44.5: Клімат та наслідки глобальних змін клімату

Навички для розвитку

• Визначте глобальні зміни клімату
• Узагальнити вплив промислової революції на глобальну концентрацію вуглекислого газу в атмосфері
• Опишіть три природні фактори, що впливають на довгостроковий глобальний клімат
• Перерахуйте два і більше парникових газів і опишіть їх роль в парниковому ефекті

На всі біоми повсюдно впливають глобальні умови, такі як клімат, які в кінцевому підсумку формують навколишнє середовище кожного біома. Вчені, які вивчають клімат, відзначили низку помітних змін, які поступово стають все більш очевидними протягом останніх шістдесяти років. Глобальні зміни клімату - це термін, який використовується для опису змінених глобальних погодних умов, включаючи світове підвищення температури, значною мірою через підвищення рівня атмосферного вуглекислого газу.

Клімат і погода

Поширеною помилкою щодо глобальних змін клімату є те, що конкретна погодна подія, що відбувається в певному регіоні (наприклад, дуже прохолодний тиждень у червні в центральній Індіані), є свідченням глобальних змін клімату. Однак холодний тиждень у червні - це подія, пов'язана з погодою, а не кліматична. Ці помилки часто виникають через плутанину щодо умов клімату та погоди.

Клімат відноситься до довгострокових, передбачуваних атмосферних умов конкретної місцевості. Клімат біома характеризується постійною температурою та річними діапазонами опадів. Клімат не стосується кількості дощів, які випали на один конкретний день у біомі, або температури холодніші за середні, що відбулися в один день. На відміну від цього, погода відноситься до умов атмосфери протягом короткого періоду часу. Прогнози погоди зазвичай робляться на 48-годинні цикли. Довгострокові прогнози погоди доступні, але можуть бути ненадійними.

Щоб краще зрозуміти різницю між кліматом і погодою, уявіть, що ви плануєте захід на відкритому повітрі в північному Вісконсині. Ви б думали про клімат, коли плануєте подію влітку, а не взимку, тому що у вас є довгострокові знання, що будь-яка дана субота в травні - серпні буде кращим вибором для заходу на відкритому повітрі у Вісконсині, ніж будь-яка дана субота в січні. Однак визначити конкретний день, в який має відбутися подія, не можна, оскільки важко точно передбачити погоду на конкретний день. Клімат можна вважати «середньою» погодою.

Глобальні зміни клімату

Зміна клімату можна зрозуміти, наблизившись до трьох напрямків дослідження:

• поточні та минулі глобальні зміни клімату
• причини минулих і сучасних глобальних змін клімату
• давні та сучасні результати зміни клімату

Корисно чітко розділяти ці три різні аспекти зміни клімату під час споживання повідомлень ЗМІ про глобальні зміни клімату. У звітах та дискусіях про глобальні зміни клімату прийнято плутати дані, що показують, що клімат Землі змінюється, з факторами, що сприяють цій зміні клімату.

Докази глобальних змін клімату

Оскільки вчені не можуть повернутися назад у часі, щоб безпосередньо вимірювати кліматичні змінні, такі як середня температура та опади, вони повинні замість цього побічно вимірювати температуру. Для цього вчені спираються на історичні свідчення минулого клімату Землі.

Антарктичні крижані ядра є ключовим прикладом таких доказів. Ці крижані ядра - це зразки полярного льоду, отримані за допомогою дрилів, які досягають тисяч метрів у крижані покриви або високі гірські льодовики. Перегляд крижаних ядер схожий на подорож назад у часі; чим глибше зразок, тим раніше період часу. У пастці льоду знаходяться бульбашки повітря та інші біологічні докази, які можуть виявити дані про температуру та вуглекислий газ. Антарктичні крижані ядра були зібрані та проаналізовані для опосередкованої оцінки температури Землі за останні 400 000 років (Рисунок\(\PageIndex{1}\) а). 0° C на цьому графіку відноситься до довгострокового середнього значення. Температури, що перевищують 0° C, перевищують довгострокову середню температуру Землі. І навпаки, температури менше 0° C менші за середню температуру Землі. Ця цифра показує, що відбувалися періодичні цикли підвищення і зниження температури.

До кінця 1800-х років Земля була цілих 9° C прохолодніше і близько 3° C тепліше. Зверніть увагу, що графік на малюнку\(\PageIndex{1}\) b показує, що атмосферна концентрація вуглекислого газу також підвищувалася і падала в періодичних циклах; зверніть увагу на взаємозв'язок між концентрацією вуглекислого газу та температурою. На малюнку\(\PageIndex{1}\) b показано, що рівень вуглекислого газу в атмосфері історично циклікував між 180 і 300 частинами на мільйон (ppm) за обсягом.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Лід на російській станції Восток в Східній Антарктиді був закладений протягом 420 000 років і досяг глибини понад 3 000 м Вимірюючи кількість CO ₂, що потрапив в лід, вчені визначили минулі атмосферні концентрації CO ₂. Температури щодо сучасних днів визначали з кількості дейтерію (ізотопу водню) присутнього.

\(\PageIndex{1}\)Рисунок а не показує останні 2000 років з достатньою деталізацією, щоб порівняти зміни температури Землі протягом останніх 400 000 років зі зміною температури, яка відбулася в більш недавньому минулому. Дві значні температурні аномалії, або порушення, відбулися за останні 2000 років. Це середньовічна кліматична аномалія (або середньовічний теплий період) та Малий льодовиковий період. Третя температурна аномалія узгоджується з промисловою епохою. Середньовічна аномалія клімату сталася між 900 і 1300 н.е. Протягом цього періоду багато вчених-кліматологів вважають, що в багатьох куточках світу переважали трохи тепліші погодні умови; перепади температури вище середнього коливалися між 0,10° C і 0.20° C вище норми. Хоча 0.10° C не здається достатньо великим, щоб спричинити будь-які помітні зміни, це звільнило моря льоду. Через це потепління вікінги змогли колонізувати Гренландію.

Маленький льодовиковий період був холодним періодом, який стався між 1550 і 1850 н.е. За цей час невелике похолодання трохи менше 1° C спостерігалося в Північній Америці, Європі та, можливо, інших районах Землі. Ця зміна глобальної температури на 1° C є, здавалося б, невеликим відхиленням температури (як це спостерігалося під час середньовічної кліматичної аномалії); однак це також призвело до помітних змін. Історичні розповіді показують час виключно суворих зим з великою кількістю снігу та морозу.

Промислова революція, яка почалася приблизно в 1750 році, характеризувалася змінами в більшій частині людського суспільства. Досягнення в сільському господарстві збільшили продовольчі пропозиції, що покращило рівень життя людей Європи та США. Були придумані нові технології і забезпечували робочі місця і більш дешеві товари. Ці нові технології працювали з використанням викопного палива, особливо вугілля. Промислова революція, починаючи на початку дев'ятнадцятого століття, відкрила початок промислової ери. При спалюванні викопного палива виділяється вуглекислий газ. З початком індустріальної ери атмосферний вуглекислий газ почав підвищуватися (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Атмосферна концентрація CO ₂ неухильно зростала з початку індустріалізації.

Поточні та минулі драйвери глобальних змін клімату

Оскільки неможливо повернутися назад у часі, щоб безпосередньо спостерігати та вимірювати клімат, вчені використовують непрямі докази для визначення драйверів або факторів, які можуть бути відповідальними за зміну клімату. Непрямі докази включають дані, зібрані за допомогою крижаних ядер, свердловин (вузький вал, просвердлений у землю), кільця дерев, довжини льодовиків, залишки пилку та океанські відкладення. Дані показують кореляцію між термінами зміни температури та драйверами зміни клімату: до промислової ери (до 1780) існувало три драйвери зміни клімату, які не були пов'язані з діяльністю людини або атмосферними газами. Перший з них - цикли Міланковича. Цикли Міланковича описують вплив незначних змін орбіти Землі на клімат Землі. Тривалість циклів Міланковича коливається від 19 000 до 100 000 років. Іншими словами, можна очікувати деяких передбачуваних змін клімату Землі, пов'язаних зі змінами орбіти Землі мінімум кожні 19 000 років.

Зміна інтенсивності сонця є другим природним фактором, що відповідає за зміну клімату. Сонячна інтенсивність - це кількість сонячної енергії або енергії, яку сонце випромінює за певний проміжок часу. Існує пряма залежність між сонячною інтенсивністю і температурою. Зі збільшенням (або зменшенням) сонячної інтенсивності температура Землі відповідно збільшується (або зменшується). Зміни сонячної інтенсивності були запропоновані як одне з декількох можливих пояснень Малого льодовикового періоду.

Нарешті, виверження вулканів є третім природним драйвером зміни клімату. Виверження вулканів можуть тривати кілька днів, але тверді речовини та гази, що виділяються під час виверження, можуть впливати на клімат протягом декількох років, викликаючи короткочасні зміни клімату. Гази та тверді речовини, що виділяються виверженнями вулканів, можуть включати вуглекислий газ, водяну пару, діоксид сірки, сірководень, водень та чадний газ. Взагалі, виверження вулканів охолоджують клімат. Це сталося в 1783 році, коли в Ісландії вивергалися вулкани і викликали викид великих обсягів сірчаної оксиду. Це призвело до охолодження з ефектом імли, глобального явища, яке виникає, коли пил, попіл або інші зважені частинки блокують сонячне світло і в результаті викликають зниження глобальних температур; охолодження з ефектом димки зазвичай триває протягом одного або декількох років. У Європі та Північній Америці охолодження з ефектом туману призвело до одних із найнижчих середніх зимових температур у 1783 та 1784 роках.

Парникові гази, мабуть, є найбільш значущими драйверами клімату. Коли теплова енергія сонця вражає Землю, гази, відомі як парникові гази, затримують тепло в атмосфері, як і скляні панелі теплиці утримують тепло від виходу. Парникові гази, що впливають на Землю, включають вуглекислий газ, метан, водяну пару, закис азоту та озон. Приблизно половина випромінювання від сонця проходить через ці гази в атмосфері і вражає Землю. Це випромінювання перетворюється на теплове випромінювання на поверхні Землі, а потім частина цієї енергії повторно випромінюється назад в атмосферу. Парникові гази, однак, відображають значну частину теплової енергії назад на поверхню Землі. Чим більше парникових газів знаходиться в атмосфері, тим більше теплової енергії відбивається назад на поверхню Землі. Парникові гази поглинають і випромінюють радіацію і є важливим фактором парникового ефекту: потепління Землі за рахунок вуглекислого газу та інших парникових газів в атмосфері.

Докази підтверджують взаємозв'язок між атмосферними концентраціями вуглекислого газу та температурою: у міру зростання вуглекислого газу глобальна температура підвищується. З 1950 року концентрація атмосферного вуглекислого газу зросла з приблизно 280 проміле до 382 проміле в 2006 році. У 2011 році концентрація вуглекислого газу в атмосфері становила 392 проміле. Однак планета не була б придатною для проживання нинішніми формами життя, якби водяна пара не виробляла свого різкого ефекту тепличного потепління.

Вчені дивляться на закономірності в даних і намагаються пояснити відмінності або відхилення від цих закономірностей. Дані атмосферного вуглекислого газу виявляють історичну картину збільшення та зменшення вуглекислого газу, циклічно між низьким 180 ppm та високим показником 300 ppm. Вчені дійшли висновку, що для підвищення рівня вуглекислого газу в атмосфері потрібно близько 50 000 років від низької мінімальної концентрації до більш високої максимальної концентрації. Однак, починаючи з недавнього часу, концентрації вуглекислого газу в атмосфері збільшилися за межі історичного максимуму 300 ppm. Нинішнє збільшення атмосферного вуглекислого газу відбулося дуже швидко - за лічені сотні років, а не тисячі років. У чому причина такої різниці в швидкості зміни і кількості збільшення вуглекислого газу? Ключовим фактором, який слід визнати при порівнянні історичних даних та поточних даних, є наявність сучасного людського суспільства; жоден інший драйвер зміни клімату не приніс змін рівня вуглекислого газу в атмосфері з такою швидкістю або до такої величини.

Діяльність людини виділяє вуглекислий газ та метан, два найважливіші парникові гази, в атмосферу кількома способами. Первинним механізмом, що виділяє вуглекислий газ, є спалювання викопного палива, такого як бензин, вугілля та природний газ (рис.\(\PageIndex{3}\)). Вирубка лісів, виробництво цементу, тваринництво, розчищення земель та спалювання лісів - це інша діяльність людини, яка виділяє вуглекислий газ. Метан (CH ₄) утворюється, коли бактерії розщеплюють органічну речовину в анаеробних умовах. Анаеробні умови можуть статися, коли органічна речовина потрапляє під водою (наприклад, у рисових порід) або в кишечнику травоїдних тварин. Метан також може виділятися з родовищ природного газу і розкладання, яке відбувається на звалищах. Ще одним джерелом метану є плавлення клатратів. Клатрати - це заморожені шматки льоду і метану, знайдені на дні океану. Коли вода нагрівається, ці шматки льоду тануть і виділяється метан. Зі збільшенням температури води в океані швидкість танення клатратів зростає, виділяючи ще більше метану. Це призводить до підвищення рівня метану в атмосфері, що ще більше прискорює темпи глобального потепління. Це приклад позитивного зворотного зв'язку, який призводить до швидкої швидкості підвищення глобальних температур.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Спалювання викопного палива в промисловості та транспортних засобах виділяє вуглекислий газ та інші парникові гази в атмосферу. (кредит: «Pöllö» /Вікісховище)

Документовані результати зміни клімату: минуле і сьогодення

Вчені мають геологічні докази наслідків давніх змін клімату. Сучасні явища, такі як відступаючі льодовики та танення полярного льоду, викликають постійне підвищення рівня моря. Тим часом зміни клімату можуть негативно позначитися на організмах.

Геологічні зміни клімату

Глобальне потепління було пов'язане принаймні з однією подією вимирання на планеті протягом геологічного минулого. Подія вимирання Пермі відбулася близько 251 мільйона років тому до кінця приблизно 50-мільйонного геологічного періоду часу, відомого як пермський період. Цей геологічний часовий період був одним з трьох найтепліших періодів в геологічній історії Землі. Вчені підрахували, що приблизно 70 відсотків наземних видів рослин і тварин і 84 відсотки морських видів вимерли, зникнувши назавжди ближче до кінця пермського періоду. Організми, які пристосувалися до вологих та теплих кліматичних умов, таких як річна кількість опадів 300-400 см (118—157 дюймів) та 20° C — 30° C (68° F — 86° F) у тропічному вологому лісі, можливо, не змогли пережити зміни клімату Пермі.

Посилання на навчання

Перегляньте це відео NASA, щоб виявити змішаний вплив глобального потепління на ріст рослин. Хоча вчені виявили, що більш теплі температури в 1980-х та 1990-х роках спричинили підвищення продуктивності рослин, ця перевага з тих пір протидіяла більш частими посухами.

Нинішні зміни клімату

Відбувся ряд глобальних подій, які можуть бути віднесені до зміни клімату протягом нашого життя. Національний парк Льодовик в Монтані переживає відступ багатьох своїх льодовиків, явище, відоме як льодовиковий спад. У 1850 році площа містила приблизно 150 льодовиків. Однак до 2010 року парк містив лише близько 24 льодовиків розміром більше 25 акрів. Одним з таких льодовиків є льодовик Гріннелла (рис.\(\PageIndex{4}\)) на горі Гулд. У період з 1966 по 2005 рік розмір льодовика Гріннелла зменшився на 40 відсотків. Аналогічно зменшується маса крижаних покривів в Гренландії та Антарктиці: Гренландія втрачала 150-250 км ³ льоду на рік між 2002 та 2006 роками. Крім того, зменшуються розміри і товщина арктичного морського льоду.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Ефект глобального потепління можна побачити в триваючому відступі льодовика Гріннеля. Середньорічна температура в парку зросла на 1,33° C з 1900 року. Втрата льодовика призводить до втрати літніх талих вод, різко зменшуючи сезонні запаси води та сильно впливаючи на місцеві екосистеми. (Кредит: модифікація роботи ЄСГС)

Ця втрата льоду призводить до підвищення глобального рівня моря. В середньому море піднімається зі швидкістю 1,8 мм на рік. Однак між 1993 і 2010 роками темпи підвищення рівня моря коливалися від 2,9 до 3,4 мм на рік. На обсяг води в океані впливають різноманітні фактори, включаючи температуру води (щільність води пов'язана з її температурою) і кількість води, що знаходиться в річках, озерах, льодовиках, полярних крижаних шапках, морському льоду. Оскільки льодовики та полярні крижані шапки тануть, існує значний внесок рідкої води, яка раніше була заморожена.

На додаток до деяких абіотичних умов, що змінюються у відповідь на зміну клімату, на багато організмів також впливають зміни температури. Температура і опади відіграють ключову роль у визначенні географічного розподілу та фенології рослин і тварин. (Фенологія - це вивчення впливу кліматичних умов на терміни періодичних подій життєвого циклу, таких як цвітіння рослин або міграція у птахів.) Дослідники довели, що 385 видів рослин у Великобританії цвітуть на 4,5 дня раніше, ніж було зафіксовано раніше протягом попередніх 40 років. Крім того, комахозапилювані види частіше цвітуть раніше, ніж вітрозапилювані види. Вплив змін дати цвітіння буде пом'якшений, якщо запилювачі комах з'явилися раніше. Цей невідповідний час рослин та запилювачів може призвести до шкідливих наслідків екосистеми, оскільки для подальшого виживання рослини, що запилюються комахами, повинні цвісти, коли присутні їх запилювачі.

Резюме

Земля пройшла через періодичні цикли підвищення і зниження температури. Протягом останніх 2000 років середньовічна кліматична аномалія була більш теплим періодом, тоді як Малий льодовиковий період був надзвичайно прохолодним. Обидві ці нерівності можна пояснити природними причинами змін клімату, і, хоча температурні перепади були невеликими, вони мали значні наслідки. Природні драйвери зміни клімату включають цикли Міланковича, зміни сонячної активності та виверження вулканів. Жоден з цих факторів, однак, не призводить до швидкого підвищення глобальної температури або стійкого збільшення вуглекислого газу. Спалювання викопного палива є важливим джерелом парникових газів, який відіграє головну роль у парниковому ефекті. Давним-давно глобальне потепління призвело до пермського вимирання: масштабної події вимирання, яка задокументована в записі викопних копалин. В даний час сучасні зміни клімату пов'язані з посиленим таненням льодовиків і полярних крижаних покривів, що призводить до поступового підвищення рівня моря. Рослини та тварини також можуть постраждати від глобальних змін клімату, коли на терміни сезонних подій, таких як цвітіння або запилення, впливає глобальне потепління.

Глосарій

клатрати

заморожені шматки льоду та метану, знайдені на дні океану

клімат

довгострокові, передбачувані атмосферні умови, присутні в конкретній місцевості

глобальні зміни клімату

змінені глобальні погодні умови, включаючи світове підвищення температури, значною мірою через підвищення рівня атмосферного вуглекислого газу

парниковий ефект

потепління Землі за рахунок вуглекислого газу та інших парникових газів в атмосфері

парникові гази

атмосферні гази, такі як вуглекислий газ і метан, які поглинають і випромінюють випромінювання, таким чином затримуючи тепло в атмосфері Землі

охолодження з ефектом димки

вплив газів і твердих речовин від виверження вулкана на глобальний клімат

цикли Міланковича

циклічні зміни орбіти Землі, які можуть вплинути на клімат

сонячної інтенсивності

кількість енергії сонячної енергії, яку випромінює сонце за заданий проміжок часу

погода

умови атмосфери протягом короткого проміжку часу