Устойчивое развитие и проблемы изменения глобального климата Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Устойчивое развитие и проблемы изменения глобального климата Земли

температура земля катастрофа климат

Методы измерения температуры Земли

Самые ранние измерения температуры были собраны и обобщены немецким метеорологом Генрихом Вильгельмом Дове. Эти данные представляют научный интерес, но имеют ограниченное значение, т.к. они не охватывают внутренние области Азии, Южной Америки и Австралии. Другой энтузиаст науки, капитан ВМС США Мэтью Маури, впервые в 1830-1840 гг. начал измерение температур на море и предложил методику их стандартизации. С 1850 г. национальные службы стали согласованно собирать и сохранять данные наблюдений наземных температур. В 1853 г. в Брюсселе было подписано международное соглашение по проведению измерений, а также сбору и обмену наземными и морскими метеорологическими данными. Метеорологическая сеть стала быстро расти и через сто лет к концу 1950 г. стала всемирной, распространившись и на Антарктиду. Однако эти измерения выполнялись не всегда по одинаковым методиками, и их трудно, а иногда и невозможно было сопоставлять. Например, измерения температуры на метеостанциях существенно зависят насколько близко они расположены от большого города, от рельефа местности; морские измерения сильно зависят от высоты палубы корабля, методики измерений т т.д.

В 1980-1990 гг. группа американских и английских ученых под руководством Ф.Д. Джоунса и Т.М. Уигли провела фундаментальное исследование [2,3]. Они собрали и проанализировали все существующие архивные данные наблюдений температуры с 1850 г. по 1990 г. В результате получилась база данных, содержащая 1584 метеостанции в Северном полушарии (из 2666 первоначальных) и 293 в Южном (из 610). По данным этих станций были рассчитаны средние значения температур в регионах, полушариях и глобальные температуры (по годам) для всей Земли. Следует отметить, что средние значения температур по полушарию для суши и для моря даже в масштабах времени, равным одному году, сильно коррелируют друг с другом, а для более длинных периодов полностью совпали. Из проделанной работы следовало два вывода: 1) глобальный климат существенно меняется от года к году, 2) с начала ХХ-го столетия до 1990 г. климат на Земле потеплел на 0,5^oC.

Какова точность полученных данных? Авторы данной работы считали, что средние температуры за 10-летние периоды определены с погрешностью не более 0,1^oC. Причем наиболее надежные данные по температурам приходятся на 1950-1979 гг., так называемый «эталонный период». Исследования Джоунса и Уигли многократно проверялись [4-11] В некоторых работах (например, [7]) даются более осторожные оценки, только 0,3 - 0,6^oC за последние 150 лет. Однако, согласно последнему отчету IPCC, 2001 [12], в котором тщательно проанализированы все данные, убедительно показано, что глобальная температура выросла за последние 100 лет на 0,6^oC, что подтверждает выводы Джоунса и Уигли. Небольшие количественные расхождения (0,1^oС) не имеют принципиального значения. Важно то, что последние 100 лет характеризуются глобальным потеплением.

С 1979 г. к измерениям температур, проводимым национальными метеослужбами, объединенными в Мировую службу погоды, подключились спутниковые измерения, проводящие регулярное сканирование температуры по всей поверхности земного шара, включая 70% поверхности океанов. Наконец, в последние десятилетия были разработаны методы, позволяющие (по соотношению изотопов О₁₆ и О₁₈ в кернах льдов Антарктики и Гренландии, по анализу осадочных океанических пород, по осадочным отложениям рек и т.д.) восстановить данные по глобальной температуре на десятки тысяч лет в прошлом, используя для калибровки температуру «эталонного периода» 1950-1979 гг.

В 1940 г. это потепление снова сменилось кратковременным похолоданием. Но с 1979 г. начался драматический рост глобальной температуры. Этот эффект зарегистрирован не только инструментально по данным Мировой службы погоды, но подтверждается самым очевидным образом по уменьшению толщины льдов Северного Ледовитого океана на 40% за последние 50 лет [13]. Быстро истощаются и огромные ледники в Антарктиде. Так, по данным А. Шеферд [14], исследователя Центра полярных наблюдений и моделирования в Колледже Лондонского университета, ледники PineIsland, Thwaites, Smith (Западно-Антарктический ледниковый пояс) потеряли более чем 40, 40 и 70 км³ льда, соответственно, за время между 1991 и 2001 гг. Если скорость таяния ледников сохранится, то все эти три ледника исчезнут через 550, 1500 и 150 лет, соответственно.

Причины изменения глобального климата

На сегодняшний день достоверно установлено, что климат Земли никогда не был постоянным. Причем эти изменения в прошлом были весьма значительными и иногда происходили очень быстро. Поверхность Земли покрывалась ледниками, а затем эти ледники исчезали, и на значительной территории Земли устанавливался тропический климат. В прошлом Земли обнаружено несколько десятков таких ледниковых периодов. Повторялись они нерегулярно, промежутки между ними составляют от 40 тысяч до нескольких сотен тысяч лет. Последний ледниковый период начал отступать всего 20 тысяч лет назад. И сегодня еще 14 миллионов квадратных километров поверхности Земли занято ледниками, т.е. мы живем в так называемом малом ледниковом периоде. Следует отметить, что в эпоху больших оледенений масса льда, собиравшегося в ледниках на суше, была очень велика, его объем вдвое превышал объем современных ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии. Вся эта вода изымалась из мирового океана. Поэтому уровень его многократно опускался более чем на 100 м ниже современного. Это подтверждается независимыми геологическими данными. Сейчас уровень мирового океана меняется очень медленно. За период с 1890 по 1950 гг. он возрос всего на 10 см, а с 1950 г. остается практически постоянным (колебание ±3 см).

Каковы же возможные причины таких значительных изменений климата? Наиболее очевидные из них следующие:

1. Изменения интенсивности солнечной радиации, вызванные орбитальным движением Земли. По идее самый главный вклад в формирование климата должен вносить радиационный баланс Земли. Астрономическая теория циклических изменений климата была создана известным югославским астрономом Миланковичем [15] в двадцатых годах ХХ века. Основная причина, влияющая на долговременные колебания климата по теории Миланковича, - это изменение эксцентриситета орбиты Земли вокруг Солнца и прецессия оси вращения Земли. Его теория дала возможность вычислить времена ледниковых периодов прошлого. И геологические возрасты предыдущих оледенений, в общем, совпадают с расчетами Миланковича. Но поскольку эти климатические изменения могут происходить только в долговременной шкале, десятков тысяч и сотен тысяч лет, в данной статье они не рассматриваются.

2. Изменения в циркуляции мирового океана. В глубинах океана накопилась огромная отрицательная тепловая энергия. Отрицательная потому, что средняя температура океана 3,5^oС, а земной поверхности 15^oС. Поэтому всякое усиление перемешивания глубинных вод океана с поверхностными приводит к похолоданию климата. Этот эффект может проявляться как в кратковременном масштабе десятков и сотен лет, так и на временном интервале сотен тысяч и миллионов лет. (Изменение в циркуляции океанов, вызванное континентальным смещением (дрейфом) материков согласно известной теории Вегенера [16]). Кроме того, в масштабах тысячелетий океаны контролируют химический состав атмосферы и, следовательно, радиационное равновесие всей климатической системы.

3. Кратковременные вариации (в шкале десятков и сотен лет) в солнечной энергетической освещенности, которые, как показано рядом авторов, коррелируют с вариациями солнечной активности. Этот фактор до последнего времени не достаточно учитывался при разработке климатических моделей.

4. Влияние человеческой деятельности или антропогенный фактор.

5. Наконец, целый ряд исследований, выполненных в последние годы, позволяет предположить, что могут существовать некоторые, пока еще неясные циклические процессы в системе космос (взаимодействие Солнца и планет) - гидросфера - атмосфера.

Все эти вопросы были всесторонне проанализированы в монографии Кондратьева [17]. Однако за последние десять лет получен целый ряд принципиально новых результатов. В связи с этим, необходимо снова вернуться к рассмотрению проблемы динамики глобального климата. Главная проблема, которая в настоящее время вызывает наибольший интерес и тревогу у мировой общественности, - это антропогенное влияние на климат. Насколько оно значительно в сравнении с природными явлениями и в чем проявляется? Что делать, чтобы сохранить устойчивое развитие мировой экономики в условиях изменяющегося климата?

Антропогенный эффект и изменение климата

По-видимому, основными факторами антропогенного воздействия на климат являются увеличение концентрации парниковых газов, а также увеличение выбросов аэрозолей в атмосферу. Основные парниковые газы - это водяной пар (Н₂О), углекислый газ (СО₂), метан (СН₄), окись азота (N₂O), озон (О₃) и, в меньшей степени, ряд хлорфторуглеводородных соединений [18]. Увеличение концентрации этих газов приводит к увеличению поглощения излучения от Земли, которое имеет место в инфракрасной области спектра, (максимум излучения в области 8-13 мк). Это вызывает подогрев атмосферы и, следовательно, в свою очередь, поверхности Земли.

Рассмотрим влияние главных парниковых газов: водяного пара и углекислого газа, с одной стороны, являющихся главным условием существования жизни на Земле, а с другой стороны, на долю которых приходится более 95% всего парникового эффекта, подогревающего атмосферу на 33 ^о С. Между ними есть принципиальная разница. Водяной пар в атмосфере является наименьшей по массе частью свободной воды, находящейся в гидросфере и криосфере в основном в жидкой и твердой форме. Масса водяного пара определяется притоком солнечной радиации и температурой воздуха и не может существенно изменяться при постоянстве этих факторов. Так как в геологическом прошлом происходили заметные изменения климата, количество водяного пара в атмосфере также изменялось в соответствии с колебаниями глобальной температуры. Однако эти изменения массы водяного пара были следствием, а не причиной изменения климата. Вследствие положительной обратной связи водяной пар при каждом очередном похолодании или потеплении климата лишь усиливал этот процесс. Точно так же, водяной пар является следствием, а не причиной существования морей и океанов. Его прямое влияние на биосферу несущественно по сравнению с его косвенным влиянием как источника воды, выпадающей в виде осадков.

Температура внутренних подповерхностных слоев Земли

Как только в 19 веке появились первые глубокие шахты, то было обнаружено, что температура в недрах Земли выше, чем у поверхности. Она возрастает примерно на 30 градусов с каждым километром вглубь земной коры. По данным глубокого бурения температура на глубине более 7 км всегда превышает 200^оС на любой широте. В принципе, зная теплопроводность земных пород можно оценить тепловой поток из недр Земли наружу. Расчеты показывают, что этот поток около 3Ч10¹³ вт. Т.е. тепловой поток из недр Земли почти на четыре порядка меньше, чем световая мощность, приходящая от Солнца (1,75Ч10¹⁷ вт). Поэтому на глобальный климат внутреннее тепло Земли практически не влияет. Однако это не пренебрежимо малая величина, и при подсчете общего термодинамического баланса в системе Земля - Солнце внутреннее тепло Земли должно учитываться. В далеком геологическом прошлом внутреннее тепло Земли, по-видимому, могло играть более существенную роль. Есть даже гипотезы (правда, не имеющие сколько-нибудь убедительных доказательств), что библейский потоп имел место 10-12 тыс. лет назад, когда в силу суперактивности земных недр из глубин Земли вырвался большой поток тепла, вызвавший значительное, но кратковременное поднятие уровня океана.

Вечная мерзлота характеризуется диапазоном температур от очень холодной (ниже -10^оС) до теплой (-1, -2^оС) Вечная мерзлота также классифицируется по трем зонам: непрерывная мерзлота, прерывная мерзлота, исчезающая в отдельные теплые годы, и спорадическая мерзлота, возникающая только в холодные годы. Режим температуры в зоне вечной мерзлоты (на глубине от 10 до 200 м) является очень чувствительным индикатором переменности климата, начиная с десятилетних и заканчивая столетними вариациями, а такжеизменений в энергетическом балансе на поверхности Земли. Это происходит потому, что диапазон межгодовых температурных вариаций («шум») значительным образом снижается с возрастанием глубины, тогда как десятилетние и еще более длительные вариации («сигнал») проникают в самые глубокие части вечной мерзлоты со значительно меньшим ослаблением. В результате этого, соотношение «сигнал-шум» быстро возрастает с увеличением глубины. Это позволило разработать новые, очень эффективные методы оценки изменения климата, которые основываются на аналитической интерпретации температурных профилей вечной мерзлоты. Первые геофизические станции в районах вечной мерзлоты появились еще в начале 20 века. Но только совсем недавно, в конце 90-х годов возникли глобальные международные программы. В 1997 г. система наблюдений за глобальным климатом (GCOS) и глобальная земная наблюдательная система (GTOS) предложили для регистрации в районах вечной мерзлоты два параметра: активный слой (толщина) и температуру.

В 1999 г. была создана глобальная земная сеть для вечной мерзлоты (GTN-P) с участием GCOS/GTOS и при поддержке Международной ассоциации вечной мерзлоты (IPA) [45]. В рамках этих программ около 370 буровых установок из 16 стран были рассмотрены в качестве кандидатов на проведение исследований в системе термального мониторинга. Большинство буровых установок имеют глубину от 10 до 125 метров и находятся в Северном полушарии. Общая координация и выполнение мониторинга возложено на Геологическую службу Канады (GSC). Для полного ее исчезновения понадобятся столетия, а может и тысячелетия. И тем не менее отрицательные последствия этого уменьшения проявляются уже сегодня. Необходим постоянный мониторинг изменений температуры вечной мерзлоты. Эти данные будут использоваться не только для отслеживания изменений глобального климата, но также необходимы для предсказания возможных отрицательных последствий в плане воздействия на экосистемы и инфраструктуры в районах вечной мерзлоты.

Глобальное потепление и климатические модели

Попытки моделировать климат предпринимались уже давно. Первыми, кто поняли необходимость привлечения математики для моделирования климата, были два крупных математика: советский А.А. Фридман и англичанин Люис Ф. Ричардсон. В 1922 г. вышла книга Ричардсона «Предсказание погоды с помощью числового процесса». По проекту Ричардсона в каждом регионе Земли (всего 64 тысячи регионов) ответственный вычислитель рассчитывает метеорологический прогноз. Все расчеты координируются главным вычислителем. Когда получаются окончательные данные, четыре старших клерка на центральной кафедре собирают их и передают по пневматической почте в специальную комнату. Там данные кодируются и передаются по телефону на радиовещательную станцию. Ричардсон не мог предвидеть огромного объема вычислительной работы, выполнить которую 64 тысячи вычислителей, вооруженных счетами и логарифмическими линейками, не смогли бы и за 1000 лет для однодневного прогноза. Но принцип Ричардсона сохранился. Например, для кратковременного прогнозирования погоды сегодня в Лос-Аламосской лаборатории вся околоземная атмосфера разбивается на 500 тысяч тетраэдров (площадь, покрываемая одной пирамидой, составляет около 70 кв. км.). Метеорологические характеристики в каждом тетраэдре вычисляет компьютер, а затем суперкомпьютер обрабатывает данные и сводит их в единую картину.

Проблема изменения климата - это сегодня не только научная, но и экономическая, и политическая проблема. Ошибки в динамике изменения климата чреваты крупными экономическими катастрофами. Яркий пример: просчеты 50-60 гг. с прогнозом падения уровня Каспийского моря к 2000 г. Тогда шла война дат и наиболее низких оценок. Через 30 лет, в 80-90-х годах все это обернулось социально-экономической трагедией большого региона. В настоящее время цена ошибки несравнимо больше. Для целого ряда государств грядущие климатические изменения - это уже не вопросы геополитики, а проблема выживания.

Подводя итог вышесказанному, что сегодня достоверно известно о климате?

1) Климат Земли в прошлом характеризовался двумя более или менее устойчивыми состояниями: теплым и ледниковым. Эпохи смены этих режимов (что имеет место сегодня - последний ледниковый период начал отступать 20 тыс. лет назад) сопровождались повышенной нестабильностью вследствие заложенной в самой климатической системе нестабильности. Существует положительная обратная связь между глобальной температурой Земли и возмущающими факторами, провоцирующими климатические сдвиги. Палео-климатические записи свидетельствуют о наличии в прошлом больших и быстрых климатических колебаний. Один из наилучшим образом задокументированных примеров резкой смены климата - потепление, произошедшее в конце Позднегляциального периода (Dryas), когда ледники в последний раз начали отступать. Период продолжался с 13000 до 8300 лет до н.э. Согласно анализу ледяных ядер Гренландии в конце позднего Дриаса (YoungerDryas), 8850 - 8300 лет до н.э. [71], температура стала быстро расти и буквально в пределах нескольких десятилетий на смену тундре в Северной Европе и Канаде пришли леса.

2) В ХХ веке глобальная температура начала расти, причем, особенно быстро два последние десятилетия. Естественный вопрос - не может ли быть потепление климата результатом антропогенного воздействия? Или это просто начало нового естественного цикла потепления? Наиболее вероятно последнее предположение. Ибо в свете всего вышесказанного, можно предположить, что сам по себе антропогенный эффект не может в настоящее время вызвать существенное изменения климата; его прямое воздействие незначительно по сравнению с естественными факторами. Но антропогенный эффект мог спровоцировать климатический сдвиг и вызвать новый цикл потепления. Насколько опасно это потепление климата для мирового сообщества? Ответ далеко неоднозначный. Дело в том, что повышение концентрации углекислого газа в атмосфере, с одной стороны, и рост глобальной температуры, с другой стороны, должны заметно повысить общую биопродуктивность и, в частности, урожайность сельскохозяйственных растений. Если для промышленно-развитых стран существует возможность повышения производства продовольствия путем значительного увеличения затрат, то для развивающихся стран с быстро растущим населением этот путь невозможен. Отсюда следует, что восстановление более благоприятных для живых организмов и всей биосферы природных условий, которые существовали на протяжении многих тысячелетий, - очень серьезная проблема. С другой стороны, необходимо учитывать и возможные негативные последствия потепления климата регионального масштаба (наводнения, увеличение количества ураганов и тайфунов, более засушливый климат в некоторых локальных регионах, ущерб для береговых и островных зон, находящихся на малых уровнях над Мировым океаном и т.д.). В этом случае, будет ли эффективным частичное уменьшение выбросов парниковых газов, предусмотренное Киотским протоколом? Мало вероятно. Тем более, что Киотский протокол не является достаточным фактором для уменьшения роста парниковых газов в атмосфере. Относительно небольшое сокращение поступления в атмосферу газов, усиливающих парниковый эффект, окажет незначительное влияние на повышение температуры. Расчеты показывают, что для стабилизации уровня парниковых газов требуется уменьшение их эмиссии на 60-80% по всему миру. А это привело бы к тяжелейшему ущербу для современной мировой энергетики и потребовало бы расходов, нереальных для большинства современных государств. Поэтому вряд ли стоит сегодня драматизировать ситуацию, предрекая глобальную экономическую катастрофу при глобальном потеплении, вызванным ростом антропогенного воздействия. Тем более, что есть существенные основания сомневаться, что это потепление - результат антропогенного воздействия и что начавшийся цикл потепления не сменится в будущем очередным периодом похолодания.

В свете вышесказанного можно рекомендовать в качестве стратегии устойчивого развития мирового сообщества следующие положения (часть из них уже предлагалась в работе).

1. Необходимо значительное повышение научного уровня исследований всех проблем, связанных с глобальным потеплением; особенно проблем изменения солнечной активности и роста парниковых газов. Внимание к вопросам возрастания солнечной активности важно, потому что мы находимся во временном солнечном максимуме, который очень напоминает средневековый солнечный максимум 1100-1250 гг. [73]. Для лучшего понимания динамики солнечных процессов целесообразно активизировать изучение солнцеподобных звезд.

2. Желательно обосновать наиболее безопасные и экономически доступные пути приспособления хозяйственной деятельности к глобальному потеплению. При этом следует подчеркнуть, что проблемы, вызванные происходящим потеплением, специфичны для каждого региона.

3. В силу отсутствия полного понимания причин изменения климата Земли нецелесообразно разрабатывать и принимать в настоящее время какие-либо глобальные проекты воздействия на климат.

4. Сейчас нет достаточного научного обоснования для изменения существующих тенденций развития глобальной энергетики.

Список литературы

1. Lorenz E.N. Climatic Change as a Mathematical Problem // J. Appl. Meteor. - 1970. - V.9. - P. 325 - 329.

2. JonesP.D., WigleyT.M.L., WrightP.B. Global temperature variations between 1861 and 1984 //

Nature. - 1986. - V.322. - P. 430-434.

3. Джоунс Ф.Д., Уигли Т.М.Л. Тенденции глобального потепления // В мире науки (Scientific American). - 1990. - №10. - C. 62-70.

4. Hansen J., Lebedeff S. Global trends of measured surface air temperature //J. Geophys. Res. - 1987. - V. 92. - P. 13345-13372.

5. Jones P.D., Osborn T.J., Briffa K.R. Estimating sampling errors in large-scale temperature averages // Journal of Climate. -1997. - V.10 (10) - P. 2548-2568.

6. Nicholls N., Gruza G.V., Jouzel J., Karl T.R., Ogallo L.A., Parker D.E. Observed climate variability and change, in Climate Change 1995: The Science of Climate Change. - Edited by J.T. Houghton, L.G.M. Filho, B.A. Callander, N. Harris, A. Kattenberg, K. Maskell, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1996. - P. 133-192.

7. Ledley T.S., Sundquist E.T., Schwartz S.E., Hall D.K., Fellows J.D., Killeen T.L. Climate Change and Greenhouse Gases // Eos, AGU Transection. - 1999. - V.80. - N. 39. - P. 453-458.

8. Jones P.D., Parker D.E., Osborn N.J., Briffa K.R. Global and hemispheric temperature anomalies - land and marin instrumental records // Trends: A Compendium of Data on Global Change. - 1998. - CDIAC, ORNL, Oak Ridge.

9. Mann M.E., Bradley R.S., Hughes M.K. Northern hemisphere temperatures during the past millennium: Inferences, uncertainties, and limitations // Geophysical Research Letters. - 1999. - V.26. - P. 759-762.

10. Mann M.E., Bradley R.S., Hughes M.K. Global-scale temperature patterns and climate forcing over the past six centuries // Nature. - 1998. - V.392 (6678). - P. 779-787.

11. Jones P.D., Briffa K.R. Global surface air temperature variations during the 20^th century: Part 1 - Spatial, temporal and seasonal details // Holocene. - 1992. - V. 1. - P. 165-179.

12. IPCC, Climate Change 2001: The contribution of Working Group 1 to the Third AssessmentReport of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Edited by J.T. Houghton et al., Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2001. - 881 P.

13. Levi, B.G., The Decreasing Artic Ice Cover // Physics Today. - 2000. - №1. - P. 19-20.

14. http://www.nsidc.org.

15. Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория климата. - М.-Л.: Гос. научно-техн. изд-во, 1939. - 207 с.

16. Wegener A. Die Entstehung der Kontinente und Ozeane. - Braunschweig, 4 Ed., 1929. - 135 s.

Размещено на Allbest.ru