Климат Земли в прошлом, настоящем, будущем. Его влияние на развитие цивилизации
Глобальный климат - сложная система, где постепенное накопление количественных изменений может привести к неожиданному качественному скачку с непредсказуемыми последствиями.
Чем вызвано потепление климата? Каковы последствия этого явления? Грозят ли происходящие явления для человечества катастрофой и каковы пути решения этих проблем?
Климат планеты определяется процессом тепломассопереноса в системе Солнце - атмосфера - океан - криосфера - биосфера. Основными факторами, влияющими на этот процесс являются солнечная активность, альбедо Земли, состав атмосферы, общая циркуляция, интенсивность протекания процессов в биосфере.
Однако, глобальное потепление, наблюдающееся за последнее столетие, особенно за последние 30-50 лет по общепринятому мнению, связано, прежде всего, с усилением «парникового эффекта». Парниковый эффект производят накапливающиеся десятилетиями в атмосфере газы, такие как водяные пары, углекислый газ, метан, закись азота, хлорфторуглероды, которые поглощают инфракрасное тепловое излучение с поверхности Земли, нагреваемой солнечным светом. Благодаря этим газам исходящее от земли тепло не уходит в космос, а задерживается в атмосфере. В результате происходит разогрев атмосферы, который и называют парниковым эффектом. Не следует думать, что парниковый эффект - это какое-то новое, не наблюдавшееся ранее явление. Оно действует на Земле с тех пор, как появилась атмосфера. Без парникового эффекта средняя температура поверхности Земли была бы ниже 0 0 С. В наше время эта температура составляет 10 0 С.
На сегодняшний день причина быстрого роста концентрации парниковых газов в атмосфере -хозяйственная деятельность человека. Среди существующих парниковых газов в изменении климата превалирующая роль отведена диоксиду углерода. Источниками выбросов которого является промышленность, использующая сжигание угля, нефти, природного газа, а также транспортные выбросы.
Диоксид углерода является постоянным компонентом атмосферного воздуха. Его концентрация в доиндустриальную эпоху составляла около 0,03%. Однако, интенсивный рост промышленности в 19 и особенно 20 столетии привел к заметному повышению концентрации СО 2 в атмосфере. По данным за период с начала промышленной революции до 1994 года концентрация углекислого газа в атмосфере возросла почти на 30%. Следует отметить, что ежегодно в атмосферу выбрасывается до 6 Гт С/год, что привело к росту содержания диоксида углерода в атмосфере до 1,5-1,7 ррm в год. В ближайшие 50-100 лет специалисты прогнозируют удвоение данных показателей.
На протяжении геологической истории Земли изменение климата сопровождалось сменой периодов ледниковых эпох и потеплений. Так например, отмечено резкое похолодание и иссушение климата, случившееся 6400 лет до н.э., на территории Месопотамии, вызвавшее кризис земледелия. Около 3200 лет до н.э. там же палеографическими методами фиксируется фаза потепления климата, длившаяся около 100 лет. Многие поселения и сельскохозяйственные земли оказались заброшенными, а в долинах рек, наоборот, начался переход к орошаемому земледелию.
Как отмечает , эпоха ранних цивилизаций, безусловно, характеризуется столь значительными изменениями климата, что они несомненно должны были повлиять на все без исключения аспекты человеческой деятельности.
Наиболее важные сведения о климате прошлого дают ископаемые останки или отпечатки живых организмов в осадочных породах. Важную информацию можно получить по данным об изменениях уровня моря. В последнее время эффективным средством изучения климата прошлого стал анализ радиоактивных изотопов различных элементов.
Научные данные позволили достоверно установить, что за многие миллионы лет климатическим изменениям на планете сопутствовало изменение концентраций углекислого газа. Так, в позднем мелу средняя температура была на 11,2 0 С выше современной, а содержание СО 2 составляло 2050 ррм. Соответственно, в эоцене Т=8,2 0 С, 1180 ррм СО 2 , в миоцене Т=60 0 С, 800 ррм СО 2 , в плиоцене Т=4,8 0 С, 460 ррм СО 2 . В настоящее время Содержание СО 2 составляет 376 ррм.
Процессы наступления ледниковых эпох на протяжении последнего миллиона лет вызваны падением содержания СО 2 в атмосфере. Согласно закону растворимости Генри, возможно проявление обратных связей, показывающих увеличение растворимости СО 2 при низких температурах.
Основным средством изучения климата и его изменений являются физико-математические модели, описывающие динамику атмосферы и океана, взаимодействие радиации, облачности, аэрозолей, газовых составляющих, свойств земной поверхности.
Согласно этим расчетам, глобальная тенденция изменения климата - катастрофическое нарушение климатического равновесия. Прежде всего, прогнозируется потепление, причем будет теплеть сильнее в высоких широтах и в теплое время года, чем в низких и в холодное время, соответственно в Южном полушарии потепление должно быть несколько больше, чем в Северном. Это может привести к таянию полярных льдов с последующим повышением уровня мирового океана и затоплением низменных частей суши. К числу последствий следует отнести изменение режима циркуляции атмосферы, изменения режима осадков, сдвиг климатических поясов и появлению новых пустынь на планете. Можно ожидать возрастания неустойчивости погодных явлений вследствие увлажнения атмосферы (ливни, ураганы, наводнения). Кроме того, стоит выделить и социально-экономические проблемы, связанные с миграцией населения и значительным увеличением расходов на устранение последствий глобального потепления.
Однако, даже в том случае, если воздействие выбросов диоксида углерода на климат окажется меньше, чем мы сейчас предполагаем, удвоение его концентрации должно вызвать существенные изменения в биосфере. При удвоенном содержании СО 2 большинство культурных растений растут быстрее, дают семена и плоды на 8-10 дней раньше, урожай на 20-30 % выше, чем в контрольных опытах
Изменение соотношения О 2 /СО 2 может оказать сильное влияние на биологическое равновесие. Опасность состоит в том, что к резкому изменению состава атмосферы быстрее всего будут адаптироваться простейшие виды организмов; отсюда высокая вероятность появления новых форм болезнетворных организмов.
Потепление климата закономерно ведет к его увлажнению. За последние 10 лет количество осадков на планете увеличилось на 1%.
Опасны не столько холод и жара, сколько резкие перепады температуры в разных районах планеты. Суша нагревается значительно быстрее, чем океаны и ледники, поэтому усиливаются ветры, дующие с океанов на материки, несущие большое количество влаги. Уже сейчас мы являемся свидетелями того, что в последние годы участились и усилились ураганы, циклоны, тайфуны, которые вызывают ливни, снегопады, наводнения Одновременно с потеплением тропосферы происходит охлаждение стратосферы. На сегодня глобальные климатические изменения влекут мощные засухи в тропической зоне, приводя к голоду в Сомали, на Филиппинах, юге Китая. Что бы ни служило основанием для потепления климата, данный процесс имеет место и его последствия проявляются уже сейчас.
Для решения потенциальной угрозы глобального изменения климата необходима координация усилий мирового сообщества, политических деятелей и соответствующих экспертов. Под эгидой программы ООН по окружающей среде и Всемирной метеорологической организации с 1988 года функционирует авторитетная Межправительственная группа экспертов по изменению климата, оценивающая доступные данные, вероятные последствия климатических изменений, разрабатывающая и предлагающая стратегию реагирования на них. Внимание к вопросам глобальных климатических изменений и оценка социально-экономических последствий позволили на международном уровне заключить ряд конвенций и протоколов к ним.
Первым шагом в решении этой проблемы было принятие в 1992 году Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата цель которой, объединение усилий по предотвращению опасных изменений климата и стабилизация концентрации парниковых газов в атмосфере. В настоящее время сторонами Рамочной конвенции являются более 190 стран мира.
Ограничение антропогенной эмиссии парниковых газов в атмосферу предполагает создание соответствующей системы экономических отношений. Юридическую сторону регулирования этих вопросов отражает принятый в 1997 году Киотский протокол, согласно которому подписавшие его страны к 2008-2012 годам обязуются сократить свои совокупные выбросы парниковых газов, по меньшей мере, на 5% по сравнению с уровнем 1990 года. Регламентируя экономические механизмы снижения эмисии парниковых газов в атмосферу, Протокол не содержит ограничений на какие-либо виды деятельности, а также штрафных санкций. Киотский протокол установил квоты на выбросы парниковых газов для развитых стран и стран с переходной экономикой. Ожидается, что такие механизмы, как торговля квотами на эмиссии парниковых газов будут не только способствовать сокращению глобальных затрат на снижение эмиссий, но и породят новые экономические стимулы для внедрения более экологически чистых видов топлива и энергосберегающих технологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Грабб М., Вролик К., Брэк Д. Китоский протокол: Анализ и интерпретация/ Пер. с англ. - М.: Наука, 2001.- 304 с.
- Гейнц Е. Изменения климата в истории времени.//Экология и жизнь, 2001, №1, с. 52-54.
- Экология, охрана природы, экологическая безопасность. Под общей ред. А.Т. Никитина, С.А. Степанова. -М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. - 648 с.
Библиографическая ссылка
Уварова Н.Н. КЛИМАТ КАК ГЛОБАЛЬНАЯ ПРОБЛЕМА: ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ, БУДУЩЕЕ // Успехи современного естествознания. – 2006. – № 4. – С. 100-102;URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=10264 (дата обращения: 24.08.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
В современном мире все больше человечество волнует вопрос глобального изменения климата на Земле. В последней четверти двадцатого века стали наблюдать резкое потепление. Значительно уменьшилось количество зим с очень низкой температурой, и средняя температура приземного слоя воздуха увеличилась на 0,7 °С. Климат менялся на протяжении миллионов лет естественным путем. Сейчас эти процессы происходят значительно быстрее. Стоит учитывать, что глобальные изменения климата могут привести к опасным последствиям для всего человечества. О том, какие факторы провоцируют изменения климата и какими могут быть последствия, поговорим далее.
Климат Земли
Климат на Земле не был постоянным. Он менялся в течение многих лет. Изменение динамических процессов на Земле, влияние внешних воздействий, солнечного излучения на планету привело к изменениям климата.
Нам известно еще со школьной скамьи, что климат на нашей планете делится на несколько типов. А именно - существует четыре климатических пояса:
- Экваториальный.
- Тропический.
- Умеренный.
- Полярный.
Для каждого типа характерны определенные параметры значений:
- Температуры.
- Количество осадков зимних и летних.
Также известно, что климат существенно влияет на жизнедеятельность растений и животных, а также на почву, водный режим. Именно от того, какой климат преобладает в данном регионе, зависит, какие культуры можно будет выращивать на полях и в подсобных хозяйствах. Неразрывно связано и расселение людей, развитие сельского хозяйства, здоровье и жизнь населения, а также развитие промышленности и энергетики.
Любые изменения климата значительно влияют на нашу жизнь. Рассмотрим, как может меняться климат.
Проявления меняющегося климата
Глобальное изменение климата проявляется в отклонениях погодных показателей от многолетних значений за большой период времени. Сюда входит не только изменение температур, но и частота погодных явлений, которые выходят за рамки нормальных, а считаются экстремальными.
Существуют процессы на Земле, которые непосредственно провоцируют всевозможные изменения климатических условий, а также указывают нам на то, что имеют место глобальные изменения климата.
Стоит отметить, что изменение климата на планете в настоящее время происходит очень быстро. Так, планетарная температура повысилась на полградуса только за каких-то полвека.
Какие факторы влияют на климат
Опираясь на перечисленные выше процессы, которые указывают на изменения климата, можно выделить и несколько факторов, влияющих на эти процессы:
- Смена орбиты и изменение наклона Земли.
- Уменьшение или увеличение количества тепла в глубинах океана.
- Смена интенсивности солнечного излучения.
- Смена рельефа и расположения материков и океанов, а также изменение их размеров.
- Изменение состава атмосферы, существенное повышение количества парниковых газов.
- Изменение альбедо земной поверхности.
На климат планеты все эти факторы оказывают влияние. Изменения климата происходят еще по ряду причин, которые могут носить природный и антропогенный характер.
Причины, которые провоцируют перемену климатических условий
Рассмотрим, какие причины изменения климата рассматривают ученые всего мира.
- Излучение, идущее от Солнца. Ученые считают, что меняющаяся активность самой горячей звезды может быть одной из главных причин изменения климата. Солнце развивается и от молодого холодного оно медленно переходит в стадию стареющего. Солнечная активность была одной из причин наступления ледникового периода, а также периодов потепления.
- Парниковые газы. Именно они провоцируют подъем температуры в нижних слоях атмосферы. Основные парниковые газы - это:
3. Изменение орбиты Земли приводит к изменению, перераспределению солнечного излучения на поверхности. На нашу планету влияет притяжение луны и других планет.
4. Воздействие вулканов. Оно заключается в следующем:
- Воздействие на окружающую среду вулканических продуктов.
- Воздействие газов, пепла на атмосферу, как следствие на климат.
- Влияние пепла и газов на снег, лед на вершинах, что приводит к селям, лавинам, наводнениям.
Пассивно дегазирующие вулканы оказывают глобальное влияние на атмосферу, так же как и активное извержение. Может вызвать глобальное понижение температур, а как следствие - неурожай или засуху.
Деятельность человека - одна из причин глобальных перемен климата
Ученые давно нашли главную причину потепления климата. Это увеличение парниковых газов, которые выбрасываются и накапливаются в атмосфере. Как следствие, снижение способности наземных и океанических экосистем поглощать углекислый газ по мере роста его в атмосфере.
Деятельность человека, влияющая на глобальные изменения климата:
Ученые, исходя из своих исследований, сделали вывод, что при влиянии на климат естественных причин температура на земле была бы ниже. Именно человеческое влияние способствует повышению температуры, что приводит к глобальным изменениям климата.
Рассмотрев причины изменения климата, перейдем к последствиям таких процессов.
Существуют ли положительные стороны глобального потепления.
Ищем плюсы в изменившемся климате
Учитывая, насколько прогресс продвинулся вперед, увеличение температурных показателей можно использовать для увеличения урожайности культурных растений. При этом создавая им благоприятные условия. Но это будет возможно только в поясах с умеренным климатом.
К плюсам парникового эффекта можно отнести увеличение продуктивности естественных лесных биогеоценозов.
Глобальные последствия изменения климата
Какими будут последствия в мировом масштабе? Ученые считают что:
Изменение климата Земли окажет существенное влияние и на здоровье человека. Может повыситься количество сердечно-сосудистых и других заболеваний.
- Снижение производства продуктов может привести к голоду, особенно, малообеспеченных слоев населения.
- Проблема глобального изменения климата, конечно же, затронет и политический вопрос. Возможно усиление конфликтов за право обладания источниками пресной воды.
В настоящее время мы уже можем наблюдать некоторые последствия изменения климата. Как будет дальше меняться климат на нашей планете?
Прогнозы развития глобальных изменений климата
Специалисты считают, что может существовать несколько сценариев развития глобальных изменений.
- Глобальные изменения, а именно повышение температуры, не будет резким. На Земле есть подвижная атмосфера, тепловая энергия за счет движения воздушных масс распределяется по всей планете. Мировой океан накапливает больше тепла, чем атмосфера. На такой большой планете с ее сложной системой изменения не могут происходить слишком быстро. Для существенных изменений понадобятся тысячелетия.
- Быстрое глобальное потепление. Такой сценарий рассматривается гораздо чаще. Температура увеличилась за последнее столетие на полградуса, количество углекислого газа возросло на 20%, а метана -на 100%. Продолжится таяние Арктических и Антарктических льдов. Существенно выше станет уровень вод в океанах и морях. Возрастет количество катаклизмов на планете. Количество осадков на Земле будет распределяться неравномерно, что увеличит площади, страдающие от засухи.
- В некоторых частях Земли потепление сменится на кратковременное похолодание. Такой сценарий ученые просчитали, опираясь на то, что теплое течение Гольфстрим стало на 30% медленнее и может полностью остановиться, если температура поднимется на пару градусов. Это может отразиться сильным похолоданием в Северной Европе, а так же в Нидерландах, Бельгии, Скандинавии и в северных районах европейской части России. Но это возможно только на короткий промежуток времени, а потом потепление вернется в Европу. И все будет развиваться по 2 сценарию.
- На смену глобальному потеплению придет глобальное похолодание. Такое возможно при остановке не только Гольфстрима, но и других океанических течений. Это чревато наступлением нового ледникового периода.
- Самый жуткий сценарий - это парниковая катастрофа. Увеличение в атмосфере углекислого газа будет способствовать увеличению температуры. Это приведет к тому, что углекислый газ из мирового океана начнет переходить в атмосферу. Будут разлагаться карбонатные осадочные породы с еще большим выделением углекислого газа, что повлечет еще большее повышение температуры и разложение карбонатных пород в более глубоких слоях. Ледники будут быстро таять, при этом снижая альбедо Земли. Повысится количество метана, и температура будет расти, что приведет к катастрофе. Повышение температуры на земле на 50 градусов приведет к гибели человеческой цивилизации, а на 150 градусов - вызовет гибель всех живых организмов.
Глобальное изменение климата Земли, как мы видим, может представлять собой опасность для всего человечества. Поэтому необходимо уделять большое внимание этому вопросу. Необходимо изучать, как мы можем снизить влияние человека на эти глобальные процессы.
Изменение климата в России
Глобальноеизменение климата в России не сможет не затронуть все регионы страны. Оно отразится как положительно, так и отрицательно. Зона проживания передвинется ближе к северу. Расходы на отопление значительно снизятся, и упростится транспортировка грузов вдоль арктического побережья на крупных реках. В северных районах таянье снега в районах, где была многолетняя мерзлота, может привести к серьезному повреждению коммуникаций и строений. Начнется миграция населения. Уже за последние годы значительно повысилось количество таких явлений, как засуха, штормовой ветер, жара, наводнения, сильный холод. Сказать конкретно, как повлияет потепление на разные отрасли, нет возможности. Суть изменения климата должна изучаться всесторонне. Немаловажно снизить влияние деятельности человека на нашу планету. Об этом далее.
Как избежать катастрофы?
Как мы видели ранее, последствия изменения мирового климата могут быть просто катастрофическими. Человечество уже сейчас должно понимать, что мы в силах остановить приближающуюся катастрофу. Что необходимо сделать для спасения нашей планеты:
Нельзя допустить, чтобы глобальное изменение климата вышло из-под контроля.
Большое мировое сообщество на конференции ООН, посвященной изменению климата, приняло Рамочную конвенцию ООН (1992) и Киотский протокол (1999). Как жаль, что свое благосостояние некоторые страны ставят выше решения вопросов глобального изменения климата.
На международное научное сообщество ложится огромная ответственность по определению тенденций изменения климата в будущем и выработка основных направлений последствий этого изменения спасет человечество от катастрофических последствий. А принятие дорогостоящих мер без научного обоснования приведет к огромным экономическим потерям. Проблемы изменения климата касаются всего человечества, и решаться они должны сообща.
Ис то ри я к ли ма та пл ан е т ы
Как менялся климат на нашей планете в предыдущие исторические эпохи.
Один из способов узнать об этом - это изучить состав древних слоев льда.
О ледовых исследованиях в Антарктиде рассказывает профессор кафедры общей экологии биологического факультета МГУ Алексей Гиляров
- Как в принципе можно узнать что-то об изменениях климата, которые были давным-давно?
Существуют разные способы, но один из самых захватывающих способов и вместе с тем точных - это анализ ледовых керн, то есть колонок льда, образованных в Антарктиде и в Гренландии, которые поднимаются на поверхность. Во льду есть всегда пузырьки воздуха. Лед образовывался из тех атмосферных осадков, которые были во время его образования, и он захватывал воздух того времени. И у нас есть законсервированные пробы воздуха за много-много тысяч лет. В 1999 году в журнале Nature большой коллектив авторов, в том числе наши соотечественники, опубликовали работу, в которой представляли данные анализа колонки льда взятой на российской станции «Восток» . Это - восточная Антарктида, очень удаленный от всех берегов район, поэтому там чрезвычайно суровая обстановка - среднегодовая температура минус 55, а зимой доходит до минус 80.
- Расскажите о методике работы с ледовыми кернами.
Лед откладывается слоями. Падает снег, откладывается и формирует лед. Лед - это атмосферные осадки, замерзшие, за много-много лет, почти за миллион лет. 800 тысяч лет - сама длинная колонка в Антарктиде. И подняв колонку этого ледового керна, можно различными тонкими методами определить содержание в этих маленьких пузырьках воздуха углекислого газа, что нас больше всего интересует, метана (тоже парниковый газ, тоже нас всех интересует) и других газов, и кислорода, и разных изотопов.
- Как определяется возраст ледового слоя?
Возраст определяется по скорости отложения льда. Известна скорость, с которой формируется лед, есть определенная модель. Кроме того, можно определить и температуру. Для этого берутся не пузырьки воздуха, а лед вокруг этих пузырьков, и лед этот растапливают и смотрят, каково в нем соотношение обычного водорода и дейтерия -тяжелого водорода. Дело в том, что тяжелые молекулы воды, которые конденсируются, чтобы выпасть в виде дождя или снега, требуют меньшего охлаждения для конденсации, чем более легкие. Молекулы, содержащие дейтерий, - более тяжелые, соответственно, при меньшем охлаждении они уже выпадают на землю. А содержащие обычный водород - более легкие, им требуется более сильное охлаждение. Соответственно, по изменению относительного содержания дейтерия в колонке льда мы наблюдаем за ходом изменения температуры.
- Какие результаты были получены на станции «Восток»?
Во-первых, обнаружился ритм, он не очень отчетливый, но все-таки можно выделить самые крупные подъемы температуры - примерно раз в 100 тысяч лет. Это была колонка примерно 3,5 километра в длину - на «Востоке» такая толщина льда, и, соответственно, этот лед образовался за 420 тысяч лет. Примерно раз в 100 тысяч лет происходит быстрый подъем температуры - интенсивное потепления, а затем - медленное остывание и довольно длительный очень холодный период. Потом снова такой подъем - и снова длительное остывание. С чем это связано? Это связывают прежде всего с так называемыми циклами Миланковича .
График исследования ледяного керна на станции «Восток». Наверху над графиками отложена глубина в метрах, внизу - время в годах. Синим - изменение концентрации углекислого газа CO2, красным - изменение температуры. Пики красной линии на графике - моменты максимальных потеплений.
Милутин Миланкович (1879 - 1958) - это сербский ученый, который в предположил, что наступление ледниковых периодов можно связать с регулярными изменениями земной орбиты. Орбита становится то немного более вытянутой - эллипсоидной, то более круговой; то меняется угол наклона земной оси к эклиптике, это тоже происходит регулярно, но с другой периодичностью. Кроме того, как такой волчок, ось земли описывает такой маленький конус. Представьте себе юлу, волчок, который останавливается, и он начинает так вилять туда-сюда. Вот Земля тоже немного «виляет». И вот эти «виляния» то становятся больше, то меньше. И это тоже со строго определенной периодичностью. Сложение этих всех составляющих, приводит к тому, что изменяется распределение солнечного излучения попадающего на Землю, и, соответственно, меняется количество тепла.
- Когда случилось самое раннее глобальное потепление, которое нам известно?
Эти потепления были не сильнее, чем нынешнее - они случаются раз в 100 тысяч лет. Если судить по керну «Востока» - потепление было примерно 400 тысяч лет назад. Но предыдущие были послабее того, что происходит сегодня.
Сравнительно недавно в 2004 году был получен еще один очень длинный керн ледовый на другом месте, примерно в 500 километрах от станции «Восток», у станции европейского сообщества «Конкорди» (Concordia Station), в рамках европейского проекта. Мы, к сожалению, там не участвуем, там очень активны французы, итальянцы, другие. Уже учитывая наш опыт, они довольно быстро прошли толщу льда до скального основания. И пройдя примерно те же три с небольшим километра, они получили развертку во времени за почти 800 тысяч лет. Поскольку там суше, там более сухой климат, осадки выпадали меньше, соответственно, слои тоньше. Что замечательно, буквально в прошлом году были опубликованы тоже в журнале Nature эти результаты, и за первые 400 с лишним тысяч лет полностью подтвержден ход кривой, которая получена на станции «Восток».
- За все эти 800 тысяч лет подтверждается периодичностью потепления в 100 тысяч лет?
Там несколько нарушаются цикличность. Она есть, но она несколько нарушается. И вот это сейчас предмет анализа и рассуждений, что могло вмешаться. Одно понятно: Земля - это же не вполне шар, там есть материки, есть океаны, и они вовсе не равномерно распределены, и это все носит какие-то свои коррективы в ее движение.
На графиках, которые были получены, современное потепление, выглядит просто как оно из периодических потеплений. Следует ли из этого, что роль человека здесь, может быть, не так велика?
Если бы никакой активности человека не было, то потепление все равно происходило бы.
- Потепление без участия человека было бы оно таким, каким мы его сейчас наблюдаем?
Это большой вопрос. Потому что, на самом деле, таких высоких значений концентрации углекислого газа, которые мы наблюдаем сейчас за 700-800 тысяч лет не было. Они были в древние эпохи, но за это время таких высоких еще не бывало. И темпы роста тоже необычайно высоки за последние 100 лет.
- Концентрация углекислого газа в воздухе и температура меняются синхронно?
Да, они меняются строго синхронно. Графики концентрации углекислого газа и температуры идут просто параллельно. Вопрос в том, что является причиной, а что следствием? Дело в том, что чем теплее, тем больше начинает выделяться СО2 при гниении органических остатков и прочее. Поэтому процессы усиливают друг друга, это - положительная обратная связь.
Не так давно было сообщение из университетов Флориды, где международная группа экологов анализировали концентрацию СО2 в вечной мерзлоте вокруг Северного полюса. Ученые пришли к выводу, что в вечной мерзлоте СО2 содержится больше, чем в атмосфере Земли. Можно ли сказать, что это специфическая ситуация только для современного глобального потепления или это было характерно и в прежние периоды - 300 - 400 тысяч лет назад?
На Северном полюсе - лед морской, это совсем другая история. Нужно брать лед, который лежит на суше. Насколько я знаю по ледовым кернам, нигде никогда такой высокой концентрации СО2 не достигало. Другое дело, сейчас очень трудно сказать, насколько человек действительно влияет на увеличение СО2 и потепление. Потому что мы знаем точно и определяем только две цифры. Мы определяем концентрацию СО2, которая наблюдается в данный момент на разных широтах, в разных точках, это мы точно научились мерить. И кроме того, мы знаем, сколько выбрасывается углекислого газа в результате сжигания ископаемого топлива, это тоже достаточно точно мы знаем. Вот мы знаем точно только эти две цифры, все остальные цифры являются расчетными. Если бы весь углекислый газ, который образуется при сжигании ископаемого топлива, оставался в атмосфере, то концентрация его была бы существенно выше. Она - ниже. Он связывается. А вот определить места связывания, или как говорят геохимики, стока углерода в атмосфере чрезвычайно сложно. Потому что в любой природной экосистеме, в любом лесу, степи происходит одновременно и связывание углекислого газа в результате фотосинтеза растений, и выделение в результате дыхания прежде всего грибов и бактерий. Это происходит везде. И понять, куда эти потоки идут, очень сложная задача.
Климат — это множество состояний, которые проходит система океан—суша—атмосфера за периоды времени в несколько десятилетий. При этом важно знать, как часто встречается в этом множестве каждое из возможных состояний,— тогда можно находить среднее значение по всему множеству для любой количественной характеристики этих состояний.
Мгновенное состояние системы океан—суша—атмосфера называют погодой. Она характеризуется некоторым набором глобальных полей, т. е. распределений по земному шару ряда характеристик морской воды, атмосферного воздуха, поверхности Земли и верхнего слоя почвы. Для воды и воздуха нужно брать температуру, давление, концентрации термодинамически активных примесей (для морской воды — соль, для воздуха — парообразная влага, жидкая вода и лед в облаках и туманах, углекислый газ, пыль различной природы) и векторные скорости движения. На поверхности Земли нужно знать потоки тепла и ТАН (прежде всего — испарение и осадки), наличие снежного и ледового покрова (и их толщину), для суши, кроме того,— характер растительности, влажность почвы, сток влаги.
Периоды времени в несколько десятилетий, указанные в определении климата, выбраны так, чтобы определяемые но этим периодам характеристики климата были наиболее устойчивыми, т. е. меньше всего менялись бы при переходе от одного такого периода к другому. Действительно, фактические данные (например, о температуре воздуха) показывают, что при меньших периодах осреднения (скажем, за год или за несколько лет) средние значения оказываются более изменчивыми (это — так называемая между годичная, а также и более коротко-периодная изменчивость погоды). Более интенсивной оказывается и значительно более длиннопериодная изменчивость климата, скажем, с периодами в тысячи лет.
Климат формируется под действием ряда факторов, которые можно разбить на три группы.
1. Внешние, или астрономические, факторы — светимость Солнца, положение и движение планеты и Солнечной системе, наклон ее осп вращения к плоскости орбиты и скорость вращения, определяющие воздействия на планету со стороны других тел Солнечной системы,— ее инсоляцию (облучение солнечной радиацией) и гравитационные воздействия внешних тел, создающие приливы и колебания характеристик орбитального движения и собственного вращения планеты (а потому и колебания в распределении инсоляции по внешней границе атмосферы).
2. Геофизические и географические факторы — ряд особенностей планеты, из которых для климата Земли наиболее важными являются свойства нижней границы атмосферы — подстилающей поверхности — и прежде всего те свойства, которые определяют ее динамическое и тепловое взаимодействие с атмосферой и обмен с нею термодинамически активными примесями. Из этих свойств, по-видимому, па первом месте должно быть названо географическое распределение континентов и океанов.
3. Атмосферные факторы — масса и состав атмосферы (включая и основные ее составные части, и специфические ТЛП).
Мы еще не знаем, определяется ли климат всеми этими факторами однозначно, или же при одних и тех же фиксированных значениях всех климатообразующих факторов могут получаться разные климаты. Второе из этих предположений возникает в связи с тем, что за последние 0,6— 1 млн лет каких-либо резких изменений климатообразующих факторов как будто не происходило, однако имели место резкие колебания климата — чередование ледниковых и межледниковых периодов продолжительностью в десятки тысяч лет. Их мы подробно проанализируем ниже, здесь же рассмотрим изменения климатообразующих факторов, происходившие в течение истории Земли, и порождавшуюся ими эволюцию климата.
Кажется легче всего приписывать изменения климата и даже погоды изменениям солнечной радиации. Действительно, разница в температурах воздуха у поверхности Земли между днем и ночью, экваторами и полюсами, летом и зимой создается разницей в количестве приходящей солнечной радиации: чем больше это количество, тем выше температура; так нельзя ли допустить по аналогии, что в периоды с теплым климатом приходящая на Землю солнечная радиация была повышенной, а во время ледниковых периодов она снижалась (эту гипотезу предложил ирландский астроном Е. Эник). Однако такое простое рассуждение может оказаться неверным, если небольшие повышения солнечной радиации будут приводить на Земле к увеличению испарения, росту облачности, усилению зимних снегопадов, снеготаяния из-за повышенной облачности и, как следствие, к росту ледников и понижению температуры (Г. Симпсон), Впрочем, большинство специалистов по эволюции звезд в противоположность Е. Эпику считает, что Солнце и другие звезды такого же типа («желтые карлики» спектрального класса G-2) имеют весьма стабильное излучение, мало меняющееся в течение времени порядка 10 млрд. лет (времени их пребывания па так называемой главной последовательности звезд на диаграмме светимость—цвет). Отметим, что не наблюдается и короткопериодных колебаний суммарной светимости Солнца — идущий от него поток энергии, на среднем расстоянии Земли от Солнца составляющий 1,952 кал на 1 см2 в минуту, по-видимому, не испытывает сколько-нибудь валютных изменении во времени (и потому эта величина именуется солнечной постоянной).
По изложенным причинам в дальнейшем будут рассматриваться лишь факторы, не связанные с какими-либо изменениями в светимости Солнца. Представляется, что из таковых наиболее медленные изменения климата могли создаваться геохимической эволюцией гидросферы и атмосферы, а также приливной эволюцией системы Земля-Луна.
Масса водяного пара имеет положительную обратную связь с парниковым эффектом, так как насыщающая концентрата водяного пара растет с повышением температуры: «ем больше в атмосфере водяного пара, тем сильнее парниковый эффект, выше температура и поэтому больше допустимое, т. е. насыщающее, содержание водяного пара. Сколько-нибудь падежных расчетов изменений в течение истории Земли масс водяного пара и углекислого газа В атмосфере пока нет, так что возможность соответствующих изменений климата (прежде всего температуры воздуха) еще не исключена. Однако палеонтологические данные, убедительно демонстрирующие непрерывность развития жизни, свидетельствуют о том, что никаких климатических катастроф на Земле не происходило.
Перейдем теперь к возможным климатическим последствиям приливной эволюции системы Земля—Луна. Эту систему можно рассматривать как сложный волчок, состоящий из двух тел, вращающихся вокруг своих осей и вокруг общего центра тяжести (все эти вращения имеют одинаковое направление: если смотреть со стороны Полярной звезды, то против часовой стрелки). Чтобы упростить описание этой системы, пренебрежем воздействием на нее со стороны других небесных тел. Тогда суммарный момент количества движения всех указанных вращений не будет изменяться со временем. С высокой точностью можно считать, что векторная сумма моментов количества движения собственного вращения Земли и орбитального движения Луны постоянна.
Если бы в теле Земли не было никакого трения, то приливные горбы, образующиеся на поверхности Земли из-зa притяжения Луны, были бы направлены точно по линии, соединяющей центры этих тел. Но из-за трения они увлекаются вращением Земли, много более быстрым, чем угловое движение Луны по орбите, так что их ось образует с линией центров Земля—Луна некоторый угол запаздывания б (и в каждой точке Земли максимальный прилив наступает позже момента наибольшей высоты Луны на небе). Ближний к Луне приливный горб притягивается ею сильнее, чем дальний, и это создает на Земле момент сил, стремящийся повернуть планету противоположно ее собственному вращению. Вращение Земли должно замедляться, так что ее собственный момент количества движения будет уменьшаться. Соответственно момент количества движения Луны увеличатся. Но из третьего закона Кеплера вытекает, что момент количества движения планеты на орбите пропорционален квадратному корню из среднего радиуса орбиты (или кубическому корню из периода обращения планеты). Следовательно, Луна додаем отходить от Земли (и ее угловое движение на орбите замедлится).
Расчеты показали, что из-за приливного трения вращение Земли замедляется так, что продолжительность суток увеличивается на 0,0017 с за столетие. Из-за этого крошечного прироста за тысячелетия набегает уже весьма заметная разница. Так, средняя за последние 2000 лет продолжительность суток была на 0,017 с меньше современных, следовательно, набежала разница в 3,5 часа. Значит, если мы рассчитаем время какого-либо солнечного затмения, происходившего 2000 лет тому назад, пользуясь сегодняшней продолжительностью суток, то ошибемся против истинного времени затмения на 3,5 часа. За это время Земля поворачивается на 52,°5 по долготе — столь большой будет наша ошибка в определения места наблюдения данного затмения. Этот расчет показывает, что одного только свидетельства древнего историка о наблюдении солнечного затмения в таком-то году в том или ином пункте, скажем в Древней Греции или в Вавилоне, может быть достаточно для довольно точной оценки приливного замедления вращения Земли. Получающиеся таким способом оценки оказываются очень близкими к приведенной выше цифре 0,0017 с за столетие.
Дж. Уэллс (1963) нашел еще один способ эмпирической оценки приливного замедления вращения Земли — по обнаруженным им на разрезах некоторых ископаемых кораллов микроскопическим годичным в суточным кольцам роста, позволяющим подсчитывать число дней в году в соответствующую геологическую эпоху. Согласно астрономическим теориям устойчивости планетных движений длину года можно считать практически неизменной. Поэтому, например, полученная по кораллам среднего девона, возраст которых около 380 млн. лет, цифра 400 дней в году означает, что продолжительность суток в ту эпоху составляла 21,7 часа. Эти оценки очень неплохо согласуются с приведенными выше.
Исключительно большое значение для климата имеет наклон е экватора планеты к плоскости ее орбиты к Солнечной системе. На Земле в прошлом наклон е был меньше современного, так что сезонные изменения погоды оказывались слабее, а разница между экватором и полюсами больше (па полюсы попадало меньше солнечного тепла), широтная зональность выражена резче, общая циркуляция атмосферы была более зональной и интенсивной. Эти условия были благоприятными для развития оледенении в полярных районах, особенно при наличии в них континентов, и этим, по-видимому, можно пытаться объяснять обнаруживаемые геологами следы множества докембрийскнх оледенений.
После геохимической эволюции гидросферы и атмосферы и приливной эволюции Земли следующим по темпам изменений фактором эволюции климата представляется движение континентов и полюсов. Оно происходит со скоростями порядка сантиметров в год, так что изменения глобальных масштабов, т. е. смещения на тысячи километров, образуются за сотни миллионов лет. Без знания распределения континентов в ту пли иную геологическую эпоху невозможно правильно интерпретировать показания палеоклшматических индикаторов о палеоклиматах конкретных регионов.
Вследствие того что суточные суммы приходящего на верхнюю границу земной атмосферы солнечного тепла не зависят от долготы, климат, несмотря на различия, создаваемые континентами и океанами, обладает ярко выраженной широтной зональностью. Раньше, когда массы океана и атмосферы были меньше, Земля вращалась быстрее и наклон экватора к эклиптике был меньше современного, каждый из этих факторов делал широтную зональность климата еще более резкой, чем теперь. Эта зональность выглядит следующим образом. В экваториальной зоне сильный нагрев земной поверхности создает интенсивную конвекцию с образованием мощных кучевых облаков и ливневыми осадками, так что эта зона оказывается влажной. Восходящие движения компенсируются здесь притоком воздуха к экватору в нижних слоях атмосферы (пассатные ветры) и их оттоком в более высоких слоях. В субтропиках оттекающий воздух отклоняется вращением Земли на восток, и ячейки пассатной циркуляции вынужденно замыкаются нисходящими движениями, так что субтропические зоны оказываются засушливыми (аридными). Дальше к полюсам тепло переносится подвижными циклопами, образующимися в западно-восточных течениях ударенных широт и сопровождающимися обильными осадками, так что эти зоны опять оказываются гумидными. Указанными свойствами шпротной зональности климата воспользовался П. М. Страхов при своих фанерозойских палеоклиматических реконструкциях, выявивших движение полюсов (по проделанных еще на фиксистской основе без учета движения коптинептов).
При отсутствии широтной зональности климата не было бы и сезонных колебаний погоды. Поэтому свидетельства о наличии в ту или иную геологическую эпоху сезонных колебаний погоды суть доказательства широтной зональности климата этой эпохи. Такими свидетельствами являются прежде всего породы с годичными слоями, так называемые варвиты, которые обнаружены практически во всех геологических периодах фансрозоя.
Качественными индикаторами климатических зон могут служить многие горные породы. Так, в аридных зонах образуются эвапориты — доломиты, ангидриты, гипсы, калийная и каменная соли, осаждающиеся из растворов в условиях сильного испарения, а также карбонатные красноцветы (продукты выветривания, обедненные кремнеземом и окрашенные окислами железа) и лёссы.
Самыми выдающимися из климатических событий в истории Земли были, конечно, ледниковые периоды, характеризовавшиеся появлением континентальных ледниковых щитов (в настоящее время такие щиты покрывают Антарктиду и Гренландию). Как уже отмечалось, геологами обнаружены многочисленные тиллиты как фаперозойского, так и докембрийского возраста. Самыми древними из них являются, по-видимому, нижнепротерозойские.
В среднем протерозое, нижнем и среднем рифее на всех континентах встречаются многочисленные слон несортированных конгломератов, иногда похожих па тиллиты, но сколько-нибудь ясной картины, как для нижнего протерозоя, здесь не складывается. Зато в верхнем рифее и в венде в разных частях мира найдены многочисленные тиллиты (рис. 59), хорошо коррелирующие друг с другом и группирующиеся в основном по двум возрастам,— нижние около 750—800 млн. лет (верхнерифейское оледенение) и верхние около 650—680 млн. лет (вендское оледенение).
К следующей ледниковой эпохе (карбопа и перми) климат пришел, по-видимому, в результате постепенного похолодания, заметного по кривой рис. 58 (в течение которого южный полюс перемещался из Западной Африки через Бразилию и Аргентину в Антарктиду, оставляя на своем пути упоминавшуюся выше цепочку силуродевопских тиллитов).
Первым крупным районом, на котором сказалось кайпозойское похолодание климата, явилась, естественно, Антарктида. Ныне ледниковый покров на ней, согласно сводке В. И. Бардина и И. А. Суетовой (1967), имеет площадь около 14 млн. км2 и объем 24 млн. км3 (что составляет около 90% объема всех ледников мира; объем Гренландского ледникового щита равен 2,6 млн. км3; на арктические и горные ледники остается менее 1%); растопление всего антарктического льда повысило бы уровень Мирового океана на 55 м. Около 83% антарктического льда сосредоточено в ледниковом куполе Восточной Антарктиды толщиной до 3,6 км, дно которого лежит в основном выше уровня моря, а поверхность в среднем выше 2 км над уровнем моря. Отделенный от него Трансантарктическими горами ледниковый щит Западной Антарктиды лежит в основном на дне океана и на ряде островов в включает огромные плавающие шсльфовые ледники в морях Росса и Уэдделла. Атмосферные осадки над Антарктидой, в среднем всего около 150 мм в год, по некоторым оценкам сейчас немного превышают потери льда (главным образок путем отрыва айсбергов).
Геологические разрезы на островах Кинг-Джорджа и Симора и в Южной Австралии (отделившейся от Антарктиды лишь в конце эоцена), а также материалы колонок донных осадков Южного океана свидетельствуют, что ледниковый щит Антарктиды образовался лишь в миоцене — около 20 млн. лет тому назад — и с тех пор существует до нашего времени (это подтверждают и данные о падении уровня Мирового океана на много десятков метров.
Климат, по определению, есть понятие глобальное, и те или иные проявления каждой ледниковой эпохи, естественно, обнаруживаются во всех районах мира, но, конечно, они отнюдь не везде и не всегда сводились к росту ледников. Всего льдом было покрыто 14% поверхности Земли, вдвое больше, чем теперь. Ледниковые щиты достигали в Европе 48°30", а в Северной Америке 37° широты.
Максимальный объем льдов суши в плейстоцене составлял 56,1 млн. км, в том числе 23,9—в Антарктиде (как сегодня), 23,9 —в Северной Америке, 7,6 —в Европе и 0,7 —в Урало-Сибирской области (60% этих льдов было сосредоточено в северном и 40%—в южном полушарии, тогда как теперь эти цифры равны 8 и 92%).
Изменение климата в геологическом прошлом
1. Нет сомнения, что на протяжении истории Земли вместе с земной природой менялся и климат. Показателями этих изменений являются ископаемые флора и фауна, включая пыльцу доисторических растений, признаки процессов выветривания и накопления осадочных отложений в слоях, относящихся к различным геологическим эпохам, и т. п. Понятно поэтому, что вопросы, относящиеся к климатам геологического прошлого, решаются на базе самой геологии (и палеонтологии). В предлагаемом курсе они будут изложены лишь очень кратко.
Геологические данные показывают, что изменения климата в прошлом Земли были очень глубокими. Эти изменения охватывали сотни миллионов лет, на протяжении которых коренным образом менялось положение на Земле: расположение суши и моря, орография, распределение океанических течений, вулканическая деятельность, состав атмосферы и пр. С другой стороны, могли меняться и космические влияния на Землю.
2. Рассматривая органические и неорганические ископаемые как признаки климатов прошлого, исходят из положения, что в прошлом существовали те же зависимости флоры, фауны, выветривания, почвообразования и пр. от климата, какие существуют и в настоящем. Интенсивное накопление морских известняковых осадков, например, а также образование коралловых рифов в настоящее время происходит в мелководных теплых морях. Обнаружение обширных и мощных толщ морских известняков и коралловых рифов в средних широтах (например, в Центральной Европе в слоях, начиная с кембрия) говорит о более теплом климате, существовавшем в этих широтах в разные эпохи жизни Земли. В пластах бурых углей в Европе вплоть до верхнего миоцена обнаруживаются остатки таких теплолюбивых растений, как веерные пальмы. Образование каменного угля происходило некогда и в Антарктиде. Богатство ископаемых видов пресмыкающихся и их огромные размеры также являются признаками теплых климатов. По распределению ископаемых рыб на протяжении третичного периода можно сделать заключение о постепенном похолодании в течение этого периода.
Одним из признаков холодных периодов является слабое химическое выветривание и, наоборот, преобладающее физическое выветривание с обилием обломочного материала в отложениях. Особенно важными показателями являются, характерные отложения и формы ландшафта, связанные с оледенениями (моренные отложения, ископаемые льды), а также соответствующие флора и фауна.
Важнейшим признаком сухих (аридных) периодов является усиленное отложение солей (особенно если климат также и жаркий). Пояса месторождений ископаемых солей на Земле меняли свое положение на протяжении геологических эпох. Пустыням прошлого, как и современным пустыням, были, свойственны определенные явления выветривания, окремнения, переноса песка, дюнообразования и т. д. Признаки таких явлений можно установить и в геологических слоях. Сухие периоды определяются также по остаткам сухолюбивой (ксероморфной) растительности, по остаткам степных животных.
Во влажных климатах сильно химическое выветривание. Поэтому признаками влажных (и достаточно теплых) периодов в прошлом являются продукты химического выветривания в составе осадочных пород, такие, как каолин, железные, марганцевые и бокситовые руды и пр. Важными показателями таких климатов являются залежи торфа и каменного угля, а также остатки богатой древесной растительности.
Есть определенные геологические признаки распределения ветра в минувшие эпохи, признаков гроз, сезонных изменении климата и пр.
Для четвертичного периода (плейстоцена), когда уже появился человек, кроме геологических средств исследования климатов прошлого, применяются еще и археологические. Геологически установлено, что в первой половине четвертичного периода Сахара отличалась обилием осадков и многочисленными полноводными реками. Археологические же исследования показывают, что несколько сотен тысяч лет назад Сахара была плодородным обитаемым плато.
3. Существует ряд попыток реконструкции климатов геологического прошлого. Наиболее разработаны представления о смене климатов в четвертичном периоде. Но в общем представления о геологических климатах носят очень общий характер.
Не будем останавливаться на последовательности предполагаемых изменений климата на протяжении ряда геологических периодов. Заметим только, что в течение последнего полумиллиарда или миллиарда лет климат Земли в умеренных и высоких широтах в основном был более теплым, чем в настоящее время. Льды в полярных и средних широтах в течение преобладающей части указанного периода отсутствовали. Климатическая зональность поэтому не была выражена так контрастно, как теперь. Тропическая флора распространялась далеко в высокие широты.
Однако на основном фоне "нормального" теплого климата неоднократно происходили сравнительно кратковременные похолодания, охватывающие сотни тысяч или миллионы лет. В ряде случаев развивались оледенения в высоких и средних широтах. Климатическая зональность в такие периоды усиливалась, т. е. углублялись тепловые и иные климатические различия между высокими и низкими широтами.
Последние несколько сотен тысяч лет - четвертичный период- являются как раз таким холодным периодом, на протяжении которого несколько раз развивались сильные оледенения. Климатические условия существенно менялись и в рамках четвертичного периода: ледниковые эпохи сменялись межледниковыми. Но в целом четвертичный период - холодный период в истории Земли.
От начала первого оледенения четвертичного периода прошло 600-700 тыс. лет. Последнее оледенение закончилось несколько десятков тысяч лет тому назад. Теперь человечество живет в послеледниковую или межледниковую эпоху. Однако большие площади Земли в высоких широтах и сейчас находятся под ледниковым покровом (сохраняющимся, по-видимому, в качестве реликта). Климат современной эпохи следует считать относящимся не к геологической <норме>, а все еще к холодному периоду.
