7.3: Наука про зміну клімату

Що спричиняє глобальні зміни клімату?

Вчені визначили джерелом наших поточних глобальних змін клімату як збільшення викидів парникових газів, спричинених людиною, таких як вуглекислий газ (CO ₂), метан (CH ₄) та закис азоту (N ₂ O), починаючи з промислової революції. Парникові гази визначаються як великі (не менше трьох атомів) молекули газу, які беруть участь в парниковому ефекті. Хоча ви вже знаєте про «велику трійку» парникових газів (CO ₂, CH ₄ та N ₂ O), важливо розуміти, що водяна пара (H ₂ O) також є парниковим газом. Хоча люди мало безпосередньо впливають на концентрацію водяної пари в атмосфері, це все ще важливий компонент природного парникового ефекту, який виникає в нашій атмосфері.

Земля отримує енергію від Сонця і, в свою чергу, випромінює енергію назад в космос. Коли ці дві енергії рівні, досягається стабільна температура Землі. Цю температуру можна розрахувати з базової фізики і дорівнює приблизно -18° C (0° F). Ця температура теплової рівноваги, очевидно, набагато холодніше, ніж температура поверхні Землі. Фактичне середнє значення температури поверхні Землі становить близько 15° C (59° F). Різниця між цими температурами обумовлена насамперед концентрацією природних парникових газів в атмосфері, що спричиняє парниковий ефект. Якби на Землі не було природних атмосферних парникових газів, температура на поверхні Землі дорівнювала б температурі теплової рівноваги. Вплив цих парникових газів, в основному води і деяких CO ₂, помірковує клімат Землі і робить можливим життя (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Оскільки сонячна радіація досягає атмосфери Землі, існують різноманітні можливості для її долі. Деяка сонячна радіація відбивається Землею і її атмосферою, і не сприяє потеплінню. Деякі проходять через атмосферу і досягають поверхні Землі. Коли це сонячне випромінювання поглинається об'єктами на поверхні Землі, воно повторно випромінюється як інфрачервоне випромінювання (тепло), яке виходить у космос. Однак частина цього тепла перехоплюється в атмосфері парниковими газами. Ці гази поглинають і повторно випромінюють випромінювання у всіх напрямках. Це створює потепління впливу на поверхню Землі. Радіація може відскочити від однієї молекули парникового газу до іншої, потрапляючи в пастку та збільшуючи його потенціал потепління. З цієї причини підвищена концентрація парникових газів викликає збільшення загального потенціалу потепління атмосфери Землі.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Ця діаграма показує парниковий ефект Землі. Земля поглинає частину енергії, яку вона отримує від сонця, а решту випромінює назад у космос. Однак певні гази в атмосфері, звані парниковими газами, поглинають частину енергії, що випромінюється від Землі, і затримують її в атмосфері. Ці гази по суті діють як ковдра, роблячи поверхню Землі теплішою, ніж було б інакше. Хоча цей парниковий ефект виникає природним шляхом, роблячи життя таким, яким ми знаємо, це можливо, діяльність людини в минулому столітті значно збільшила кількість парникових газів в атмосфері, змушуючи атмосферу затримувати більше тепла і призвело до змін температури Землі. Кредит: EPA США

За геологічним часовим масштабом клімат багато разів змінювався в минулому, ще до присутності людини. Ці зміни відбулися природним шляхом, тому що людина ще не еволюціонувала. Відомим прикладом минулих змін клімату є виникнення льодовикових періодів. Льодовикові періоди неодноразово траплялися протягом всієї історії Землі, найсуворіший льодовиковий період, з яких вчені мають достовірні дані, стався близько 650 000 років тому. За цей час льодовиковий лід покрив більшу частину Канади, північної частини США та північної Європи; рівень океану знизився на 120 м, а температура знизилася на 5° C.

Геологічна історія крижаних подій зберігається в крижаних покривах, що охоплюють Антарктиду і Гренландію. Ця історія була розкрита протягом останніх десятиліть вченими, які глибоко впилися в лід і розшифрували записи температури і складу атмосфери, що зберігаються в льоду. Цей процес отримання крижаних сердечників показаний на малюнку\(\PageIndex{2}\). Температуру, при якій спочатку утворився лід, можна отримати з інтерпретації виміряного співвідношення стабільних ізотопів (опис ізотопів див. Додаток до глави 1) кисню в молекулах води, що утворюють лід. Склад атмосферного газу береться з бульбашок повітря, що потрапили в лід в момент утворення. З цих даних вчені зібрали набір достовірних даних, які відстежують температуру атмосфери та концентрації газу, які датуються 800 000 років. Ці дані допомогли вченим прийти до висновку, що температура Землі і концентрації парникових газів безпосередньо співвідносяться один з одним (рис.\(\PageIndex{3}\)). Під час льодовикового періоду 650 000 років тому Земля відчувала пригнічену температуру і атмосферні концентрації CO ₂ нижче 200 частин на мільйон (ppm). З цих даних ми також бачимо, що концентрації CO ₂ можуть бути природно підвищені до 300 ppm, корелюючи з підвищеними температурами.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): 8 грудня 2010 року Мішель Кутник з Центру льоду та клімату Копенгагенського університету підготувала руду антарктичного льоду, яку потрібно загорнути та покласти в основні трубки для транспортування назад до лабораторій Університету Бригама Янга в штаті Юта. Але спочатку Кутник виміряв довжину, діаметр і вагу сердечника. Траверса була першою з двох польових кампаній з вивчення накопичення снігу на Західній Антарктиці льодовикового покриву та прив'язки інформації до більш масштабних даних, зібраних із супутників. 120 м, і середній світовий кредит: NASA/Lora Koenig.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Оцінки зміни концентрації CO ₂ на Землі (вгорі) та температури Антарктики (знизу), засновані на аналізі даних крижаного ядра, що сягають 800 000 років. До минулого століття природні фактори призвели до того, що концентрації CO ₂ в атмосфері змінювалися в межах приблизно від 180 до 300 ppm. Теплі періоди збігаються з періодами відносно високих концентрацій CO ₂. ПРИМІТКА: Зміни температури минулого століття та швидке зростання CO ₂ (до 400 ppm у 2015 році) тут не показані. Джерело: На основі даних, що з'являються в NRC (2010).

Основний цикл льодовикових періодів 100 000 років та деякі варіації в межах циклів дуже добре узгоджуються з прогнозованими періодичними взаємозв'язками між орбітою Землі навколо Сонця, які зазвичай називають циклами Міланковича. Цикли Міланковича описують дуже незначні «коливання», які відбуваються в нахилі та шляху Землі, коли вона рухається навколо Сонця. Земля завжди злегка нахилена на своїй осі по відношенню до Сонця. Кут цього нахилу, однак, періодично змінюється, варіюючись приблизно від 22° до приблизно 25°. Менш суворий нахил призведе до більш м'якого літа та зими поблизу полюсів, запобігаючи повному літньому таненню льоду в північних та південних регіонах та дозволяючи накопичувати льоду з року в рік.

Шляхи, по якому Земля подорожує у своїй подорожі навколо Сонця, також змінюється від більш круглої до більш витягнутої форми. Знову ж таки, кругла орбіта призведе до більш м'якого літа та зими близько до полюсів. Це дуже тривалі зміни, і результати циклів Міланковича можуть спостерігатися в зміні температури і атмосферної концентрації CO ₂, показаних на малюнку\(\PageIndex{3}\). Подія зміни клімату, яку зараз документують вчені, відбувається набагато швидше, ніж можна пояснити циклами Міланковича. Тому вчені сходяться на думці, що причина нашого в даний час мінливого клімату пов'язана з впливом людини, а не природними силами.