1.2: Спостереження
- Page ID
- 37880
Хоча клімат Землі в даний час швидко змінюється відносно минулих змін, в більшості регіонів, де ми живемо зміни досить повільні, що ми не помічаємо їх безпосередньо під час нашого повсякденного життя. Однак люди похилого віку, можливо, помітили зміни протягом свого життя, а в деяких регіонах зміни більші та очевидніші, ніж деінде. У цьому розділі ми обговоримо деякі спостереження за останні 100 років та дані регіонів, які особливо чутливі до зміни клімату, де відбулися найдраматичніші наслідки. Це не буде вичерпна документація існуючих спостережень. Додаткові спостереження будуть розглянуті протягом всієї частини цієї книги.
а) Атмосфера
Спостереження показують, що клімат змінюється в глобальному масштабі. Дані про температуру поверхневого повітря, усереднені по всій Землі, свідчать про потепління 0,7-0,9° C за останні ~ 100 років (рис.\(\PageIndex{1}\)). Але щоб потепління не було ні стійким, ні плавним. З 1880 по приблизно 1910 рік відбувалося охолодження, з подальшим потеплінням приблизно до 1940 року. Після цього незначне охолодження або приблизно постійні температури спостерігалися до 1970-х років, з подальшим швидким потеплінням до теперішнього часу. Щороку температура дещо відрізняється від наступної. Не всі ці зміни з року в рік в даний час зрозумілі, але природні варіації, які не спричинені людьми, відіграють певну роль. Наприклад, сильні роки Ель-Ніньо, такі як 1997-98 або 2015, виявляються особливо теплими роками, тоді як роки Ла-Нінья, такі як 1999-2000 або 2011, виявляються відносно прохолодними. Ель-Ніньо та Ла-Нінья, також відомі як ENSO (Ель-Ніньо/Південне коливання), - це мінливість клімату в тропічному Тихому океані, яка також впливає на багато інших регіонів Землі.
Малюнок\(\PageIndex{1}\): Глобальна середня зміна температури поверхні від 1880 до 2018 року. Показані аномалії середнього показника 20 століття. З веб-сайту Національного океанографічного та атмосферного управління (NOAA) noaa.gov. Є кілька інших груп у всьому світі, які обчислюють середні глобальні температури поверхні, наприклад, Національний аеронавтичний та космічний адміністрації (NASA) Інститут космічних наук Годдарда (GISS), Відділ досліджень клімату (CRU) Університету Східної Англії або Берклі Температура поверхні Землі (BEST), і всі приходять до дуже схожих результатів. Помилки через нерівну вибірку оцінювали приблизно 0,2° C протягом ранньої частини запису та зменшуються до 0,1° C протягом більш пізньої частини. Це ключова цифра. Лінійний тренд протягом усього періоду становить 0.07°C/десятиліття, що за останні 100 років становить 0.09°C/десятиліття.
Дослідіть дані про температуру
Перейдіть на веб-сайт NOAA Climate at a Glance, щоб вивчити їх глобальні дані про температуру. Перерахуйте 12 найтепліших років, натиснувши на стовпець АНОМАЛІЯ.
- Який найтепліший рік є рекордним?
- Скільки з 12 найтепліших років відбулося з 2000 року?
Підвищення атмосферних температур за останні 100 років не скрізь було рівномірним. Малюнок\(\PageIndex{2}\) показує, що температури над сушею змінювалися більше, ніж над океанами і Північний Льодовитий прогрівався більше, ніж тропіки. Ці закономірності називаються контрастом суші та полярним посиленням і досить добре розуміються та моделюються в кліматичних моделями, як ми побачимо пізніше. Потеплення дійсно майже глобальне. Виняток становить лише північна Північна Атлантика, яка трохи похолодала з причин, про які ми поговоримо пізніше.
Малюнок\(\PageIndex{2}\): Глобальна карта останніх змін температури поверхні. З Вікіпедії зміни клімату на основі даних Інституту космічних досліджень імені Годара (GISS) НАСА.
Аналіз тисяч записів температури в оцінку глобальної середньої зміни температури, таких як рис. \(\PageIndex{1}\)не є тривіальним. Необхідно враховувати такі питання, як зміни розташування станцій, приладобудування та покриття даних. Той факт, що п'ять різних груп, що аналізують дані за допомогою різних методів, приходять до однакових висновків, свідчить про те, що результати є надійними. Була продемонстрована надійність даних, і було показано, що місця розташування станцій (наприклад, міські та сільські) не мають значення. Дивіться цей блог для більш детальної дискусії.
Тенденція глобального потепління зробила ймовірність теплих та екстремальних теплих температур більш імовірною, а ймовірність холодних та екстремальних холодних температур менш імовірною. Наприклад, надзвичайно теплі (більш ніж на 3° C тепліше, ніж в середньому від 1951 до 1980) літні температури в районах суші Північної півкулі мали лише 0,1% шансів статися з 1951 по 1980 рік, тоді як протягом десятиліття з 2005 по 2015 рік шанс виникнення цих екстремальних теплих температур становив 14.5%. І навпаки, відносно холодні літні температури (менше 0,5° C прохолодніше, ніж середнє значення 1951-1980), які траплялися приблизно кожен третій рік з 1951 по 1980 рік, відбувалися лише 5% часу протягом 2005 по 2015 рік. Дивіться цю статтю та цей блог (рис. 5) для отримання додаткової інформації та графіків.
б) Кріосфера
Одним з найбільш чутливих регіонів до зміни клімату є Арктика. Морський крижаний покрив там різко зменшився за останні 40 років, особливо в кінці літа (рис.\(\PageIndex{3}\)). Арктичний морський лід переживає сильний сезонний цикл. Наприкінці зими він охоплює близько 15,4 × 10 6 км 2 і зменшується приблизно до 6,4 × 10 6 км 2 наприкінці літа (рис.\(\PageIndex{4}\)). Тому відносні зміни більші наприкінці літа, зі зменшенням приблизно на 46% або 2,9×10 6 км 2 з 1980 по 2015 рік. Взимку скорочення становило лише близько 9% або 1,5×10 6 км 2. Втрачена площа літнього арктичного морського льоду більш ніж в 10 разів перевищує розмір Орегону (255 000 км 2) або в чотири рази перевищує розмір Франції (~650 000 км 2).
Малюнок\(\PageIndex{3}\): Протяжність арктичного морського льоду у вересні 1979 року (зліва) та 2020 (праворуч) за даними супутникових спостережень. Фіолетова лінія позначає серединну протяжність льоду 1981-2010 рр. У 1979 році протяжність льоду становила 7,1 млн кв км, у 2020 році - 3,9 млн кв. км. Зображення з Національного центру обробки даних про сніг та льоду (NSIDC).
В Антарктиці морський лід переживає ще більший сезонний цикл, але за останні 40 років він менше змінився порівняно з Арктикою. Морський лід Південної півкулі дещо збільшився приблизно на 12% або 0,5 × 10 6 км 2 наприкінці австрального літа та 2,4% або 2,3 × 10 6 км 2 в австральну зиму. Зверніть увагу, що коливання з року в рік взимку більші, ніж влітку, і що довгострокові тенденції в Арктиці набагато більші, ніж короткострокові коливання, тоді як в Антарктиці довгострокові тенденції схожі на короткострокові коливання і, отже, менш статистично значущі. Тенденція є статистично значущою, якщо вона більша за помилки.
Малюнок\(\PageIndex{4}\): Зміна протяжності морського льоду кінця літа в Арктиці (вгорі) та Антарктиці (знизу) та глобальної щомісячної протяжності морського льоду (центр). Від NOAA.
У всьому світі Земля втратила близько 2 мільйонів квадратних кілометрів морського льоду з 1980 по 2015 рік, що становить близько 10% від загальної кількості. Порівняйте цю область з областю вашого улюбленого штату чи країни.
Дослідіть зміни морського льоду
Перейдіть на веб-сайт Національного центру обробки даних про сніг та льоду (NSIDC) та натисніть кілька років, щоб побачити, як змінився крижаний покрив Арктики за рік. Щоб отримати часовий ряд за поточний місяць, перейдіть на їх сайт індексу морського льоду та натисніть на Місячний графік аномалії розміру морського льоду в нижньому правому куті.
- На скільки зменшився морський крижаний покрив з 1980-х років? Оцініть зниження як у відносному вираженні (у відсотках), так і в абсолютному вираженні (мільйон квадратних кілометрів).
Гірські льодовики також чутливі до зміни клімату. \(\PageIndex{5}\)На малюнку показаний приклад з льодовика Мьюїр, який різко відступив з 1941 року. Це характерно для більшості льодовиків по всьому світу. Насправді лише невелика кількість льодовиків демонструє досягнення, тоді як переважна більшість льодовиків тануть і відступають від долин на більш високі висоти.
Ілюстрація\(\PageIndex{5}\): Льодовик Мюір в Національному парку та заповіднику Глейшер-Бей, Аляска Картина зверху - з 1941 року, що знизу з 2004 року. Від Національного центру обробки даних про сніг та льоду (NSIDC).
Всесвітня служба моніторингу льодовиків (WGMS) зібрала інформацію про сотні льодовиків у всьому світі. Малюнок\(\PageIndex{6}\) показує, що з 1980 року льодовики у всіх регіонах втрачають масу з прискоренням втрат в останні роки.
Рисунок\(\PageIndex{6}\): Сукупний баланс маси в метрах водного еквівалента (т.е.) гірських льодовиків. Від Всесвітньої служби моніторингу льодовиків.
Перегляньте це відео змін льодовика в Ісландії.
Дослідіть зміни льодовика та крижаного покриву
Перейдіть в оглядач льодовиків і виберіть льодовик за вашим вибором.
- Що ви спостерігаєте?
Дослідіть зміни льодового покриву Гренландії за допомогою цієї інтерактивної діаграми, яка показує площу поверхні, що переживає танення. Натисніть на кілька років на початку запису (наприклад, 1980-х) і в більш пізній частині (наприклад, 2010-х).
- Як змінилася площа розплаву?
Також тануть крижані покриви. Спостереження з супутників гравітаційного відновлення та клімату (GRACE), які дуже точно вимірюють гравітаційне поле Землі і можуть виявляти зміни маси, показують, що з 2002 року льодовий покрив Гренландії втратив близько 4000 Gt маси, а льодовий покрив Антарктики втратив близько 2500 Гт (рис. \(\PageIndex{7}\)). Ось презентація про танення Гренландії.
Танення льодового покриву Гренландії в даний час сприяє підвищенню рівня моря близько 0,8 мм/рік. Внесок Антарктиди становить 0,4 мм/рік, а гірські льодовики додають близько 0,6 мм/рік, загалом на 1,8 мм/рік підвищення рівня моря від танення льоду (IPCC 2019).
Малюнок\(\PageIndex{7}\): Зміни антарктичної (верхньої) і Гренландської (знизу) маси льодового покриву. Бліді лінії - від супутникових гравітаційних вимірювань. Від Агентства з охорони навколишнього середовища США (EPA; epa.gov). Супутникові дані надходять від NASA.
Вставка 1: Курси змін
Швидкість зміни змінної X між двома точками часу t 1 і t 2 може бути обчислена як різниця (позначається грецькою буквою delta Δ) значення змінної в момент t 2 мінус значення змінна на час t 1 Δ X = X 2 — X 1 ділиться на різницю в часі Δ t = t 2 — t 1
\[ \dfrac{\Delta X}{\Delta t}= \dfrac{X_{2}-X_{1}}{t_{2}-t_{1}} \]
Таким чином, одиниці швидкості зміни - це одиниці змінної, поділені на час. Ви можете визначити швидкість зміни на графіку часового ряду, наприклад, Рисунок\(\PageIndex{1}\) або Рисунок,\(\PageIndex{6}\) вибравши дві точки часу на горизонтальній осі і зчитуючи відповідні значення X 1 і X 2 з вертикальної осі. Використовуючи Рисунок\(\PageIndex{1}\) як приклад, наша змінна буде температурна аномалія Т. Вибравши t 1 = 1940 і t 2 = 2010, ми можемо прочитати T 1 = 0ºC і T 2 = 0.7ºC. Таким чином, Δ T = 0.7ºC, Δ t = 70 років і швидкість зміни Δ T/Δ t = 0,01ºC/рік = 0,1 ºC/декада.
Очевидно, що обчислення швидкості зміни таким чином отримане значення буде залежати від двох разів підібраних. Швидкість зміни цілого набору точок даних можна обчислити, припускаючи лінійну залежність і мінімізуючи відстань всіх точок від прямої X = S × t + I, де S - нахил, а I - перехоплення з вертикальна вісь. Це називається лінійною регресією. Прості формули для обчислення S і I можна знайти тут. Лінійні регресії зазвичай використовуються для оцінки темпів змін. Наприклад, прямі лінії на рисунку\(\PageIndex{6}\) в цьому розділі та рис. 7-12 у главі 1 були розраховані за формулами лінійної регресії. Лінії регресії також часто називають лініями тренду.
в) Океан
Вимірювання температури надр в океанах документ потепління за останні 60 років (рис. \(\PageIndex{8}\)). За цей час вміст тепла в океані збільшився приблизно на 30 × 10 22 джоулів. Тепломісткість океану - це його температура Т рази теплоємність води c р = 4,2 Дж/ (ГК). До 2005 вимірювання температури підземних вод були більш обмеженими у просторі та часі, оскільки вони були взяті з суден шляхом зниження приладів CTD (провідність, температура, глибина) на кабелі в океан. З 2005 року автономні, вільно дрейфуючі поплавці Арго вимірюють температуру, солоність, тиск і швидкість верхніх 2 км товщі води. В даний час існує близько 4,000 поплавців, які забезпечують набагато краще просторове та часове покриття, ніж попередні вимірювання на кораблі.
Рисунок\(\PageIndex{8}\): Спостережні оцінки глобального вмісту тепла океану (0-2 км) від NOAA. З 1960 по 2005 роки температури океану вимірювалися переважно за допомогою дослідницьких кораблів (синя лінія). З 2005 року автономні поплавці ARGO збільшили щільність даних як у просторі, так і в часі (червоні та чорні лінії).
Танення гірських льодовиків і крижаних покривів призводить до збільшення стоку в океан, що сприяє підвищенню рівня моря (рис. \(\PageIndex{9}\)). Підвищення рівня моря також викликано потеплінням морської води, що викликає розширення і збільшенням стоку від відкачування грунтових вод з водоносних горизонтів. Оцінки, засновані на записах припливів, вказують на те, що рівень моря піднявся приблизно на 20 см з 1870-х до 2000 року та ще на 6 см з тих пір. Танення гірських льодовиків та крижаних покривів сприяє приблизно аналогічно поточному підвищенню рівня моря, але якщо нинішні тенденції продовжуватимуться, цілком ймовірно, що багато гірських льодовиків повністю зникнуть, а великі крижані покриви будуть все більше сприяти глобальному підвищенню рівня моря. Зверніть увагу, що підвищення рівня моря не є просторово рівномірним.
Малюнок\(\PageIndex{9}\): Спостерігається середній глобальний рівень моря, оцінений за супутниками (червоний) та датчиками припливу (синій). Дані від nasa.gov та csiro.au. Кругова діаграма показує відносний внесок від танення наземного льоду (1,8 ± 0,1 мм/рік), теплового розширення морської води (1,4 ± 0,3 мм/рік) та перекачування підземних вод (0,4 мм/рік; оцінюється як залишкове) протягом 2005-2015 років (IPCC, 2019). Загальна швидкість підвищення рівня моря за цей період (3,6±0,5 мм/рік) більша, ніж у попередні періоди. Це прискорення підвищення рівня моря викликано останнім часом посиленим таненням льодових покривів Гренландії та Антарктики.
Дослідіть зміни рівня моря
Перейдіть до noaa.gov та вивчіть місцеві зміни рівня моря від датчиків припливів.
- Де підвищується рівень моря?
- Де вона зменшується?
- Виберіть датчик припливу. Який часовий період охоплюється?
Ось карта рівня моря, виміряного з супутників.
- Який часовий період охоплює супутникові дані?
- Де підвищується рівень моря?
- Де вона зменшується?
г) Біосфера і вуглецевий цикл
Спостерігалося, що види рослин і тварин рухаються на полюсі і вгору в горах (Пармезан і Йохе (2003). Ця реакція узгоджується з глобальним потеплінням та тенденцією організмів залишатися в діапазоні температур, до якого вони адаптувалися. Терміни цвітіння багатьох рослин також зрушилися раніше навесні, наприклад, для цвітіння вишні.
Вуглекислий газ (CO 2) вимірюється в атмосфері з 1958 року в обсерваторії Мауна-Лоа на Гаваях (рис. 10). У той час концентрації були трохи нижче 320 частин на мільйон (ppm). Згодом вони збільшилися до значень трохи більше 400 проміле сьогодні. Це збільшення на 25%. Накладений на довгостроковий тренд - це сезонний цикл. Зростання земної біосфери в північній півкулі навесні призводить до осідання СО 2, а гниття органічних речовин, таких як опале листя, збільшує СО 2 восени. Як ми побачимо пізніше, CO 2 є важливим парниковим газом, і його збільшення за останні десятиліття є основною причиною недавнього глобального потепління.
Малюнок\(\PageIndex{10}\): Атмосферний CO 2 вимірюється в обсерваторії Мауна-Лоа Гаваї Вимірювання були першопрохідцями Чарльза Кілінга з Інституту океанографії Скриппса в 1958 році. Від noaa.gov.
Дослідіть дані вуглецевого циклу
Перейдіть на noaa.gov, щоб вивчити дані CO 2 з інших місць. Виберіть сайт, а потім «Гази вуглецевого циклу» зліва, а потім «Таймсерія».
- Опишіть спостереження.
Питання
Питання
- Запитайте батьків чи бабусь і дідусів, чи помітили вони зміни клімату протягом свого життя. Мій тато розповів мені, що, будучи хлопчиком, він сніг спускався по схилах пагорба в Німеччині, де в даний час немає більше снігу.
- На скільки зросли глобальні температури поверхневого повітря за останні 100 років?
- Звідки ми знаємо?
- Якою була середня швидкість змін за цей час?
- Якими були темпи змін за останні 50 років?
- Де було потепління більшим над океанами або над сушею, в тропіках або на високих широтах?
- Наскільки змінилася теплота верхніх 2 км океану за останні 60 років?
- Звідки ми знаємо?
- Якою була швидкість змін?
- Якими були темпи змін протягом останніх 20 років?
- Наскільки змінилася площа, покрита арктичним морським льодом за останні 35 років?
- Звідки ми знаємо?
- Як змінилися льодові покриви Гренландії та Антарктики за останні 15 років?
- Звідки ми знаємо?
- Наскільки піднявся середній глобальний рівень моря з 1870 року?
- Звідки ми знаємо?
- Розрахуйте швидкість зміни від 1870 до 2000.
- Розрахуйте швидкість зміни від 2000 до теперішнього часу.
- Підвищення рівня моря прискорилося?
- Перевірте свою відповідь за допомогою цього паперу.
Посилання
Пармезан, C., Yohe, G., 2003: Глобально когерентний відбиток впливу кліматичних змін у природних системах. Природа 421, 37—42, https://doi.org/10.1038/nature01286.
Стокер, Т.Ф., Цінь Д., Г.-К. Платтнер, Л.В., Олександр, С.К. Аллен, Н.Л. Біндофф, Ф.-М. Бреон, J.A. церква, U. Cubasch, S. Emori, П. Форстер, П. Фрідлінгштейн, Н. Gillett, J.M. Григорій, Д.Л. Хартманн, Е. Янсен, Б. Кіртман, Р.Кнутті, К. Крішна Кумар, П. Лемке, J.Marotzke, В.Масон-Дельмотт, Г.А. Meehl, І.І. Мохов, С.Пьяо, Рамасвами В., Рендалл Д., Райн М., Рохас М., Сабіна, Д. Шинделл, Л.Д. Таллі, Д.Г. воган і С.-П. Сіе, 2013: Технічний підсумок. В: Зміна клімату 2013: Основи фізичної науки. Внесок Робочої групи I до П'ятого звіту про оцінку Міжурядової групи з питань зміни клімату [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Платтнер, М.Тіньор, С.К. Аллен, Дж. Бошунг, А.Науелс, Ю.Ся, В.Бекс і П.М. Мідглі (ред.)]. Cambridge University Press, Кембридж, Великобританія та Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США. Доступний за адресою ipcc.ch.
Рендалл, Рейн М., Рохас, Сабіна, Д. Шинделл, Л.Д. Таллі, Д.Г. воган і С.-П. Сіе, 2013: Технічний підсумок. В: Зміна клімату 2013: Основи фізичної науки. Внесок Робочої групи I до П'ятого звіту про оцінку Міжурядової групи з питань зміни клімату [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Платтнер, М.Тіньор, С.К. Аллен, Дж. Бошунг, А.Науелс, Ю.Ся, В.Бекс і П.М. Мідглі (ред.)]. Cambridge University Press, Кембридж, Великобританія та Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США. Доступний за адресою ipcc.ch.
МГЕЗК, 2019: Підсумок для політиків. В: Спеціальний звіт МГЕЗК про океан та кріосферу в умовах мінливого клімату [H.-O. Pörtner, D.C. Робертс, Массон-Дельмотт, П. Zhai, М.Тіньор, Е. Полочанська, К.Мінтенбек, М.Ніколай, О.Окем, Дж. Петцольд, Б.Рама, Н. Вейєр (ред.)]. Доступний за адресою ipcc.ch.