Климатическая история земли. Успехи современного естествознания. Нужна помощь по изучению какой-либы темы
Специалисты Всемирной метеорологической организации бьют тревогу. По их мнению, неприятные климатические сюрпризы, которые преподнес ушедший год, выходят за рамки нормальных погодных явлений. И выходят основательно.
Несомненно, истерика вокруг глобального потепления во многом порождена средствами массовой информации. У самой же теории «техногенного изменения климата» имеется множество противников в научной среде. Но, кажется, на этот раз опасения вполне оправданы.
Мексика. Лето 2012. Скот массово погибает от невероятной засухи
Первым знаковым событием стала рекордная жара , и, как следствие, засуха , охватившая обширные территории США, России, Австралии, Китая и Бразилии. «Парилка» продлилась, ни много ни мало, первые десять месяцев 2012 года. Этот период, по словам специалистов, занимает девятое место в списке самых жарких за всю историю мировых метеорологических наблюдений, включая вторую половину девятнадцатого века.
Во второй раз метеорологам пришлось испытать «шок и трепет» из-за урагана «Сэнди» , охватившего восточное побережье США и Канады. Размах стихии поразил специалистов. По их словам, прошлогодний ураган превзошел все подобные бедствия не только по масштабу, но и по срокам.
Аналогичная оценка была дана тайфуну «Бофа» , который обрушился на Филиппины в конце ноября. Его жертвами стали около тысячи человек, восемьсот сорок из которых пропали без вести.
Но по-настоящему вспомнить о местоположении сердца метеорологов заставило рекордное таяние ледников в Арктике. Такого подвоха от «убеленных сединами» льдов специалисты, занимающиеся проблемами выбросов парниковых газов и глобального потепления, не ожидали.
Несмотря на всю свою любовь к апокалипсическим предсказаниям. Лед растаял в рекордные сроки. В связи с этим бывший вице-президент США Альберт Гор в одном из интервью заметил, что просмотр вечерних новостей стал походить на «экскурсию по апокалипсису»
.
Мишель Жаро
, руководитель Всемирной метеорологической организации, особенно отметил тот факт, что климатические условия в Арктике в прошлом году были обычными, а это означает, что таяние ледников было вызвано общим потеплением атмосферы Земли. Разумеется, из-за выбросов парниковых газов.
Данный феномен - всего лишь одно из десятков произошедших в 2012 году аномальных погодных явлений, убеждающих нас в том, что аномальное, похоже, становится нормой. Так это или нет, покажет наступивший 2013 год.
По материалам СМИ
Здравствуйте! Данная статья будет на тему изменения климата. Думаю Вам будет интересно то, как на Земле на протяжении ее истории менялся климат.
Необычные погодные явления, которые в последние десятилетия наблюдаются во всем мире, говорят о том, что человечество стоит на пороге глобальной катастрофы.
На нашей планете климат постоянством никогда не отличался, и неоднократно изменялся на протяжении всей истории Земли.
Изучение окаменелостей и горных пород дало возможность получить информацию о климатических условиях на Земле в далеком прошлом.
Например, наличие в недрах Антарктиды (подробнее об этом материке ) угольных пластов, говорит о том, что в этой ледяной пустыне когда-то царил теплый . Ведь уголь образуются из остатков растений, которые буйно развиваются в тропиках.
Также образцы горных пород свидетельствуют о том, что часть Австралии, юго-восточную часть Южной Америки и юг Африки, 300 млн. лет назад покрывали огромные ледовые щиты.
Данные, которые были получены при изучении окаменелостей, и которые касаются изменений климата, подтверждают теорию дрейфа континентов.
Иными словами, ученные сегодня полагают, что при изменении положений частей суши, меняются климатические условия.
Но дрейф континентов (более подробно о дрейфе континентов ) – это медленный процесс и не объясняет причину последнего ледникового периода, который начался 1,8 млн. лет назад, а тогда карта мира мало чем отличалась от нынешней.
Также эта теория не объясняет и серьезных климатических изменений, которые произошли за последние 10 000 лет после окончания ледникового периода.
В частности, дрейф континентов не имеет прямого отношения к необычным погодным явлениям, которые зарегистрированы во всем мире в период 1970-80-х гг.
Послеледниковый период.
Погода в северном полушарии, в ледниковый период, не всегда была холодной. Периоды похолодания (ледовые щиты двигались из полярной области на юг) чередовались с теплыми периодами (льды таяли, отступая на север).
Около 10 000 лет назад завершился последний ледниковый период. Изучая годичные кольца стволов и содержание пыльцы различных деревьев, ученные обнаружили, что вначале наблюдалось быстрое потепление климата.
Лед таял и, соответственно, уровень океана повысился, а многие участки суши оказались затопленными. Так, около 7500 лет назад, оказались отрезанными от Европы (подробнее об этой части света ) Британские острова.
Климат Западной Европы, примерно 7000 лет назад, был теплее сегодняшнего. Средние температуры зимних месяцев были, приблизительно, на 1°С выше, а летних месяцев — на 2-3°С выше чем сегодня.
Поэтому снеговая граница (нижняя граница вечных снегов) находилась примерно на 300 м выше, чем теперь.
Климат Северо-Западной Европы, около 5000 лет назад, стал суше и прохладнее. А Сахара в те времена представляла собой саванну (степь) с множеством озер и рек.
Дальнейшие перемены.
Более холодная и влажная погода в Северо-Западной Европе установилась примерно 3 000 лет назад. Долины Альп покрылись ледниками. В озерах поднялся уровень воды, и появились обширные болота. Сахара превратилась в пустыню.
За последние 2000 лет информацию об изменении погодных условий ученные получают из исторических документов. А в последнее время они используют данные, которые были получены при взятии глубоководных кернов (цилиндрических колонок горных пород) и бурении скважин в ледовых щитах.
Так стало известно, что между 400 и 1200 гг. н. э. в Северо-Западной Европе царила теплая, более сухая и относительно ясная погода. А в Англии рос виноград.
В XIII – XIV вв. произошло следующее похолодание. Зимой, такие реки, как Темза и Дунай покрывались толстым слоем льда, что редко происходит в наши дни. Индия, из-за отсутствия муссонных ветров, страдала от летних засух, а на юго-западе нынешней США (более подробно об этой стране ) была крайне сухая погода.
«Малый ледниковый период» Европа пережила приблизительно с 1550 по 1880 гг. Тогда температура опускалась до минимума.
Последние 100 лет.
Климат после 1880 года постепенно становился теплее вплоть до 1940—1950-х гг., когда примерно на 0,2-0,3°С понизились средние показатели.
Также наряду с этим происходили изменения в глобальном распределении осадков, которые заметны по перемещениям климатических зон (о климатических зонах более подробно ) в направлении «север-юг».
Очевидно, причиной все более и более сильных засух в зоне сахеля, стало незначительное смещение субтропических районов высокого давления (которые еще называют «конскими широтами»).
В странах Экваториальной Африки увеличилось выпадение осадков, что также было с этим связано. Так, в озере Виктория начал повышаться уровень воды, а это грозило затоплением прибрежных населенных пунктов.
Исходя из наблюдающегося глобального похолодания, в середине 1970-х гг., ученые пришли к выводу, что надвигается новый ледниковый период.
Ученые полагали, что последние 10 000 лет могли быть межледниковьем. Но, метеорологические станции всего мира, в течение 1970—1980 гг., регистрировали повышение среднемесячных температур.
Но к концу 1980-х гг. стало очевидным, что с 1880 г. среднемесячные температуры фактически увеличились примерно на 0,5°С.
Все это сопровождалось необычными погодными условиями, включая ранний приход весны, мягкие зимы, более жаркое лето, засухи и временами сильные бури. Все это указывает на то, что на Земле климат становится теплее.
Многие ученные считают, что все эти изменения связаны с загрязнением атмосферы.
Вулканический пепел.
Каковы причины изменения климата? По этому поводу существует много различных теорий, но ученные сошлись во мнении, что ни одна из этих теорий не объясняет все множество перемен в погоде.
Дрейф континентов, как таковой, не оказывает краткосрочного влияния на погодные условия, а вот его последствия (вулканическая деятельность, например), безусловно, могут их изменять.
Например, в 1883 году после сильнейшего извержения вулкана Кракатау, всю планету окутала пелена вулканической пыли. Это способствовало снижению количества солнечной радиации, которая достигала земной поверхности.
В 1982 году в Мексике, в результате извержения вулкана Эль-Чичон, огромное облако пыли было выброшено в стратосферу. Масса этого облака предположительно 16 млн. тонн.
На поверхность Земли пробивалось меньше солнечного тепла, но насколько это количество тепла стало меньше, мнение ученых разошлись.
Но представляется очевидным, что при наступлении периода интенсивной вулканической деятельности, остывает поверхность планеты, это происходит из-за скопления облаков тепла.
В период с 1750 по 1900 гг. наблюдалась высокая вулканическая активность, что могло стать причиной «малого ледникового периода».
Другие теории касаются солнечной активности. Его энергия обеспечивает перемещение воздушных масс планеты и активно воздействует на климат.
Некоторые ученые считают, что основные изменения глобального климата могут быть вызваны колебаниями солнечной постоянной (количества солнечной радиации, которая попадает в атмосферу).
Наклон земной оси.
В основе этой теории лежит изменение угла наклона Земной оси к плоскости орбиты вращения вокруг Солнца. Известно, что к плоскости орбиты земная ось наклонена под углом 23,5°. Но также известно и то, что этот угол вследствие прецессии – медленного движения оси вращения Земли (подробнее о Земном вращении ) по круговому конусу, меняется.
Чем больше угол наклона, тем более резкие различия между зимним и летним сезонами. Исходя из недавних расчетов ученных, изменение наклона земной оси в сочетании с изменениями околосолнечной орбиты Земли, могли существенно отразится на климате.
Вмешательство человека в природу считают одним из главных факторов изменения климата.
Парниковые газы.
Постоянное увеличение содержания в атмосфере углекислого газа является еще одним фактором изменения климата. Углекислый газ называют «парниковым». Он действует как тепличные стекла – т. е. пропускает тепло Солнца через атмосферу, и препятствует отдаче излишков в открытый космос.
Тепловой баланс на Земле всегда помогал поддерживать .
Но при увеличении количества парниковых газов, атмосферой задерживается все больше исходящего от поверхности излучения, а это неизбежно ведет к тому, что растет температура.
Концентрация углекислого газа в атмосфере до 1850 года составляла около 280 частей на миллион. Эта цифра возросла примерно до 345 к 1989 году. А к середине XXI века прогнозируется концентрация порядка 400-600 частей на миллион.
Возможные последствия.
Что произойдет, если продолжит расти количество углекислого газа? Существует такое мнение, что если содержание этого газа удвоится, это приведет к повышению средних температур на 6°С, что, в свою очередь, конечно же, будет иметь очень серьезные последствия для планеты.
Вероятно, углекислый газ – это причина примерно 2 / 3 увеличения глобального потепления климата за последние 100 лет. Но здесь свою роль играют и другие газы.
Метан, например, который образуется при перегнивании растительности. Он в 25 раз улавливает больше тепла, чем углекислый газ. Ученные полагают, что около 15% роста температур дает метан, а еще 8% приходится на долю искусственных газов – хлорированных и фторированных углеводородов (ХФУ).
ХФУ.
ХФУ – это газы, которые используют в аэрозольных баллончиках, холодильниках и растворителях для моющих средств. Также их применяют в теплоизоляционном пенопласте.
Хотя они и встречаются в небольших количествах, ХФУ оказывают значительное влияние на потепление, так как они улавливают в 25 000 раз больше тепла, чем углекислый газ.
Кроме этого, ХФУ разрушают озоновый слой, на высоте 15-35 км над поверхностью Земли. Нашу планету защищает тонкий озоновый слой. Он задерживает большую часть опасного ультрафиолетового солнечного излучения. А попадание в атмосферу ХФУ привело к истощению этого слоя.
Ученые в начале 1980-х гг. над Антарктидой обнаружили «озоновую дыру», а в конце того же десятилетия над Северным Ледовитым океаном появилась дыра меньших размеров.
Истощение озонового слоя способствует не только глобальному потеплению климата, но также усиливает вредное воздействие ультрафиолетового излучения, что грозит очень серьезными последствиями для всего живого на Земле.
Прогнозы.
Повышение температуры во всем мире на 0,5°С за последние 100 лет на первый взгляд мелочь. Но многие ученные считают, что реальная величина глобального потепления скрыта снижением температур, вызванным другими факторами, такими как вулканический пепел или пыль антропогенных пустынь.
Пока невозможны точные прогнозы изменений климата в будущем. Причина тому – недостаточный экологический и метеорологический мониторинг.
Но большинство ученых согласны с тем, что при всей важности продолжения научных исследований, уже существует множество доказательств глобального потепления, и необходимо принять срочные меры, для того чтобы избежать катастрофических последствий для планеты в целом и для всех форм жизни на Земле.
Вот такие изменения климата происходили на нашей планете за ее историю. Земля повидала несколько «ледниковых периодов», потом потеплений, что естественно, повлияло на жизнь. И теперь мы снова стоим на пороге новых изменений климата, а когда и как это произойдет, мы не знаем, нам остается только лишь ожидать...
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
||
Со времени формирования Земли из протопланетного облака происходили сильные изменения в температурном режиме ее поверхности. После того, как почти прекратились бомбардировки Земли кусками протопланетного вещества, распалась большая часть радиоактивных изотопов элементов, уменьшилась диссипация энергии приливов (благодаря отодвиганию Луны), и произошла значительная гравитационная дифференциация земного вещества, эти источники тепла стали слишком слабы, и основными факторами, влияющими на температуру всей поверхности Земли в целом, остались только поток солнечной энергии, поступающей к Земле, а также условия прохождения его и переизлученного потока через атмосферу. Т.е. основными факторами остались только солнечная светимость, пропускание земной атмосферой солнечного излучения, а также парниковый эффект.
Если посмотреть, как менялись солнечная светимость и парниковый эффект за всю историю Земли, то окажется, что солнечная светимость и парниковый эффект изменялись разнонаправлено - солнечная светимость постепенно росла, а парниковый эффект в целом уменьшался (хотя у него наблюдались и колебания на более коротких промежутках времени). Эти разнонаправленные процессы, после того, как основная роль в формировании термического режима поверхности Земли перешла именно к ним, позволили удерживать температуры на поверхности Земли в относительно узком коридоре, в котором возможна биологическая жизнь.
В начальный момент существования Земли, около 4,5 млрд. лет назад, солнечная светимость составляла примерно 1/3 часть от нынешней величины - это связано с тем, что хоть звезда типа Солнца в стабильной фазе своего существования почти не меняется, некоторые медленные изменения все же происходят - водород в ядре постепенно выгорает, и это приводит к очень медленному, но все таки заметному постепенному росту светимости. Парниковый же эффект на начальных этапах существования Земли был очень мощным - значительный нагрев Земли в это время за счет выпадения протопланетных обломков, высокой радиоактивности, и прочих указанных в начале главы причин, вызывал мощную дегазацию земных недр, поток углекислого и других парниковых газов в атмосферу был высок, а эффективных путей вывода их из атмосферы еще не было.
Рис. Изменение средней глобальной температуры поверхности Земли, содержания углекислого газа и кислорода в атмосфере Земли, с архея по настоящее время, в самом грубом приближении
Если в катархее большая часть земной поверхности была расплавлена (особенно значимую роль тут вероятно играла кинетическая энергия соударения с выпадающими на поверхность кусками протопланетного вещества), то в первой половине архея температуры на поверхности уже опустились до уровня примерно 150 градусов Цельсия и даже ниже, что в условиях мощной атмосферы с высоким давлением, позволило начать конденсироваться водяным парам. Наличие жидкой воды включило механизмы геохимического, неорганического механизма вывода углекислого газа из атмосферы. В это время температура опустилась примерно до 70-90 °С, и сохранялась на таком уровне почти до конца архея. К концу архея, примерно около 2,5 млрд. лет назад значительно уменьшилась тектоническая активность, что уменьшило дегазацию недр. Ускорился и вывод углекислого газа из атмосферы. В результате всего за сотню-полторы миллионов лет основные запасы углекислого газа были выведены из атмосферы, наступило первое в истории земли мощное оледенение, известное как гуронское. Оно продолжалось более сотни миллионов лет, и средняя температуры на поверхности Земли на уровне моря в это время составляла менее 10 °С. В дальнейшем все же произошло некоторое накопление углекислого газа в атмосфере, и температуры повысились, хотя так и не достигли архейских значений. Средние температуры большей части протерозоя составляли около 35-40 °С, как показывают исследования. Однако к концу протерозоя на процессы вывода углекислого газа из атмосферы начал влиять новый мощный фактор.
В период примерно 900-600 млн. лет назад, на Земле вновь прошла череда сильнейших оледенений. Похоже они были вызваны широким распространением к тому времени живых организмов, способных к фотосинтезу, причем в условиях, очень хороших для захоронения органики (отсутствие кислорода на океанических глубинах) и вывода углекислого газа из атмосферы на длительный срок. Периодическое чередование таких оледенений была вызвана, вероятно, изъятием очень больших объемов углекислого газа из атмосферы биотой, похолоданием и оледенением, и в конце гибелью большей части биомассы, что приводило к сильному сокращению вывода углекислого газа из атмосферы, его накоплению в атмосфере вновь, и опять к потеплению и возрождению жизни.
Но началу фанерозоя, около 600 млн. лет назад, в атмосфере накопилось уже очень много кислорода, кроме того, вода океанических глубин также насыщалась кислородом, благодаря совокупности биологических, так и геохимических факторов. В результате заработали и механизмы, эффективно возвращающие часть захороняемого углерода из органики обратно в атмосферу в виде углекислого газа. Т.е. эффектитвно заработали и процессы окисления захороняемой органики. Благодаря этому, мощные колебания содержания углекислого газа в атмосфере, и соответственно парникового эффекта, поуменьшились, и климатическая система стала стабильнее.
Рис. а) Изменение содержания углекислого газа в атмосфере (в количествах, кратных современной концентрации), средней глобальной температуры, средней температуры тропических широт, а также величины оледенения начиная от начала фанерозоя (ок. 600 млн. лет назад) и до настоящего времени (Crowley, T.J. and Berner, R.A., 2001, CO2 and climate change, Science 292: 870-872); б) сглаженные данные изменения температуры от докембрийских эпох до наших дней, с указанием конкретного температурного корридора.
Итак, начиная с фанерозоя, изменения средней глобальной температуры в целом стали относительно небольшими, до 10-15 градусов. В основном, это была более теплая эпоха, по сравнению с современностью, хотя за это время и произошли три оледенения, не достигшие однако, масштаба оледенений протерозоя. Это оледенения на границе верхнего ордовика-нижнего силура (460-420 млн. лет назад), слабое оледенение верхнего девона (370-355 млн. лет назад), и наиболее мощное среди них, пермо-карбоновое (350-230 млн. лет назад), начавшеес в каменноугольном периоде. Связывают их с усилением вывода из атмосферы углекислого газа, с возраставшим в эти периоды потоком захоронения углерода (что отражено даже в названии каменноугольного периода). Кроме того, возможно на колебания климата с приблизительными периодами в 150-250 млн. лет (а именно столько проходит между великими длительными оледенениями) влияет накопление захороненого углерода в предыдущие эпохи. Благодаря движению океанической коры и явлению постоянного подныривания и задвига одних плит под другие (субдукция), происходит модуляция выброса вулканами углекислого газа и метана в атмосферу, запасами углерода накопленного на океаническом дне в предыдущие эпохи.
После продолжительной, почти постоянно теплой мезозойской эры, температура опять начала постепенно падать. Падало и содержание углекислого газа в атмосфере - в начале кайнозоя оно было примерно в пять раз больше, чем в современную эпоху.
Рис. Изменение средней глобальной температуры в течение кайнозойской эры, за последние 65 млн. лет.
Описывая изменения климата в относительно холодные эпохи, необходимо особо выделить одно особо важное обстоятельство. После того, как общее понижение температуры достигало такой величины, что в районе полюсов температура опускалась довольно близко к 0 °С, к точке замерзания воды, на климат Земли начинали влиять очень сильно многие факторы, которые в теплые эпохи были малозаметны. Это происходит потому, что тогда даже малого влияния достаточно, чтобы в полярных районах начинали формироваться ледяные шапки, а значит, чтобы и возникала заметная обратная связь между небольшим первоначальным похолоданием, и ростом альбедо, что приводит к дальнейшему, уже большему похолоданию. Так во второй половине эоцена благодаря тому, что ранее вплотную прижатая к Антарктиде Австралия оторвалась от последней, и начала дрейфовать в строну экватора, вокруг Антарктиды начало формироваться широтное циркумполярное течение, которое стало препятствием для притока к Антарктиде теплых вод, идущих от экватора, и это послужило толчком к началу формирования ледяного щита Антарктиды. В дальнейшем, уже в миоцене, после того, как и Южная Америка отодвинулась от Антарктиды, это широтное течение замкнулось, сформировалось окончательно, и полностью преградило доступ тепла, переносимого океаном, к Антарктиде. В результате, при том что продолжалось и снижение парникового эффекта, и сформировался столь мощный ледяной щит в Антарктиде.
Заметно было и влияние на климат горообразования, повлиявшее уже на атмосферную циркуляцию и перенос атмосферой тепла от экватора к полюсам. Это относиться прежде всего к горообразованию в Евразии, в которой на протяжении кайнозоя сформировался значительный горный пояс, от Пиренеев до Гималаев, что привело к ухудшению переноса атмосферой тепла и влаги в сторону Северного полюса.
Кроме того, сильно стали влиять на климат и циклы Миланковича - периодические изменения параметров земной орбиты, с периодами 23, 41 и 100 тыс. лет. Эти циклы определяют изменения количества солнечной энергии, получаемой различными широтными зонами Земли в отдельные сезоны. Если в теплые эпохи их влияние не превышало 1 градуса, то в холодные, после образования хотя бы небольшого ледяного покрова, их влияние на среднепланетарную температуру начинало возрастать, и в конце концов возрастало в несколько раз.
Это происходило прежде всего потому, что возникали сильные обратные связи между изменением температуры, площадью оледенения (а значит и величиной альбедо) и содержанием водяного пара в атмосфере над оледенением (который является основным парниковым газом и вымораживается над ледяным покровом, а ведь современный парниковый эффект от водяного пара превышает целых 20 градусов!).
Кстати, наличие таких обратных связей и сильное влияние ледяного покрова на местный климат приводит к тому, что изменения температуры в высоких широтах (если там есть оледенение), намного превышает изменение температуры в теплых приэкваториальных широтах (понятно, что при этом сильно растет и общая разница температур между экватором и полюсом). К примеру, при переходе между ледниковым периодом и относительным межледниковьем (типа нынешнего), средняя температура теплых областей, где отсутствовал ледяной покров, менялась всего на 1-2 градуса Цельсия, а изменения в полярных областях были около 10 градусов и выше (колебания в Северном полушарии были выше чем в Южном, в связи с тем, что происходили еще сильные изменения в океанической циркуляции - прежде всего в течении Гольфстрим). А при глобальном переходе от состояния с практически полным отсутсвием льда к состоянию ледниковой эпохи (наподобие ледниковых периодов четвертичного периода) изменения температуры в полярных областях были еще значительнее, составляя уже несколько десятков градусов.
Рис. В теплые эпохи, наподобие мезозоя, градиент температуры между экватором и полюсом составлял около 15-20 градусов. В холодные эпохи, наподобие современной, когда возникало оледенение (сначала в приполярных регионах, распространяясь в сторону низких широт со временем), температура в приполярных регионах опускалась значительно сильнее чем на экваторе, на несколько десятков градусов, в то время как на экваторе изменения составляли всего несколько градусов. Градиент температуры между экватором и полюсами увеличивался при этом до 40-60 градусов.
Как видно из рисунка ниже, за последние 5 млн. лет при постепенном снижении температуры сильно росло влияние миланковических циклов (на данном рисунке хорошо видны 100-тысячелетние и наложенные на них 41-тысячелетние циклы), благодаря чему при общем снижении температуры росла амплитуда ее колебаний.
Рис. Изменение температуры за последние 5 млн. лет по данным изотопного анализа органических карбонатов. Температурные колебания даны в эквиваленте колебаний температуры в приполярных областях (т.е. заметно более резких чем в среднем по планете)
Наиболее точно известны температуры (прежде всего высоких широт) и содержание углекислого газа и метана в атмосфере за последние несколько сотен тысяч лет. Это связано с тем, что есть возможность прямого измерения содержания указанных газов в пробах льда, взятого из ледяных щитов Антарктики и Арктики; кроме того, измерение температуры изотопным методом, благодаря доступу к древнему льду, позволяет проверять и подтверждать данные изотопного анализа, получаемые по карбонатным отложениям.
Рис. Изменение температуры и содержания некоторых парниковых газов за последние 160 тыс. лет по данным ледяных кернов.
На рисунке выше показано изменение температуры и содержания углекислого газа за последние 160 тыс. лет. При этом изменение температуры хорошо отображает миланковические циклы (даже видны 20-тысячилетние циклы). Хорошо видно и почти синхронное изменение содержания углекислого газа и температуры. Вместе с тем отмечается, что при переходе от холодной эпохи к более теплой, температура и содержание углекислого газа в атмосфере меняется синхронно, а при обратном переходе изменение концентрации углекислого газа чуть запаздывает по сравнению с изменением температуры.
Судя по всему, в относительно холодные эпохи, когда парниковый эффект сам по себе уже мал (по сравнению с теплыми эпохами, наподобие мезозоя), и существуют уже очаги оледенений, на климат за счет указанных выше обратных связей (по оледенению и водяному пару) начинают сильно влиять факторы Миланковича, и эти же факторы начинают заметно модулировать парниковый эффект и от углекислого газа и метана. Ведь существуют еще и обратные связи между содержанием углекислого газа и метана в атмосфере и температурой. За счет влияния последней на природные резервуары, в которых законсервированы выведенные из атмосферы парниковые газы, возникают к примеру, такие связи: при изменении температуры меняется растворимость углекислого газа в воде, могут разрушаться либо образовываться метангидраты, меняется скорость выброса в атмосферу углекислого газа и метана при разрушении отмершей органики (об этих и других подобных обратных связях будет отдельная глава). Этим можно объяснить то запаздывание снижения уровня углекислого газа в атмосфере по сравнению со снижением температуры, которое наблюдается при похолодании - ведь переход углекислого газа из атмосферы в остывающий океан (холодные воды могут вместить больше углекислого газа) требует довольно длительного времени (в том числе это связано и с растворением карбонатных пород, для высвобождения карбонат-ионов и образования бикарбонат-ионов - а это тысячелетние характерные времена). А синхронное повышение температуры и содержания углекислого газа в атмосфере при потеплении может быть обусловлено мощным выбросом углекислого газа из растаявших при отступлении ледников болот и общей активизации процессов биологического разложения органики. Да и обратное разложение в океане бикарбонат-ионов с разделением на углекислый газ и карбонат-ионы идет уже быстро.
Вместе с тем, нельзя и недооценивать влияние парникового эффекта холодные эпохи - он значительно усиливает колебания температуры. К примеру, оценка влияния парниковых газов за последний климатический цикл на изменение температуры в Антарктиде составляет около 50%, т.е. примерно 3 градуса из 6 (амплитуды ледниково-межледникового изменения) - это изменения температуры благодаря изменению парникового эффекта.
Рис. Изменения средней годовой температуры за последние 140 лет для всего земного шара и изменения среднегодовой температуры за последнюю тысячу лет для Северного полушария. Изменения даны в отклонениях от средней глобальной температуры периода 1960-1990 гг.
Рис. Изменение выброса углекислого газа от человеческой деятельности за последние 140 лет.
В последнее время температура на поверхности планеты начала быстро и сильно расти. Причем, как видно из представленных выше графиков, рост температуры хорошо совпадает с выбросами углекислого газа от человеческой деятельности. Вместе с тем, надо обратить внимание на небольшое потепление в 30-40 годах, заметное на графике. Это потепление связывают не столько с повышением содержания углекислого газа в атмосфере (его в то время было еще маловато), сколько с увеличением прозрачности атмосферы для солнечного излучения, уменьшением альбедо в это время. Дело в том, что примерно с 20х годов ХХ века на несколько десятилетий установилась низкая вулканическая активность, что привело к уменьшению поступления аэрозолей, отражающих солнечный свет, в атмосферу. Однако вскоре вулканическая активность восстановила свой уровень, количество аэрозолей в атмосфере возросло, и дальнейшее потепление было обусловлено только парниковыми газами.
Скорость климатических изменений и уникальность настоящего момента
Как видно из представленных материалов, изменения глобальной средней температуры на Земле были обычно довольно медленными, для колебаний около 1 градуса и более. Даже наиболее резкие изменения в циклах Миланковича, шли со скоростью примерно 1-1,5 °С за 10 тыс. лет, и то в относительно высоких широтах, с ледяным покровом (изменение в среднем по планете в несколько раз меньше, ведь в низких, приэкваториальных широтах, температура меняется очень слабо). В настоящее же время изменения средней глобальной температуры примерно на 1 °С, произошли за время около 100 лет, а прогнозируемые в моделях МГЭИК (IPCC) изменения составляют еще 2-6 градусов за последующие 100 лет.
Вместе с тем, резкие изменения климата в истории Земли все же бывали. Правда они были преимущественно довольно локальными, не распространяясь полностью на всю планету. По настоящему глобальное резкое изменение климата в истории Земли известно только одно - это эоценовый термический максимум. Однако вначале разберемся с локальными изменениями.
При исследовании ледяных кернов Гренландии за последние несколько десятков тысяч лет были обнаружены резкие колебания температуры - менее чем за столетие из очень холодного состояния, местный климат в Гренландии теплел более чем на 10 градусов, температура поднималась до почти современных (правда тоже довольно низких) значений.
Рис. Изменения температуры за последние 40 тыс. лет в приполярных регионах Северного и Южного полушария по данным изотопного анализа ледяных кернов. Хорошо заметны резкие колебания в Северном полушарии и практическое отсутствие их в Южном.
Резкие изменения температуры в эпоху «юного дриаса» и несколько более ранних эпох, заметны не только в Гренландии, но и в Европе, да и во многих других районах Северного полушария. Однако в южном полушарии эти изменения почти не заметны, а в Антарктиде и вовсе отсутствуют (в эпоху «юного дриаса» в Антарктиде правда тоже было небольшое изменение, начавшееся, однако на 1000 лет раньше и бывшее заметно слабее). Подобные резкие изменения температуры в районе Северной Атлантики связывают с резкими изменениями течения Гольфстрим, которое несет теплые поверхностные воды из приэкваториальных районов к приполярным. Подобные резкие, но относительно локальные изменения могут произойти и в самом ближайшем будущем, под действием даже значительно менее заметных глобальных изменений климата.
Как уже указано выше, в истории Земли на сегодняшний день известно и одно довольно резкое глобальное изменение климата. Это эоценовый термический максимум 55 млн. лет назад (см. резкий пик на одном из рисунков выше, там где представлен график изменения средней глобальной температуры за последнее 67 млн. лет). Это событие началось с резкого и быстрого повышения температуры, за несколько тысяч лет потепление на поверхности океанов составило 8 °С, глубинные воды потеплели на 6 °С. И потом около 200 тыс. лет потребовалось для восстановления прежнего состояния.
Рис. Эоценовый термический максимум 55 млн. лет назад характеризовался быстрым и значительным подъемом температуры поверхности Мирового океана и глубинных вод. При этом отмечалось и резкое повышение содержания метана в атмосфере.
Это резкое изменение связывают с большим выбросом метана в атмосферу, из подвергнувшихся внезапному разложению запасов метангидратов, предположительно благодаря начавшейся тектонической активности в районе одного из больших скоплений метангидратов, либо благодаря изменению океанических течений. Как раз к тому времени на океаническом дне уже около десятка млн. лет, как существовали относительно благоприятные условия для накопления метангидратов - ведь температура, и особенно глубинных вод, по окончании мезозойской эры заметно понизилась. Это и позволило накопиться заметно количеству метангидратов. Под воздействием внешней силы они начали интенсивно разрушаться, а далее, благодаря сильному влиянию выбросов метана на парниковый эффект, уже сами выбросы и потепление от них, способствовали дальнейшему разрушению метангидратов, пока их запасы не исчерпались, и поступление метана в атмосферу из этого источника не прекратилось.
Подобная ситуация резкого, и даже более резкого чем тогда, глобального потепления может повториться и в близком будущем - ведь прогнозируемое потепление в несколько градусов, от обычных антропогенных выбросов парниковых газов, уже вполне может повлиять на условия залегания метангидратов, вполне может нарушить их стабильность. А накоплено сейчас метангидратов в примерно десять раз больше, чем было накоплено ко времени эоценового термического максимума.
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.
Наука накопила много сведений об изменениях земного климата в прошлом, но не может сказать почти ничего достоверного о причинах, которые вызвали эти изменения.
Можно считать доказанным, что за всю историю Земли климат менялся неоднократно, и в целом много миллионов лет тому он был более теплым. Однако уже в пределах нескольких последних миллионов лет было по крайней мере четыре ледниковых периода со значительным похолоданием климата в средних широтах северного полушария, когда температура была ниже современной на 5 °С, а в межледниковый период повышалась на несколько градусов, оставаясь в первый межледниковый период на несколько градусов ниже ее современного значения, а в два следующих - на несколько градусов выше ее. В ледниковые периоды значительные пространства полярных и умеренных широт северного полушария были покрыты льдами, а на свободных ото льда участках климат был значительно суровее и суше современного.
Из четырех ледниковых эпох самая древняя - гюнц-небрасская (начало - около 1 млн. лет тому назад, конец - около 600 тыс. лет тому назад), известная по ледникам, которые покрывали территорию Западной Европы, Канады и части США. Потом ледники отступили, а после нескольких сотен тысяч лет потепления началось новое оледенение в Европе и в Северной Америке, которое получило название миндельско-окско-канзасского (приблизительно 500-250 тыс. лет тому назад). Потом пришла Большая межледниковая эпоха с очень теплым климатом в северном полушарии, за которое пошло новое, самое интенсивное оледенение, русско-днепровско-иллинойськое (приблизительно 200-100 тыс. лет тому), при котором ледники в Восточной Европе достигли 48° с. ш. Новое потепление привело к отходу ледников за границы континентов Евразии и Северной Америки, но потом началось еще одно, последнее, большое оледенение - вюрмско-висло-валдайско-висконсинское, что началось близко 75 тыс. лет тому назад и закончилось приблизительно 40 тыс. лет тому назад. Потепление, которое сменило последнее оледенение, распространяется уже и на наше время. Оно достигло максимума в северных широтах в так называемую эпоху викингов (конец минувшего - начало нынешнего тысячелетия), когда выходцы из Скандинавии - викинги - достигли по свободным ото льда водам Северной Атлантики, Исландии, Южной Гренландии и даже Лабрадора и Ньюфаундленда в Северной Америке и начали заселять их. Однако в XII столетии появились первые признаки прекращения потепления, и в XV-XVII столетиях началось небольшое оледенение, малый ледниковый период, во времена которого льды снова сковали всю Гренландию, ледники Альп и продвинулись в долины Центральной Европы и вызвали очень суровые зимы в всем умеренном поясе Европы. Очередное потепление началось в конце XIX столетие.
Колебание климата в 20-м веке
Наличие систематических наблюдений на большой сети станций в обоих полушариях Земли позволяет составить полную картину колебаний климата с начала века и к нашим дням. Потепление, которое началось в 19 веке, достигло максимума в 20-30-е годы и оказалось наиболее существенным в Арктике, где зимние температуры воздуха повысились в Гренландии на 5 °С, а на Шпицбергене - даже на 8-9 °С. Повсеместно отступали ледники в Европе, Азии, Канаде, в горах стала более высокой граница снежного покрова. В арктических морях уменьшились в размерах острова, покрытые ледником, а некоторые из них исчезли совсем - на их месте остались лишь подводные банки. В северном полушарии отступила к северу граница вечной мерзлоты, а площадь льдов в арктических морях сократилась наполовину. На 1,5-2°С теплее стали воды в Баренцевом море и в Северном Ледовитом океане, что привело к широкой миграции на север промышленных рыб - трески, селедки и расширению ареала млекопитающих и птиц. Потепление отмечалось и в южном полушарии, то есть носило глобальный характер, хотя в средних и низких широтах оно не было интенсивным. В масштабах полушарий оно составило около половины градуса. В конце 40-х годов потепление сменилось незначительным похолоданием, которое, однако, не было глобальным, в частности, не отмечалось в Австралии. Но в северном полушарии началось наступление ледников, выросла площадь полярных льдов. В конце 50-х годов приземная температура воздуха в северном полушарии упал ниже среднего значения, но к 60-м годам снова немного поднялась.
В 70-е года снова наметилось небольшое потепление, которое было нестойким. Что наблюдается сейчас, точно сказать нельзя. В зависимости от того, какое количество метеорологических станций Земного шара привлекать для подсчета и какой пользоваться методикой расчетов, можно получить разные результаты, прямо противоположные по своему характеру. Одни ученые склонны считать, что потепление продолжается и земной климат постепенно будет приближаться к такому, который был в плиоцене. Другие, наоборот, считают, что потепление безвозвратно закончилась и Земля стоит перед новым наступлением льдов, в преддверии новой ледниковой эпохи...
Возможность прийти к противоположным выводам при анализе одного и того же материала свидетельствует о несущественности современных изменений климата и отсутствии общепринятой методики их оценки. Колебания климата, подобные тем, которые происходят сейчас, неоднократно имели место и в сравнительно недалеком прошлом. Периоды продолжительностью 15-25 лет, каждый с потеплениями и похолоданиями, на протяжении трех последних веков наблюдались не раз. Так, известна очень суровая зима 1739/40 года в Европе, подобная зиме 1978/79 года. Памятны суровые зимы 1809, 1912, 1941/42, 1949/50, 1955/56, 1965/66 годов и, наоборот, очень теплые зимы 1924/25, 1948/49, 1951/52, 1956/57 и 1975/76 годов. Но все эти колебания имели естественный характер, они не были связаны с вмешательством человека.