и южного полушарий.

Из палеографических данных следует, что время образования оледенений в Антарктиде и Арктике составляет не менее нескольких млн. лет. Площадь этих ледяных покровов вначале была сравнительно невелика, однако постепенно возникла тенденция к их распространению в более низкие широты с последующим отсутствием. Время начала систематических колебаний границ ледяных покровов по ряду причин определить трудно. Обычно считают, что перемещения границы льдов начались около 700 тыс. лет тому назад.

Наряду с этим к эпохе активного развития крупных оледенений часто добавляют более длительный интервал времени - эоплейстоцен, в результате чего длительность плейстоцена возрастает до 1,8 - 2 млн. лет.

Общее число оледенений, по-видимому, было довольно значительным, поскольку установленные еще в прошлом веке главные ледниковые эпохи оказались состоящими из ряда более теплых и холодных интервалов времени, причем последние интервалы можно рассматривать как самостоятельные ледниковые эпохи.

Масштабы оледенений различных ледниковых эпох значительно отличались. При этом заслуживает внимания мнение ряда исследователей, что эти масштабы имели тенденцию к возрастанию, то есть что оледенение в конце плейстоцена были крупнее первых четвертичных оледенений.

Лучше всего изучено последнее оледенение, которое происходило несколько десятков тыс. лет назад. В эту эпоху заметно возросла засушливость климата.

Возможно, это объяснялось разным уменьшением испарения с поверхности океанов из-за распространения морских льдов в более низкие широты. В результате понижалась интенсивность влагооборота, и уменьшалось количество осадков на суше, на которые влияло увеличение площади материков вследствие изъятия воды из океанов, израсходованной при образовании материкового, ледяного покрова. Не подлежит сомнению, что в эпоху последнего оледенения произошло громадное расширение зоны вечной мерзлоты. Это оледенение закончилось 10 - 15 тыс. лет тому назад, что обычно считают концом плейстоцена и началом голоцена - эпохи, в течение которой на природные условия начала оказывать влияние деятельность человека [1].

2. Причины изменения климата

2.1 Естественные причины изменения климата

Естественные факторы изменения климата включают смещения орбиты и угла наклона Земли (относительно положения ее оси), изменения солнечной активности, вулканические извержения, изменения количества атмосферных аэрозолей (твердых взвешенных частиц) естественного происхождения [5].

Оценка вклада различных факторов в радиационное воздействие (прогрев атмосферы) показывает, что на 2000 г. по сравнению с 1750 г изменения солнечной радиации усилили прогрев на 0,1-0,5 Вт/м2, изменение количества тропосферного озона -- прогрев на 0,2-0,5 Вт/м². Но, с другой стороны, изменения сульфатных аэрозолей снизили прогрев на 0,2-0,5 Вт/м², а стратосферного озона на 0,05-0,2 Вт/м².

То есть имеется комбинация разнонаправленных факторов, каждый из которых значительно слабее, чем результат роста концентрации в атмосфере парниковых газов, оцениваемый как прогрев на 2,2-2,7 Вт/м² [4].

2.1.1 Вулканические извержения

В результате извержений в атмосферу выбрасываются значительные объемы аэрозолей -- взвешенных частиц, они разносятся тропосферными и стратосферными ветрами и не пропускают часть приходящей солнечной радиации. Однако эти изменения не являются долгосрочными, частицы относительно быстро оседают вниз. Так, крупное извержение вулкана Санторин и в Средиземном море около 1600 г. до н. э., которое, вероятно, привело к падению Минойской империи, значительно охладило атмосферу, что видно по кольцам годового прироста деревьев.

Извержение вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 г. снизило среднюю глобальную температуру на 30 С⁰. В последующий год и в Европе, и в Северной Америке лета "не было", но за несколько лет все исправилось. В результате извержения вулкана Пенатубо в 1991 г. на Филиппинах на высоту 35 км было заброшено столько пепла, что средний уровень солнечной радиации снизился на 2,5 Вт/м², что соответствует глобальному охлаждению по меньшей мере на 0,5-0,70 С⁰. Однако, даже несмотря на это, последнее десятилетие ХХ века стало самым теплым за весь период наблюдений. Заметим, что важна не сила извержения и не количество выброшенного пепла, а то, сколько его было заброшено на большую высоту -- на 10 и более км, -- так как именно это определяет радиационный эффект от извержения [3].

2.1.2 Солнечный цикл и орбита Земли

Интенсивность солнечной радиации меняется, хотя и в относительно небольших пределах. Прямые измерения интенсивности солнечного излучения имеются только за последние 25 лет, но есть косвенные параметры, в частности активность солнечных пятен, что давно используется для оценки интенсивности солнечной радиации. Кроме изменения потока от Солнца, Земля получает разное количество энергии в зависимости от положения ее эллиптической орбиты, которая испытывает колебания.

В течение последнего миллиона лет ледниковые и межледниковые периоды менялись в зависимости от орбиты нашей планеты. Меньшие колебания орбиты наблюдались в последние 10 тысяч лет, и климат стал относительно стабильным. Однако в любом случае колебания орбиты -- явление достаточно долгосрочное, оно принципиально важно в тысячелетнем масштабе времени, в то время как антропогенное воздействие на климат имеет гораздо более короткий временной масштаб [3].

2.2 Антропогенные причины изменения климата

К антропогенным причинам относится, прежде всего, повышение концентрации в атмосфере парниковых газов, в основном CO₂, что вызвало усиление парникового эффекта. Другие причины -- выброс аэрозольных частиц, сведение лесов, урбанизация и т.п [5].

2.2.1 Баланс солнечной и длинноволновой радиации

В целом приходящая солнечная радиация (342 Вт/м²) равна отраженной радиации (107 Вт/м²) плюс исходящей от Земли длинноволновой радиации (235 Вт/м²).

По порядку величины нарушение, вызванное антропогенной деятельностью, составляет менее 3 Вт/м2 или менее 1% от общего баланса. Из представленной ниже диаграммы (Рисунок 1) видно, что на радиационные потоки большое влияние может оказывать антропогенное изменение подстилающей поверхности, изменение альбедо из-за сведения лесов, таяния снежного покрова и т.п [3].

Рисунок 1 - Диаграмма «Радиационные потоки» [3].

2.2.2 Рост концентрации в атмосфере парниковых газов

Концентрации парниковых газов (углекислого газа, метана, закиси азота) возрастали в течении ХХ века, и сейчас этот рост продолжается с все большей скоростью. Концентрации CO₂ возросли с 280 частей на миллион в 1750 г. до 370. Считается, что в 2100 г. концентрация CO₂ будет находиться в пределах от 540 до 970 частей на миллион, в основном в зависимости от того, как будет развиваться мировая энергетика.

Парниковые газы характеризуются большим сроком нахождения в атмосфере. Половина всех выбросов CO₂ остается в атмосфере 50-200 лет, в то время как вторая половина поглощается Океаном, сушей и растительностью. При этом основная роль принадлежит океану, по некоторым оценкам, примерно 80% поглощения CO₂ и производства кислорода приходится на фитопланктон [3].

Парниковый эффект от разных газов можно привести к общему знаменателю, выражающему то, насколько 1 тонна того или иного газа дает больший эффект, чем 1 тонна CO₂. Для метана переводной коэффициент равен 21, для закиси азота 310, а для некоторых фторсодержащих газов несколько тысяч. Однако, хотя концентрации метана и выросли примерно в 2,5 раза, это намного меньше, чем эффект от изменения концентрации CO₂.

Оценки показывают, что именно с CO₂ связано примерно 80% антропогенного парникового эффекта, в то время как метан дает 18-19%, а все остальные газы 1-2%. Поэтому во многих случаях, говоря об антропогенном парниковом эффекте, подразумевают именно CO₂.

Заметим, что в парниковый эффект в целом вклад еще больший, чем CO₂, вносит водяной пар -- главный парниковый газ планеты. Однако изменений его концентрации в атмосфере пока не зарегистрировано (ни антропогенных, ни естественных), поэтому о нем обычно умалчивают, хотя в принципе можно представить себе влияние человека на водяной пар, например -- при сильном изменении процессов испарения на очень большой территории.

Парниковые газы достаточно долго "живут" в атмосфере и хорошо там перемешиваются. В результате парниковый эффект не зависит от места конкретного выброса CO₂ или иного газа. Фактически любой локальный выброс оказывает только глобальное действие, и уже глобальный эффект порождает вторичные эффекты, которые сказываются на климате того или иного конкретного места [6].

2.2.3 Аэрозоли

Аэрозоли -- мелкие частицы размером в несколько десятых долей микрона, которые находятся в атмосфере во взвешенном состоянии. Они образуются в результате химических реакций между газообразными загрязняющими веществами, от лесных пожаров, сельскохозяйственной деятельности, от выбросов предприятий и транспорта. Аэрозоли делают нижние слои тропосферы (до 10 км) более мутными и рассеивают свет, что понижает температуру приземного слоя атмосферы. Кроме того, аэрозоли усиливают облачный покров, что также приводит к охлаждению. Обычно аэрозоли находятся в атмосфере недолго: при наличии осадков, например, около недели. Поэтому действие аэрозолей достаточно локально [3].

2.2.4 Изменения в землепользовании и урбанизация

За последние 150-250 лет из-за изменений в землепользовании значительно сократилось количество биомассы и почвенного углерода, а значит, и запас углерода в наземных 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 повлияло как на местный климат, так и внесло свой отрицательный вклад в глобальные процессы. Для многих территорий угроза опустынивания, связанная с локальными явлениями (вырубка лесов, истощение запасов подземных вод, чрезмерный выпас скота и т.п.), усиливается последствиями глобального изменения климата (например, большей частотой засух, ливневым характером выпадающих осадков).

Способствовала изменению климата и урбанизация. Сейчас в городах живет примерно половина населения планеты. Город с населением в 1 миллион человек в день производит 25 тыс. тонн CO₂ и 300 тыс. тонн сточных вод. Кроме этого в больших городах температура выше на несколько градусов из-за большого количества "горячих" объектов -- зданий, машин, и т.п. В развитых странах, находящихся в теплом климате, на кондиционирование воздуха расходуется больше энергии, чем на отопление. То есть борьба с потеплением с помощью кондиционеров приводит к еще большему потеплению [3].

3. Изменение климата

Последствия повышения концентрации парниковых газов в атмосфере для планетарных систем понимается лучше благодаря вниманию, которое уделяется региональным проявлениям такого воздействия, а также результатам международного мониторинга. Особую обеспокоенность вызывают влияние таяния льда на повышение уровня моря, значимость повышения кислотности океана для морских экосистем и риски для глобального сельского хозяйства и водоснабжения, связанные с расширением тропического пояса [2].

3.1 Изменение температуры воздуха

Средняя мировая температура воздуха у поверхности Земли по-прежнему имеет долгосрочную тенденцию к повышению (Рисунок 2). С начала регистрации температуры с использованием измерительных приборов в середине XIX века 2000-2009 годы стали самым теплым десятилетием. По данным исследований Института космических исследований им. Годдарда, самым теплым годом пока официально считается 2005 г. Второе место занимает 2007 г. Самым холодным годом десятилетия был 2008 г., но при этом 2008 год является девятым самым теплым зарегистрированным годом. Похолодание в 2009 году объясняется ослаблением воздействия Ла-Нинья при расширении Эль-Ниньо в восточной части Тихого океана [8].

Рисунок 2 - Глобальное изменение температуры нижнего слоя атмосферы [8]. Примечание. Среднегодовая температура нижнего слоя атмосферы выросла в период с 1951 по 1980 года.

3.2 Таяние льдов

Повышение температуры мирового океана приводит к термальному расширению его объема (Рисунок 3). Последние оценки позволяют предположить, что термальное расширение верхнего океанического слоя толщиной 700 метров является причиной повышения уровня моря примерно на 0,52 миллиметра (мм) в год в период между 1961 и 2003 годом, что составляет 2,1 сантиметра (см) в течение этого 42-летнего периода [8].

Рисунок 3 - Изменение температуры, уровня океана и снежного покрова [8].

Другим процессом, приводящим к повышению уровня Мирового океана, является приток воды за счет таяния льда. Таяние ледников и ледяных шапок, а также обширного ледникового покрова Гренландии и Антарктики приведет к повышению уровня моря, в случае если водные массы попадут в океан в виде талой воды или айсбергов. Сход льда с суши в океан может происходить в результате таяния ледников и ледниковых покровов в результате прямого воздействия температуры. Лед может также попадать в океан из-за изменения характера и темпов движения ледников и ледникового покрова, в результате которого лед сходит прямо в океан в виде айсбергов. Движение ледников и ледового покрова может привести к быстрому подъему уровня моря, поскольку ускорение движения ледников и облом айсбергов не зависят линейно от повышения температуры. Изменение климата может привести к внезапному и необратимому ускорению разрушения ледников и, как следствие, сбросу айсбергов в океан.

Геологические данные говорят о том, что динамические изменения ледникового покрова в прошлом были причиной значительного повышения уровня моря. Большинство исследований динамических изменений, в том числе ускоренного сброса айсбергов, ведется в отношении ледников и ледниковых шапок. Однако в последние годы исследования динамики ледникового покрова, ледников и ледяных шапок стали гораздо более интенсивными.

Понимание механизмов и контроль влияния быстрых динамических изменений ледников, ледяных шапок и ледяных покровов на повышение уровня моря является одной из самых важных целей гляциологии и исследований колебаний уровня моря.

В настоящее время оценки на мировом уровне показывают, что таяние льдов приводит к подъему уровня моря на 1,8-2,0 мм в год. Доля талой ледниковой воды может возрасти, в случае если отделится береговой гребень сокращающихся шельфовых и приливных ледников или произойдет крупномасштабный обвал легко повреждаемых частей ледяных покровов [8].

3.3 Трансформации арктических льдов

В последние 10 лет ледовый покров Северного Ледовитого океана существенно уменьшился. Минимальная площадь ледового покрова была зарегистрирована в 2007 г., а минимальный объем - в 2008 г. В 2009 году была зарегистрирована третья в списке минимальных значений площадь ледового покрова океана. Произошло медленное восстановление. В отдельные дни ноября 2009 года площадь ледяного покрова была минимальной для соответствующей даты за всю историю наблюдений.

Природа ледового покрова Арктики значительно изменилась за последние несколько десятилетий. Морской лед стал более тонким и более подверженным быстрому таянию, при этом доля одно- и двухлетнего льда растет. В 1987 году возраст 57% льда Арктики составлял 5 лет и более, а возраст не менее 14% льда составлял 9 и более лет. К 2007 году только 7% льда имело возраст пять и более лет, а льда с возрастом более 9 лет не существовало.

Поскольку теплый и влажный воздух попадает в субарктические погодные системы, истончение и повышение повреждаемости арктического морского льда будет иметь сильное влияние на глобальную климатическую систему.

Поскольку более новый и более тонкий лед тает быстрее, всё большие площади открытой воды подвергаются воздействию солнечной радиации в более раннее время года и нагреваются в течение более длительного периода. Более интенсивный перенос тепла из океана в атмосферу, морской эффект, как предполагается, содействует установлению умеренно холодной температуры в осеннее и зимнее время. По мере схода льда с береговых линий, ветры над открытой водой увеличивают силу, создавая более высокие волны и увеличивая эрозию берега (Рисунок 4) [8].

Рисунок 3 - Протяженность арктических льдов в 2002-2009 гг [8].

Примечание. Площадь морского льда рассчитывалась как сумма площадей ледовых покровов океана на участках, где отношение воды и льда превышало 15%. В 2009 году она достигала максимального значения весной, и оно составляло 14,41 миллионов км², то есть примерно 9,67% площади поверхности Земли. Площадь морского льда обычно достигает минимального значения в сентябре. Минимальное значение по состоянию на сентябрь 2009 года составляло 5,36 миллионов км².

Значительные изменения в последние годы наблюдаются в поведении циклонов и в атмосферной циркуляции над Арктикой. Новые исследования свидетельствуют о том, что изменения связаны с изменчивостью сентябрьского ледяного покрова. Это подтверждает предположения, что сокращение и истончение арктического льда делает этот регион восприимчивым к будущей аномальной циклонической активности и атмосферному воздействию.

На погоду в более низких широтах могут влиять эти изменения в высоких широтах Арктического бассейна. Объединив спутниковые измерения площади морского льда с обычными атмосферными наблюдениями, исследователи пришли к выводу, что изменчивость летнего льда связана с крупномасштабными атмосферными процессами в осенне-зимние периоды, происходящими значительно ниже Северного полярного круга. Такими процессами могут являться потепление и дестабилизация нижней тропосферы, увеличение облачности и уменьшение градиента толщины льда по направлению к полюсу, которое приводит к ослаблению полярных струйных течений. Быстрое отступление арктического морского льда может ускорить потепление до внутренних областей на расстояние до 1500 км от берега, затрагивающее значительную часть Гренландии, Скандинавии, России, Аляски и Канады. При быстром отступлении льда потепление внутренних областей может иметь драматические последствия для экосистем и больших групп населения, зависящих от этих экосистем.

Беспокойство вызывают последствия постоянного потепления климата в Арктике и субарктических наземных экосистем, а также связанные с ними процессы. Выбросы CO₂, CH₄, и, в последнее время, N₂O в этих областях в последние десятилетия значительно возросли. В почве арктических зон вечной мерзлоты содержится огромное количество углерода. Вместе с северными приполярными районами эти экосистемы, по оценкам специалистов, содержат в два раза больше углерода, чем в настоящее время содержится в атмосфере в виде CO₂. Потепление в Арктике уже привело к увеличению выбросов CO₂ и CH₄, что предполагает возможно уже начавшиеся ответные процессы. Собранные фактические данные показывают, что начались процессы дегазации подводных месторождений метана в Северной Атлантике.

Большая часть углерода высвобождается при оттаивании почв в результате разложения органических веществ -- останков растений, животных и микробов, которые накапливались тысячелетиями. Эти органические вещества сохранились в относительно устойчивом состоянии благодаря низким температурам вечной мерзлоты, в которой они находятся. По мере оттаивания вечной мерзлоты образуется термокарст, земля оседает, и на поверхности появляются новые озера или увеличиваются существующие, образуются заболоченные участки и кратеры. Как правило, оттаивающие участки и возвышенности с хорошим дренажом и с наличием кислорода, являются типичными источниками выбросов CO₂. В заболоченных районах и озерах, где анаэробные микроорганизмы разлагают органические вещества, основное вещество выбросов - метан. Выбросы углерода из арктических наземных экосистем увеличиваются в более теплые сезоны и с ростом температур. Потепление также ведет к расширению и активизации роста растений, что увеличивает потребление диоксида углерода. Влияние выбросов в Арктике будет определяться взаимодействием этих климатически обусловленных процессов на состояние суши и моря [8].

3.4 Повышение кислотности океанов

Выбросы в результате использования ископаемых видов топлива увеличились на 29 процентов в период между 2000 и 2008 годом. Очень важным последствием высоких концентраций CO₂ в атмосфере является повышение кислотности Мирового океана. Поскольку антропогенные выбросы углекислого газа начали увеличиваться, Мировой океан действует как углеродная воронка, поглощая свыше 450 миллиардов тонн CO₂ из атмосферы, что составляет около одной трети всех выбросов углерода, начиная с 1750 года. При поглощении CO₂ морской водой происходят химические изменения, снижающие уровень pH морской воды и концентрацию ионов карбонатов. Этот процесс называется повышением кислотности океана. Повышение кислотности воздействует на кораллы и ракообразных, обитающих в верхних слоях океанской воды. Снижение количества ионов карбонатов делает структуры карбоната кальция (CaCO₃) подверженными растворению. Сокращается ареал обитания океанических организмов, использующих карбонат кальция для формирования раковин и скелетов -- морских накопителей кальция. По прогнозам, к 2070 году в результате коррозионного подкисления исчезнет вода, пригодная для роста кораллов.

Процессы смешивания слоев океанической воды и распределения CO₂ по различным слоям еще не до конца понятен. Величина поглощения CO₂ океанами в будущем не определена, и окисление может идти даже быстрее, чем прогнозируется. Остаются нерешенными важные вопросы о том, какое максимальное количество CO₂ может поглощаться океаном. Несмотря на обычные сезонные всплески окисления, общее количество поглощения CO₂, обусловленного антропогенными факторами, в зоне влияния увеличивается. Количество воды, которая может разъедать арагонит, являющийся самой мягкой разновидностью соединения карбоната калия CaCO₃, значительно увеличивается в летнее время на обширных территориях североамериканского континентального шельфа. Исследователи предполагают, что к 2020 году коррозионная вода будет обнаружена в некоторых полярных и приполярных районах.

Непрерывно продолжающееся повышение кислотности океана может причинить вред целому ряду морских организмов и пищевым цепочкам, которые от них зависят, что, в конечном счете, приведет к постепенной деградации всей морской экосистемы. Лабораторные исследования показывают, что моллюски, в том числе представляющие коммерческую ценность, например, мидии и устрицы, и в особенности их молодняк, наиболее чувствительны к этим изменениям. Те общества, экономика которых зависит от морских организмов-накопителей кальция, в ближайшие несколько десятилетий могут понести серьезные финансовые потери, вплоть до социальных потрясений.

Общее воздействие повышения кислотности мирового океана на морскую среду будет зависеть от реакции экосистемы. Даже если морские организмы - накопители кальция сохранят способность к строительству раковин и скелетов в условиях роста поглощения CO₂, им может понадобиться на это больше энергии, что отрицательно скажется на их выживаемости и темпах воспроизводства. Уменьшение количества планктона, молодняка ракообразных и других организмов, находящихся в начале морских пищевых цепочек, приведет к уменьшению улова экономически важных хищных видов. В то же время изменение кислотности будет наносить вред кораллам, препятствовать их ветвлению и росту, что разрушит морскую среду, в которой происходит питание и воспроизводство морских организмов.

В некоторых случаях нарушение роста кораллов приводит к экологическим сдвигам, приводящим к быстрому росту водорослей и снижению видового разнообразия, создавая новые состояния экосистем, которые являются устойчивыми, но в которых наблюдается доминирование травоядных и менее ценных с коммерческой точки зрения видов. Повышение кислотности океана, согласно наблюдениям, является причиной сходных экологических отклонений, которые касаются как кораллов и других накопителей кальция, так и морской травы и водорослей, произрастающих в сообществах с уменьшающимся уровнем pH.

Изначально обеспокоенность повышением кислотности океана была сконцентрирована на сокращении кальцификации коралловых рифов и других известковых организмов, однако появляются и другие проблемы. Повышение концентрации растворенного CO₂ может оказывать физиологическое воздействие на морских животных, ухудшая условия их жизнедеятельности и требуя от них дополнительных затрат энергии, которая в ином случае расходовалась бы на их двигательную активность, охоту, размножение или борьбу с другими внешними вредными воздействиями, такими как потепление океана и снижение концентрации кислорода.

Чтобы определить оптимальные методы воздействия на эти изменения, необходимо лучше понять, в какой степени повышение кислотности океана влияет на критические физиологические процессы или процессы развития. Эти процессы являются движущей силой кальцификации, построения структуры экосистем и их функционирования, биологического разнообразия, и, в конечном счете, здоровья экосистем. Необходимо незамедлительно провести исследования синергетических эффектов повышения уровня кислотности океана и других антропогенных экологических изменений морских пищевых цепочек, а также потенциальных трансформационных последствий, которые могут возникнуть в морских экосистемах из-за этих изменений [8].

3.5 Расширение тропиков и региональная изменчивость

Прямые наблюдения и моделирование показывают, что с 70-х гг. тропический пояс, который неравномерно опоясывает экваториальное регионы, расширяется. Данные, основанные на наблюдениях, выявили, что за последние сорок-пятьдесят лет произошло расширение тропических зон, составляющее приблизительно 1 градус широты (около 110 км) каждые 10 лет. Расширение тропического пояса в планетарном масштабе вызывает смещение систем ветров и распределение давления в атмосфере в сторону полюсов. Это явление объясняется повышением уровня радиационного воздействия. Связанные с этим тенденции, которые являются важными индикаторами изменения климата, могут оказать значительное влияние на экосистемы и общество. Эти тенденции будут оказывать влияние на климатические режимы, которые традиционно характеризуют широтные полосы, с изменением внутритропической зоны конвергенции и сдвигом субтропических и умеренных зон. Наблюдаемые темпы роста за последние десять лет уже превысили данные прогнозируемой климатической модели на весь XXI век.

Расширение тропиков будет оказывать каскадный эффект, не только на крупномасштабные циркуляционные системы, но и на характер атмосферных осадков, который определяет типы экосистем, на продуктивность сельского хозяйства и доступность водных ресурсов для бытовых и промышленных целей. Расширение тропической зоны ведет к смещению субтропических зон, где расположена большая часть пустынь, к полюсам, в более высокие широты. Это смещение может происходить уже в настоящее время.

Во многих частях мира уже ощущается нехватка воды. Помимо интенсивного развития сельского хозяйства и роста городов, этот дефицит будет усугубляться ожидаемыми изменениями в характере температурных режимов и атмосферных осадков, вызванными глобальными изменениями климата. Во многих тропических регионах более 90 процентов населения работают в сельском хозяйстве. Поскольку вода играет главную роль в ведении сельского хозяйства в тропиках, климатические изменения могут стать причиной экономической нестабильности в таких регионах. Таким образом, из-за усиливающейся засухи могут произойти крупномасштабные миграции людей, что приведет к перенаселенности, вспышкам насилия, росту числа заболеваний и повышению уровня потребления ресурсов в соседних регионах. Нехватка воды, с которой сталкивается население по всему миру, создает серьезные проблемы для продовольственной безопасности. На юго-востоке Австралии наблюдается дефицит воды на протяжении почти десяти лет. В юго-западной части Северной Америки, возможно, уже преодолена черта, отделяющая спорадическую нехватку воды от постоянно засушливого климата.

По прогнозам, в ближайшие годы будут страдать от затяжной засухи и нехватки воды другие регионы, такие как Южная и Северная Африка, Средиземноморье, большая часть Западной Азии, а также широкая полоса, проходящая через Центральную Азию и Индийский субконтинент. Это распределение аналогично тому, которое наблюдается в настоящее время для регионов, ощущающих нехватку воды [8].

3.5.1 Юго-западная часть Северной Америки

Для юго-западной части Северной Америки прогноз, сделанный с использованием модели и предсказывающий усиление засухи и длительный сухой климат, становится реальностью. Некоторые исследователи полагают, что переход к более засушливому климату, возможно, происходит уже сейчас. Вероятно, для этого региона новым климатом переходного периода станет постоянная засуха.

В отличие от многолетней засухи в западной части Северной Америки, которая имела место в 50-е гг., и которая объяснялась изменениями температуры поверхности моря или влиянием Ла-Нинья, новая прогнозируемая интенсивная засуха будет обусловлена увеличением несовпадения крупномасштабных режимов распределения влажного воздуха и другими изменениями атмосферной циркуляции, связанными с распространением сухой субтропической зоны в сторону полюса. Увеличение засушливости субтропических зон, которое будет происходить в XXI веке, очевидно, будет беспрецедентным в истории наблюдений с использованием приборов. Случаи жесточайшей засухи будут регулярно происходить во время непрекращающихся процессов Ла-Нинья, но последствия будут еще более тяжкими, чем нынешние экстремальные проявления Ла-Нинья, поскольку условия Ла-Нинья будут накладываться на уже существующий сухой климат [8].

3.5.2 Средиземноморье

Новые исследования свидетельствуют о том, что к концу XXI века в Средиземноморском регионе будут иметь место более серьезные засухи, чем предполагалось ранее. Весь регион в целом, а особенно юг Средиземноморья, пострадает от растущей нехватки воды и опустынивания. Используя технологии прогнозирования высочайшей достоверности, исследователи говорят о существенном расширении засушливых и полузасушливых режимов в регионе в северном направлении (Рисунок 5). Это предполагает соответствующее отступление умеренных океанических и континентальных климатических режимов и вероятное смещение растительного покрова с серьезными последствиями для сельского хозяйства [8]

Рисунок 5 - Сценарии изменения уровня осадков в средиземноморье [8].

На модели, с использованием экстраполяции наблюдений тепловой нагрузки в течение рекордной по своей силе тепловой волны 2003 года, было предсказано суровое воздействие более высоких температур на человеческую популяцию в этом регионе. Особенности местного ландшафта и топографии будут влиять на изменения микроклимата. Однако, вероятность возникновения условий, которые в настоящее время считаются экстремально высокими температурами, может к концу века возрасти на 200-500 процентов [8].

3.5.3 Амазония

Экосистемы Амазонии подвергаются двойной угрозе вырубки леса и климатических изменений. Несмотря на то, что наиболее заметной является угроза вырубки лесов, широко распространена обеспокоенность влиянием климатических изменений, в особенности засухи. Климатические изменения в экосистеме лесов Амазонки, вероятно, объясняются низким уровнем осадков на протяжении и без того сухих сезонов. Особенно уязвимыми являются склоны Анд. Прилегая к самым биологически разнообразным низинам Амазонки, склоны Анд имеют многочисленные защищенные влажные участки в сухих районах. Влажный тропический лес Анд на высоте от 1500 до 3000 м над уровнем моря, будет подвергаться осушению по мере подъема уровня облаков из-за увеличения температуры воздуха. Эндемичные виды на больших высотах над уровнем моря будут подвергаться опасности, поскольку уровень расположения облаков может повышаться быстрее, чем эти эндемичные виды могут реагировать на такое повышение, или слой облаков может исчезнуть полностью.

Наблюдения позволяют предположить, что леса бассейна Амазонки на нижних участках склонов также подвержены усилению засухи. Ущерб, наносимый этим лесам, может потенциально привести к большим потерям углерода, создавая положительную обратную связь с изменением климата. По мнению некоторых исследователей, исключительный рост атмосферной концентрации CO₂ в глобальном масштабе в 2005 году может объясняться отчасти вымиранием Амазонки, последовавшим за региональной засухой.

Недавние исследования показали, как изменение климата может ускорять гибель тропических лесов Амазонки. Полученные данные свидетельствуют, что, вероятнее всего, этот регион будет покрыт сезонным тропическим лесом, нежели станет саванной. Несмотря на то, что сезонный лес может справиться с засухой, он может быть уязвимым к недостатку воды, вызванному повышением температуры. Это делает лес подверженным возникновению пожаров, которые в настоящее время пока еще являются редким явлением для большей части Амазонии. Увеличение вырубки лесов, лесозаготовки и измельчение древесины способствуют возникновению пожаров, которые могут привести к появлению лесов с высокой вероятностью пожаров и низким содержанием биомассы.

Потенциальные издержки и преимущества сохранения здоровья и увеличения площади углеродной воронки в Амазонии являются важным вопросом. Ежегодное увеличение биомассы лесов Амазонки всего на 0,4%, по грубым расчетам, поможет нейтрализовать все выбросы Западной Европы, связанные с использованием ископаемого топлива. Переход от умеренного стока углерода к равномерному или нейтральному состоянию или к умеренному выбросу углерода будет иметь значительные последствия для увеличения концентрации CO₂ в атмосфере. Средний рост уровня древостоя составляет около 2,0 % в год, а гибель - 1,6%; поэтому небольшое снижение роста или небольшое увеличение гибели могут привести к прекращению поглощения углерода [8].

3.5.4 Заболоченные земли и торфяники

Заболоченные земли занимают около 6% поверхности планеты. Они включают в себя приливно-отливные марши, эстуарии, прибрежные лагуны, внутриматериковые дельты и озера, оазисы, тундру и торфяники. Глубина воды на заболоченных землях, как правило, невелика, и легко испаряется. Заболоченные земли являются особенно уязвимыми к изменению климатических условий, которое ведет к повышению засушливости. Торфяники - разновидность заболоченных земель, которая включает в себя торфяные болота, топи, трясины, лесные торфяные болота и вечномерзлые почвы тундры - имеют толстый слой почвы, состоящей из органического вещества, которое характеризуется содержанием углерода в нем. В торфяниках всего мира содержится около 30% всех наземных запасов углерода.

Торфяники образуются за счет накопления отмершей растительности в течение сотен тысяч лет. При осушении торфяников органическое вещество разлагается, и часть углерода попадает в атмосферу в виде CO₂.

Заросшие лесом тропические торфяники Юго-Восточной Азии содержат почти 3% мировых запасов углерода в почве. Человеческая деятельность и климатические изменения по-прежнему ставят под угрозу стабильность этой важной углеродной воронки, площадь которой резко сократилась в последние десятилетия вследствие вырубки леса, осушения болот и пожаров. С 1985 года было вырублено почти 47% леса на торфяниках Юго-Восточной Азии. Большинство этих торфяников к 2006 году было осушено. Ирония состоит в том, что углеродные воронки этого региона были разрушены в целях производства биотоплива. По последним оценкам около 1,3-3,1 % общемировых выбросов CO₂ происходит при разложении осушенных торфяников Юго-Восточной Азии. В текущем столетии эти районы могут стать более засушливым, что повлияет на запасы углерода в оставшихся торфяниках и на глубину тех торфяников, которые были частично осушены [8].

3.5.5 Горные районы

По мере изменения климата изменяется зона обитания, при этом растения и животные мигрируют вглубь суши и в более высокую местность. Эта тенденция уже наблюдается для некоторых видов. Поскольку эти виды приспосабливаются к большим высотам, они могут быть классифицированы как неместные или даже инвазивные виды. Свойства, которые обеспечивают преимущества адаптации в условиях изменения климата, аналогичны тем, которые характерны для сорняков и инвазивных видов.

Обычно в низменных районах, где в основном проводились соответствующие исследования, биологические инвазии были признаны основным движущим фактором утраты биологического разнообразия и изменения функционирования экосистем. Высокогорные зоны, напротив, менее подвержены инвазиям, что, как предполагается, обусловлено более суровыми климатическими условиями и сравнительно низкой плотностью населения. Между тем, недавние оценки показывают, что более тысячи неместных видов по всему миру обосновались в естественных зонах с большой высотой над уровнем моря. Многие из них нельзя считать инвазивными, но некоторые из них могут наносить вред местным горным экосистемам.

Были документально зафиксированы быстрые и значительные изменения в распределении растений на больших высотах, подтверждающие сильную корреляцию между наблюдаемыми изменениями в границах распространения этих видов растений и региональными климатическими условиями. Сравнивая результаты исследований растительного покрова, проведенных в период с 1977 по 2007 год вдоль 16-километрового сектора, который достигает высоты 2314 метров над уровнем моря в горах Санта- Роза в Калифорнии, исследователи обнаружили, что средняя высота доминирующих видов растений сместилась вверх на 65 метров в течение 30 лет. В тот же период в Южной Калифорнии наблюдалось потепление поверхности, повышенная изменчивость осадков и снижение толщины снежного покрова. Перемещение видов вверх было одинаковым по всей высоте, что дает возможность предположить, что растительность реагировала на равномерное распределение причинного фактора. Смещение растительности также частично произошло по причине гибели растений в течение двух различных периодов засухи. Используя эти две категории доказательств, исследователи объясняют такие изменения в характере распространения растительности климатическими изменениями, а не загрязнением воздуха или пожарами.

Еще одно недавнее исследование, проведенное в умеренной и средиземноморской зоне горных лесов Западной Европы, свидетельствует об аналогичном смещении вверх видов лесных растений. Исследователи сравнили высотное распределение 171 вида растений на высотах от 0 до 2600 метров над уровнем моря. Результаты свидетельствуют о значительном смещении оптимальной высоты произрастания видов в течение XX века вверх со скоростью от 29 метров в десятилетие. По мере перемещения экосистем местные виды могут приспосабливаться таким образом, что эффект становится сходным с поведением инвазивных видов.

В частности, среди насекомых изменение условий может обеспечить преимущества, которые нарушают взаимоотношения в экосистеме, развивавшиеся в течение тысячелетий. Многие насекомые в умеренных зонах не живут, а скорее выживают при температурах, подавляющих их метаболические способности. При повышении температуры увеличивается длительность репродуктивного сезона и увеличивается интенсивность размножения, что приводит к увеличению популяции. В северо-западной части Северной Америки жуки-короеды, являющиеся вредителями гонных сосен, опустошают леса США и Канады уже почти в течение десятилетия. Активность популяции сохраняется, поскольку зимы стали более теплыми, с редкими случаями сильных заморозков, что влечет за собой более высокий уровень выживаемости личинок жуков и, как следствие, увеличение количества самих жуков, выводящихся весной. Более долгие летние периоды обеспечивают ежегодное увеличение рождаемости, популяции большего размера переживают более теплые зимы лучше и дают большее потомство, которое ослабляет деревья. Поврежденный лес утрачивает способность поддерживать уровень грунтовых вод и предотвращать эрозию почвы. В последнее время леса стали не поглощать, а выделять углерод, поскольку большее количество деревьев поражается вредителями и разлагается [8].

4. Климат будущего

4.1 Предсказуемость и моделирование

Климатическая система Земли содержит в себе элементы, зависящие от случайных величин (в статистическом смысле этого термина), поэтому подробный прогноз погоды в среднем возможен только на срок до двух недель. Однако сами процессы циркуляции атмосферы и океана уже удается довольно детально описывать с помощью математических моделей. Они основываются на физических законах и явлениях, все из них, включая и парниковый эффект, имеют достаточно строгое описание с точки зрения физики атмосферы и океана. Уравнения, описывающие эти законы, совместно решаются на пространственной сетке земной атмосферы и океана. В последние 25 лет для развития таких моделей было предпринято множество усилий и достигнут большой прогресс, кардинально изменилась компьютерная техника. В результате модели умеют воспроизводить динамику атмосферы и океана, облака и осадки, образование и таяние снежного покрова и морских льдов. Таким образом, можно смоделировать средний климат или набор его наиболее вероятных состояний на тот или иной год при определенных входных параметрах. В число входных параметров, конечно, входят и концентрация в атмосфере парниковых газов, и ряд естественных факторов, в частности вулканическая деятельность.

В результате с помощью моделей ученые способны неплохо описать ход изменения климата с доиндустриальной эпохи и до наших дней, более того, модели позволяют "расщепить" естественные и антропогенные факторы. Расчеты с учетом только естественных причин и только антропогенных причин показали, что наилучшая точность достигается только при учете всех факторов, но что в целом именно антропогенные факторы вносят главный вклад в изменение климата начиная примерно с 1960 г. Если взять только естественные причины, то с 70-х годов ХХ века модельные кривые кардинально отличаются от данных наблюдений. Если же взять только антропогенные причины, то модельные кривые лезут вверх почти так же, как и данные наблюдений [6].