8.5: Зміна клімату

Якщо одна річ була постійною щодо клімату Землі протягом геологічного часу, це його постійна зміна. У геологічному записі ми можемо бачити це в свідченнях зледеніння в далекому минулому, і ми також можемо виявити періоди екстремального тепла, дивлячись на ізотопний склад відкладень морського дна. Клімат не тільки часто змінювався, коливання температури були дуже значними. Сьогодні середня глобальна температура становить близько 15° C, однак у найхолодніші періоди глобальне середнє значення було холодним, як -50° C, тоді як в різний час під час палеозойського та мезозойського термального максимуму палеоцен-еоцену вона була близькою до 30° C.

Є дві частини зміни клімату, перша відома як кліматичне примушення, тобто коли умови змінюються, щоб дати клімату трохи підштовхнути в ту чи іншу сторону. Друга частина зміни клімату, і та, яка зазвичай виконує більшу частину роботи, - це те, що ми називаємо зворотним зв'язком. Коли клімат змушує трохи змінювати клімат, відбувається цілий ряд екологічних змін, багато з яких або перебільшують початкові зміни (позитивні відгуки), або пригнічують зміни (негативні відгуки).

Прикладом кліматичного механізму є збільшення кількості вуглекислого газу (CO ₂) в атмосфері, що є результатом використання нами викопного палива. СО _{2 затримує} тепло в атмосфері і призводить до потепління клімату. Потеплення змінює рослинність; сприяє таненню снігу, льоду та вічної мерзлоти; спричиняє підвищення рівня моря; зменшує розчинність CO ₂ у морській воді; і має ряд інших незначних ефектів. Більшість цих змін сприяють більшому потеплінню. Наприклад, танення вічної мерзлоти є сильним позитивним зворотним зв'язком, оскільки мерзлий ґрунт містить захоплену органічну речовину, яка перетворюється на CO ₂ та метан (CH ₄), коли ґрунт відтаває. Обидва ці гази накопичуються в атмосфері і додають зігріваючого ефекту. З іншого боку, якщо потепління спричиняє більший ріст рослинності, ця рослинність повинна поглинати CO ₂, тим самим зменшуючи ефект потепління, що було б негативним відгуком. За наших нинішніх умов - планета, яка все ще має багато льодовикового льоду та вічної мерзлоти - більшість відгуків, що виникають внаслідок потепління клімату, є позитивними відгуками, і тому зміни клімату, які ми спричиняємо, природно посилюються природними процесами.

Природний клімат форсування

Природний кліматичний примус триває протягом геологічного часу. Широкий спектр процесів працює в найрізноманітніших часових масштабах, від декількох років до мільярдів років. Найтриваліша зміна природного форсування пов'язана з еволюцією Сонця. Як і більшість інших зірок подібної маси, наше Сонце розвивається. Протягом останніх 4,6 мільярдів років темпи ядерного синтезу зростали, і зараз він випромінює приблизно на 40% більше енергії (у вигляді світла), ніж це було на початку геологічного часу. Різниця в 40% велика, тому трохи дивно, що температура на Землі залишається на розумній і придатній для життя температурі протягом усього цього часу. Механізмом цієї відносної кліматичної стабільності була еволюція нашої атмосфери від тієї, в якій домінував CO ₂, а також мав значні рівні CH ₄ - обидва парникових газів - до однієї з лише кількома сотнями частин на мільйон CO ₂ і трохи менше 1 частини. на мільйон CH ₄. Ці зміни в нашій атмосфері не були випадковими; протягом геологічного часу життя та його обмінні процеси еволюціонували (наприклад, еволюція фотосинтетичних бактерій, які споживають CO ₂) і змінили атмосферу на умови, які залишалися досить прохолодними, щоб бути придатними для проживання.

Положення Землі щодо Сонця - ще одна важлива складова природного кліматичного форсування. Орбіта Землі навколо Сонця майже кругова, але, як і всі фізичні системи, вона має природні коливання. По-перше, форма орбіти змінюється за звичайною шкалою часу (близько 100 000 років) від близької до кругової до дуже злегка еліптичної. Але круговість орбіти - це не те, що має значення; це той факт, що, коли орбіта стає більш еліптичною, положення Сонця всередині цього еліпса стає менш центральним або більш ексцентричним (рис\(\PageIndex{1}\). Ексцентриситет важливий, оскільки, коли він високий, відстань Земля-Сонце змінюється більше від сезону до сезону, ніж коли ексцентриситет низький.

Малюнок\(\PageIndex{1}\) Складові циклів Міланковича, які впливають на глобальний клімат протягом тисяч років (Стівен Ерл, «Фізична геологія»).

По-друге, Земля обертається навколо осі через Північний і Південний полюси, і ця вісь знаходиться під кутом до площини орбіти Землі навколо Сонця (рис.\(\PageIndex{1}\) b). Кут нахилу (також відомий як конусність) змінюється за часовою шкалою 41 000 років. Коли кут знаходиться на максимумі (24,5°), сезонні відмінності Землі підкреслюються. Коли кут знаходиться на мінімальному рівні (22,1°), сезонні перепади зводяться до мінімуму. Поточна гіпотеза полягає в тому, що зледеніння сприятливе при низьких сезонних різницях, оскільки літо було б прохолоднішим, а сніг буде рідше танути і, швидше за все, накопичуватися з року в рік. По-третє, напрямок, в якому точки осі обертання Землі також змінюється, за часовою шкалою близько 20 000 років\(\PageIndex{1}\) (рис. Ця варіація, відома як прецесія, означає, що хоча Північний полюс в даний час вказує на зірку Polaris (полюсна зірка), через 10 000 років вона вкаже на зірку Вегу. На важливість ексцентриситету, нахилу та прецесії кліматичних циклів Землі (нині відомі як цикли Міланковича) вперше вказав югославський інженер і математик Мілютін Міланкович на початку 1900-х років. Міланкович визнав, що хоча зміни орбітальних циклів не впливали на загальну кількість інсоляції (світлової енергії від Сонця), яку отримала Земля, це вплинуло на те, де на Землі ця енергія була найсильнішою.

Виверження вулканів не лише включають потоки лави та вибухають фрагменти гірських порід; також виділяються різні тверді частинки та гази, важливими з яких є діоксид сірки та CO ₂. Діоксид сірки - це аерозоль, який відображає вхідне сонячне випромінювання і має чистий охолоджуючий ефект, який є короткочасним (кілька років у більшості випадків, оскільки частинки осідають з атмосфери протягом декількох років) і, як правило, не сприяє довгостроковим змінам клімату. Викиди вулканічного CO ₂ можуть сприяти потеплінню клімату, але лише в тому випадку, якщо рівень вулканізму більший, ніж середній, зберігається протягом тривалого часу (принаймні десятків тисяч років). Поширена думка, що катастрофічне закінчення пермського вимирання (при 250 Ма) стало наслідком потепління, ініційованого виверженням масивних Сибірських пасток протягом не менше мільйона років.

Океанічні течії важливі для клімату, а течії також мають схильність до коливань. Крижані ядра льоду показують чіткі докази змін в Гольфстрімі, які вплинули на глобальний клімат за часовими шкалами близько 1500 років під час останнього заледеніння. Зміни схід-захід температури поверхні моря та поверхневого тиску в екваторіальному Тихому океані, відомі як південне коливання Ель-Ніньо або ENSO (див. Розділ 9.6), варіюється за значно коротшою шкалою часу від двох до семи років. Ці варіації, як правило, привертають увагу громадськості, оскільки вони мають значні наслідки для клімату у багатьох куточках світу. Найсильніші Ель-Ніньос за останні десятиліття були в 1983, 1998 та 2015 роках, і це були дуже теплі роки з глобальної точки зору. Під час сильного Ель-Ніньо температура поверхні моря в екваторіальному Тихому океані тепліша за норму і нагріває атмосферу над океаном, що призводить до більш теплих, ніж середні глобальні температури.

Відгуки про клімат

Як уже зазначалося, кліматичні відгуки критично важливі для посилення слабких кліматичних впливів до повноцінних кліматичних змін. Оскільки Земля все ще має дуже великий обсяг льоду, в основному в континентальних крижаних покривах Антарктиди та Гренландії, а також в альпійських льодовиках і вічній мерзлоті, танення є одним з ключових механізмів зворотного зв'язку. Танення льоду та снігу призводить до декількох різних типів зворотного зв'язку, важливим є зміна альбедо або відбивної здатності поверхні. Різні поверхні Землі мають широко різні альбедо, виражені у відсотках світла, що відбивається від даного матеріалу. Це важливо, оскільки більшість сонячної енергії, яка потрапляє на дуже відбивну поверхню, не поглинається і тому мало робить для прогріву Землі. Вода в океанах або на озері є однією з найтемніших поверхонь, що відбиває менше 10% падаючого світла, тоді як хмари та сніг або лід є одними з найяскравіших поверхонь, відбиваючи від 70% до 90% падаючого світла. Коли морський лід тане, як це було в Північному Льодовитому океані з тривожною швидкістю протягом останнього десятиліття, альбедо району різко змінюється, приблизно з 80% до менш ніж 10%. Набагато більше сонячної енергії поглинається водою, ніж вже існуючим льодом, і підвищення температури посилюється. Те ж саме стосується льоду і снігу на суші, але різниця в альбедо не така велика. Коли лід і сніг на суші тануть, рівень моря підвищується. (Рівень моря також зростає, оскільки океани потепління, що збільшує їх обсяг; див. Розділ 13.7). Більш високий рівень моря означає, що більша частка планети покрита водою, а оскільки вода має нижчий альбедо, ніж суша, поглинається більше тепла, а температура піднімається трохи більше. З моменту останнього зледеніння підйом рівня моря склав близько 125 м; величезна територія, яка раніше була сушею, тепер затоплюється теплопоглинаючої морською водою. У поточний період антропогенних змін клімату рівень моря піднявся лише приблизно на 20 см, і хоча це не робить великих змін до альбедо, підвищення рівня моря прискорюється.

Велика частина північної Канади, Аляски, Росії та Скандинавії має шар вічної мерзлоти, який коливається від декількох сантиметрів до сотень метрів у товщину. Вічна мерзлота - це суміш ґрунту та льоду, а також містить значну кількість захопленого органічного вуглецю, який виділяється як CO ₂ та CH ₄, коли вічна мерзлота руйнується. Оскільки кількість вуглецю, що зберігається у вічній мерзлоті, знаходиться в тому ж порядку, що і кількість, що виділяється при спалюванні викопного палива, це механізм зворотного зв'язку, який має потенціал дорівнювати або перевершувати форсування, яке його розв'язало. У деяких полярних регіонах, включаючи північну Канаду, вічна мерзлота включає гідрат метану, висококонцентровану форму CH ₄, захоплену в твердій формі. Розпад вічної мерзлоти випускає цей СН ₄. Ще більші запаси гідрату метану існують на морському дні, і хоча це займе значне потепління океанської води на глибину сотень метрів, це теж, ймовірно, відбудеться в майбутньому, якщо ми не обмежуємо наш вплив на клімат. Є вагомі ізотопні докази того, що тепловий максимум палеоцену-еоцену був спричинений, принаймні частково, масовим викидом гідрату метану на морському дні.

У океані приблизно в 45 разів більше вуглецю (як розчинені іони бікарбонату, HCO ₃ ^-), ніж в атмосфері (як СО ₂), і між двома резервуарами відбувається стійкий обмін вуглецю (див. Розділ 5.5). Але розчинність СО ₂ у воді зменшується в міру підвищення температури. Іншими словами, чим тепліше він отримує, тим більше океанічного бікарбонату, який переноситься в атмосферу як CO ₂. Це робить розчинність CO ₂ ще одним механізмом позитивного зворотного зв'язку. Зростання рослинності позитивно реагує як на підвищені температури, так і на підвищений рівень CO ₂, і тому в цілому це є негативним зворотним зв'язком зі зміною клімату, оскільки чим більше росте рослинність, тим більше CO ₂ береться з атмосфери. Але це не зовсім так просто, адже коли дерева ростуть більше і енергійніше, ліси стають темнішими (у них нижчий альбедо), тому вони поглинають більше тепла. Крім того, потепління клімату не обов'язково корисно для росту рослинності; деякі райони стали занадто гарячими, занадто сухими або навіть занадто вологими, щоб підтримати рослинну спільноту, яка там росла, і може знадобитися століття, щоб щось замінити його успішно. Всі ці позитивні (і негативні) відгуки працюють в обох напрямках. Наприклад, під час кліматичного охолодження зростання льодовиків призводить до вищих альбедо, а утворення вічної мерзлоти призводить до зберігання вуглецю, який в іншому випадку швидко повернувся б в атмосферу.

 

Антропогенні зміни клімату

Коли ми говоримо про антропогенні зміни клімату, ми, як правило, думаємо про індустріальну епоху, яка справді почалася, коли ми почали використовувати викопне паливо (вугілля для початку, а пізніше нафту та природний газ) для керування машинами та поїздів та виробництва електроенергії. Це було приблизно в середині 18 століття. Проблема викопного палива полягає в тому, що вони передбачають спалювання вуглецю, який природним чином зберігався в корі протягом сотень мільйонів років як частина земного процесу протидії потеплінню Сонця.

Швидко зростаюче населення, ескалація рівня індустріалізації та механізації нашого життя та зростаюча залежність від викопного палива призвели до антропогенних змін клімату минулого століття. Тенденція середніх глобальних температур з 1880 року показана на малюнку\(\PageIndex{2}\). Приблизно за останні 55 років температура підвищувалася відносно стабільними і тривожно швидкими темпами, особливо в порівнянні з минулими змінами. Середня температура зараз приблизно на 0,8° C вище, ніж до індустріалізації, і дві третини цього потепління відбулося з 1975 року.

Рисунок\(\PageIndex{2}\) Глобальні середньорічні температури за період з 1880 по 2015 рік (Стівен Ерл, «Фізична геологія», за даними НАСА за адресою: http://data.giss.nasa.gov/gistemp/ta...LB.Ts+dSST.txt).

Міжурядова група з питань зміни клімату (МГЕЗК), створена Організацією Об'єднаних Націй у 1988 році, відповідає за перегляд наукової літератури про зміну клімату та видачу періодичних звітів з кількох тем, включаючи наукову основу для розуміння зміни клімату, нашої вразливості до спостережуваних та прогнозованих змін клімату, і що ми можемо зробити, щоб обмежити зміни клімату та мінімізувати їх наслідки. Рисунок\(\PageIndex{3}\), з п'ятого звіту МГЕЗК, опублікованого в 2014 році, показує відносний внесок різних парникових газів та інших факторів у поточну кліматичну форсування, виходячи зі змін від рівнів, які існували в 1750 році.

\(\PageIndex{3}\)Малюнок Відносна важливість факторів, що сприяють антропогенному потеплінню (від http://www.ipcc.ch/report/graphics/i...0-%20WG1&f=SPM).

Найбільшим антропогенним фактором потепління є викид CO ₂, на який припадає 50% позитивного форсування. CH ₄ та його атмосферні похідні (CO ₂, H ₂ O та O ₃) становлять 29%, а галовуглецеві гази (в основному витікали з приладів кондиціонування повітря) та закис азоту (N ₂ O) (від спалювання викопного палива) складають 5% кожен. Окис вуглецю (СО) (також виробляється при спалюванні викопного палива) становить 7%, а летючі органічні сполуки, крім метану (НМЛОС), складають 3%. Викиди CO ₂ надходять здебільшого від вугільних і газових електростанцій, моторизованих транспортних засобів (легкових, вантажних автомобілів та літаків) та промислових операцій (наприклад, виплавки) та опосередковано з лісового господарства. Викиди CH ₄ надходять від виробництва викопного палива (втеча від видобутку вугілля та виробництва газу та нафти), тваринництва (переважно яловичини), звалищ та вирощування рису водно-болотних угідь. N ₂ O і CO надходять здебільшого від спалювання викопного палива. Підсумовуючи, майже 70% наших поточних викидів парникових газів надходять від виробництва та використання викопного палива, тоді як більша частина решти надходить із сільського господарства та сміттєзвалищ. \(\PageIndex{4}\)На малюнку показані прогнози МГЕЗК щодо підвищення температури протягом наступних 100 років внаслідок збільшення парникових газів.

Рисунок\(\PageIndex{4}\) Прогнозоване підвищення глобальної температури для 21 століття на основі ряду різних сценаріїв МГЕЗК майбутніх політичних та технологічних змінних (від https://www.ipcc.ch/publications_and...re-spm-5-l.png).

Вплив зміни клімату

Ми всі відчували наслідки зміни клімату за останнє десятиліття. Однак кліматологам непросто встановити зв'язок між потеплінням клімату та конкретними погодними подіями, і більшість з них виправдано неохоче приписують будь-яку конкретну подію кліматичним змінам. У цьому відношенні найкращими показниками зміни клімату є ті, які ми можемо виявити протягом декількох десятиліть, наприклад, зміни температури, показані на малюнку\(\PageIndex{2}\), або підвищення рівня моря, показане на малюнку\(\PageIndex{5}\). Як уже зазначалося, рівень моря піднявся приблизно на 20 см з 1750 року, і це підвищення пояснюється як потеплінням (і, отже, розширенням) морської води, так і таненням льодовиків та інших наземних снігів та льоду (танення морського льоду не сприяє безпосередньо підвищенню рівня моря, оскільки воно вже плаває в океані, див. Розділ 13.7).

Рисунок\(\PageIndex{5}\) Прогнозований рівень моря збільшується до 2100, показуючи ймовірний діапазон (сірий) та можливий максимум (Стівен Ерл, «Фізична геологія», адаптований SE з: http://nca2014.globalchange.gov/repo...ntro-section-2 на основі даних Parris et al., 2012, NOAA).

Прогнози підвищення рівня моря до кінця цього століття сильно різняться. Це значною мірою тому, що ми не знаємо, який із наведених вище сценаріїв зміни клімату (рис.\(\PageIndex{4}\)) ми будемо найбільш уважно стежити, але багато хто знаходиться в діапазоні від 0,5 м до 2,0 м Однією з проблем прогнозування підвищення рівня моря є те, що ми не маємо чіткого розуміння того, наскільки великі крижані покриви, такі як Гренландія і Антарктида, відреагують на майбутнє потепління. Інша проблема полягає в тому, що океани не відразу реагують на потепління. Наприклад, з поточною кількістю потепління ми вже прагнемо до майбутнього підвищення рівня моря між 1,3 м і 1,9 м, навіть якщо ми можемо зупинити зміни клімату сьогодні. Це пов'язано з тим, що для існуючого потепління атмосфери потрібно десятиліття до століть, щоб передаватися на глибину в океанах і повністю вплинути на великі льодовики. Більшість з цього скоєного зростання відбуватиметься протягом наступного століття, але деякі з них затримуються довше. І за кожне десятиліття, коли нинішні темпи зміни клімату продовжуються, це число збільшується ще на 0,3 м Іншими словами, якщо ми не внесемо зміни швидко, до кінця цього століття ми будемо замкнені на 3 м майбутнього підвищення рівня моря. У звіті 2008 року Організація економічного співробітництва та розвитку (ОЕСР) підрахувала, що до 2070 року приблизно 150 мільйонів людей, які проживають у прибережних районах, можуть піддаватися ризику затоплення через сукупні наслідки підвищення рівня моря, збільшення інтенсивності штормів та осідання землі. Активи, що знаходяться під загрозою (будівлі, дороги, мости, порти тощо) знаходяться в порядку 35 трильйонів доларів (35 000 000 000 доларів США). Країнами з найбільшою схильністю населення до повені є Китай, Індія, Бангладеш, В'єтнам, США, Японія та Таїланд. Деякі з великих міст, що піддаються ризику, включають Шанхай, Гуанчжоу, Мумбаї, Калькутту, Дакку, Хошимін, Токіо, Майамі та Нью-Йорк.

Одним з інших ризиків для прибережних населення, крім підвищення рівня моря, є те, що потепління клімату також пов'язане зі збільшенням інтенсивності тропічних штормів (наприклад, ураганів або тайфунів; див. Розділ 8.4), які майже завжди спричиняють серйозні повені від інтенсивних дощів та штормових сплесків. Деякі останні приклади - Новий Орлеан у 2005 році з ураганом «Катріна», а Нью-Джерсі та Нью-Йорк у 2012 році з ураганом Сенді. Тропічні шторми отримують свою енергію від випаровування теплої морської води в тропічних регіонах. В Атлантичному океані це відбувається влітку від 8° до 20° н.ш. \(\PageIndex{6}\)На малюнку показані зміни температури поверхні моря (SST) тропічного Атлантичного океану (синім кольором) проти кількості енергії, представленої атлантичними ураганами між 1950 і 2008 роками (червоним кольором). Загальна інтенсивність атлантичних ураганів не тільки зросла з потеплінням з 1975 року, але кореляція між ураганами та температурами морської поверхні дуже сильна за цей період часу.

Рисунок\(\PageIndex{6}\) Зв'язок між сукупною річною інтенсивністю Атлантичного тропічного шторму та температурами поверхні Атлантичного моря (Стівен Ерл, «Фізична геологія», SE з даних за адресою: http://wind.mit.edu/~emanuel/Papers_data_graphics.htm).

Показано, що географічні діапазони хвороб та шкідників, особливо спричинених або передаються комахами, поширюються на помірні регіони через зміни клімату. Вірус Західного Нілу та хвороба Лайма - два приклади, які вже безпосередньо впливають на північноамериканців, тоді як лихоманка денге може стати проблемою в майбутньому (денге стала «національним умовою» у Сполучених Штатах у 2010 році). Протягом декількох тижнів у липні та серпні 2010 року масова хвиля спеки вплинула на західну Росію, особливо район на південний схід від Москви, і вчені заявили, що зміна клімату була фактором, що сприяє. Температура зросла до більш ніж 40° C, аж на 12° C вище норми на широкій території, і лісові пожежі бушували в багатьох районах країни. Понад 55 000 смертей пояснюються спекою та дихальними проблемами, пов'язаними з пожежами. Короткий опис впливу зміни клімату на стихійні лиха наведено на малюнку\(\PageIndex{7}\). Основними типами катастроф, пов'язаних з кліматом, є повені та шторми, але наслідки екстремальних температур для здоров'я також стають великим занепокоєнням. У десятиліття з 1971 по 1980 рік екстремальні температури були п'ятим за поширеністю стихійних лих; до 2001 по 2010 рік вони були третіми за поширеністю.

Рисунок\(\PageIndex{7}\) Номери різних типів катастроф між 1971 і 2010 роками (З атласу смертності та економічних втрат ВМО від погодних, кліматичних та водних екстремумів, 2014).

---

* «Фізична геологія» Стівена Ерла використовується за міжнародною ліцензією CC-BY 4.0. Завантажити цю книгу безкоштовно за адресою http://open.bccampus.ca