15 просмотров

Основы изменения климата

figb1-маленький

Рисунок б1. Парниковые газы в атмосфере, включая водяной пар, двуокись углерода, метан и закись азота, поглощают тепловую энергию и излучают ее во всех направлениях (в том числе вниз), сохраняя тепло на поверхности Земли и в нижних слоях атмосферы. Добавление большего количества парниковых газов в атмосферу усиливает эффект, делая поверхность Земли и нижние слои атмосферы еще теплее. Изображение основано на данных Агентства по охране окружающей среды США. (увеличенная версия)

Парниковые газы влияют на энергетический баланс и климат Земли

Солнце служит основным источником энергии для климата Земли. Часть входящего солнечного света отражается прямо обратно в космос, особенно яркими поверхностями, такими как лед и облака, а остальная часть поглощается поверхностью и атмосферой. Большая часть этой поглощенной солнечной энергии повторно излучается в виде тепла (длинноволновое или инфракрасное излучение). Атмосфера, в свою очередь, поглощает и повторно излучает тепло, часть которого уходит в космос. Любое нарушение этого баланса входящей и исходящей энергии повлияет на климат. Например, небольшие изменения в выработке энергии Солнцем напрямую повлияют на этот баланс.

Если бы вся тепловая энергия, излучаемая с поверхности, проходила через атмосферу прямо в космос, средняя температура поверхности Земли была бы на десятки градусов ниже, чем сегодня. Парниковые газы в атмосфере, в том числе водяной пар, углекислый газ, метан и закись азота, делают поверхность намного теплее, потому что они поглощают и излучают тепловую энергию во всех направлениях (в том числе вниз), сохраняя тепло на поверхности Земли и в нижних слоях атмосферы. [Рисунок B1]. Без этого парникового эффекта жизнь, какой мы ее знаем, не могла бы возникнуть на нашей планете. Добавление в атмосферу большего количества парниковых газов делает ее еще более эффективной в предотвращении утечки тепла в космос. Когда исходящая энергия меньше поступающей, Земля нагревается до тех пор, пока не установится новый баланс.

Выбросы парниковых газов в результате деятельности человека изменяют энергетический баланс Земли и, следовательно, ее климат. Люди также влияют на климат, изменяя характер земной поверхности (например, вырубая леса для ведения сельского хозяйства) и выбрасывая загрязняющие вещества, которые влияют на количество и тип частиц в атмосфере.

Ученые определили, что, если учесть все человеческие и природные факторы, климатический баланс Земли изменился в сторону потепления, при этом наибольший вклад вносит увеличение выбросов CO.2.

figb2-маленький

Рисунок б2. Измерения атмосферного CO2 с 1958 г. из обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях (черный) и с Южного полюса (красный) показывают устойчивое ежегодное увеличение содержания CO в атмосфере.2 концентрация. Измерения проводятся в таких удаленных местах, потому что на них не сильно влияют локальные процессы, поэтому они репрезентативны для фоновой атмосферы. Небольшой пилообразный рисунок вверх и вниз отражает сезонные изменения в выбросе и поглощении CO.2 by plants.Источник: Программа Scripps CO2 (увеличенная версия)

Человеческая деятельность добавила парниковых газов в атмосферу

Атмосферные концентрации углекислого газа, метана и закиси азота значительно увеличились с начала промышленной революции. Что касается двуокиси углерода, то средняя концентрация, измеренная в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях, выросла с 316 частей на миллион (ppm) в 1959 году (первый полный год, когда имеются данные) до более чем 411 частей на миллион в 2019 году [Рисунок B2]. . С тех пор такие же темпы роста были зарегистрированы на многих других станциях по всему миру. С доиндустриальных времен концентрация CO в атмосфере2 увеличилось более чем на 40%, количество метана увеличилось более чем на 150%, а содержание закиси азота увеличилось примерно на 20%. Более половины прироста CO2 происходит с 1970 года. Увеличение содержания всех трех газов способствует потеплению Земли с увеличением содержания CO2 играет наибольшую роль. См. стр. B3, чтобы узнать об источниках парниковых газов, выделяемых человеком. Узнайте об источниках парниковых газов, выделяемых человеком.

figb3-маленький

Рисунок б3. СО2 колебания за последние 1000 лет, полученные в результате анализа воздуха, попавшего в ледяной керн, извлеченный из Антарктиды (красные квадраты), показывают резкое увеличение содержания CO в атмосфере.2 начиная с конца 19 века. Современные атмосферные измерения из Мауна-Лоа наложены серым цветом. Источник: рисунок Эрика Вольфа, данные Etheridge et al., 1996; МакФарлинг Мер и др., 2006 г.; Скриппс, CO2 Программа. (увеличенная версия)

Ученые исследовали парниковые газы в контексте прошлого. Анализ воздуха, заключенного во льду, который со временем накапливался в Антарктиде, показывает, что CO2 концентрация начала значительно увеличиваться в 19 веке [Рисунок B3], после того как она оставалась в диапазоне от 260 до 280 частей на миллион в течение предыдущих 10 000 лет. Записи ледяных кернов за 800 000 лет показывают, что за это время CO2 концентрации оставались в диапазоне от 170 до 300 частей на миллион на протяжении многих циклов «ледниковых периодов» — узнайте больше о ледниковых периодах — и за последние 200 лет в записях ледяных кернов не наблюдалось концентрации выше 300 частей на миллион.

Измерения форм (изотопов) углерода в современной атмосфере показывают четкий отпечаток добавления «старого» углерода (обедненного природным радиоактивным 14 C), поступающего в результате сжигания ископаемого топлива (в отличие от «нового» углерода, поступающего из живые системы). Кроме того, известно, что деятельность человека (исключая изменения в землепользовании) в настоящее время ежегодно выбрасывает примерно 10 миллиардов тонн углерода, в основном за счет сжигания ископаемого топлива, что более чем достаточно для объяснения наблюдаемого увеличения концентрации. Эти и другие доказательства убедительно указывают на тот факт, что повышенный уровень CO2 концентрация в нашей атмосфере является результатом деятельности человека.

figb4-маленький

Рисунок б4. Средняя глобальная температура поверхности Земли повысилась, как показано на этом графике комбинированных измерений суши и океана с 1850 по 2019 год, полученных на основе трех независимых анализов доступных наборов данных. На верхней панели показаны среднегодовые значения из трех анализов, а на нижней панели показаны средние значения за десятилетие, включая диапазон неопределенности (серые столбцы) для набора данных темно-бордового цвета (HadCRUT4). Изменения температуры относятся к глобальной средней приземной температуре, усредненной за период 1961–1990 гг. Источник: на основе ДО5 МГЭИК, данных из набора данных HadCRUT4 (черный цвет), NOAA Climate.gov; данные Центра Хэдли Метеобюро Великобритании (бордовый), Института космических исследований имени Годдарда Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (красный) и Национальных центров экологической информации Национального управления океанических и атмосферных исследований США (оранжевый). (увеличенная версия)

Климатические данные показывают тенденцию к потеплению

Для оценки увеличения средней глобальной температуры приземного воздуха требуется тщательный анализ миллионов измерений со всего мира, в том числе с наземных станций, кораблей и спутников.Несмотря на многочисленные сложности синтеза таких данных, несколько независимых групп по отдельности и единогласно пришли к выводу, что средняя глобальная температура приземного воздуха с 1900 года повысилась примерно на 1 °C (1,8 °F) [Рисунок B4]. Хотя запись показывает несколько пауз и ускорений в возрастающей тенденции, каждое из последних четырех десятилетий было теплее, чем любое другое десятилетие в инструментальной записи с 1850 года.

Возвращаясь во времени, еще до того, как точные термометры стали широко доступны, температуру можно реконструировать с помощью чувствительных к климату индикаторов «прокси» в таких материалах, как годичные кольца деревьев, ледяные ядра и морские отложения. Сравнение показаний термометра с этими косвенными измерениями позволяет предположить, что время с начала 1980-х годов было самым теплым 40-летним периодом по крайней мере за восемь столетий, и что глобальная температура повышается до пиковых температур, которые в последний раз наблюдались 5000–10 000 лет назад в самый теплый период. часть нашего нынешнего межледникового периода.

В последние годы стали очевидными многие другие воздействия, связанные с тенденцией к потеплению. Арктический летний морской ледяной покров резко сократился. Теплосодержание океана увеличилось. Глобальный средний уровень моря поднялся примерно на 16 см (6 дюймов) с 1901 года как из-за расширения более теплой океанской воды, так и из-за добавления талых вод с ледников и ледяных щитов на суше. Потепление и изменения осадков меняют географические ареалы многих видов растений и животных и сроки их жизненных циклов. Помимо воздействия на климат, часть избытка CO2 в атмосфере поглощается океаном, изменяя его химический состав (вызывая закисление океана).

Многие сложные процессы формируют наш климат

Основываясь только на физике количества энергии, которое CO2 поглощает и испускает, удвоение атмосферного CO2 концентрация от доиндустриальных уровней (примерно до 560 частей на миллион) сама по себе вызвала бы повышение глобальной средней температуры примерно на 1 ° C (1,8 ° F).Однако в общей климатической системе все обстоит сложнее; потепление приводит к дальнейшим эффектам (обратным связям), которые либо усиливают, либо уменьшают первоначальное потепление.

Наиболее важные обратные связи связаны с различными формами воды. Более теплая атмосфера обычно содержит больше водяного пара. Водяной пар является мощным парниковым газом, что приводит к еще большему потеплению; его короткое время жизни в атмосфере заставляет его увеличиваться в значительной степени в соответствии с потеплением. Таким образом, водяной пар рассматривается как усилитель, а не движущая сила изменения климата. Более высокие температуры в полярных регионах приводят к таянию морского льда и уменьшению сезонного снежного покрова, обнажая более темную поверхность океана и суши, которая может поглощать больше тепла, вызывая дальнейшее потепление. Другая важная, но неопределенная обратная связь касается изменений в облаках. Потепление и увеличение количества водяного пара вместе могут привести к увеличению или уменьшению облачного покрова, что может либо усилить, либо ослабить изменение температуры в зависимости от изменений горизонтальной протяженности, высоты и свойств облаков. Последняя оценка науки указывает на то, что общий чистый глобальный эффект изменения облачности, вероятно, будет усиливать потепление.

Океан смягчает изменение климата. Океан — это огромный резервуар тепла, но нагреть всю его глубину трудно, потому что теплая вода имеет тенденцию оставаться у поверхности. Поэтому скорость, с которой тепло передается в глубины океана, низкая; она меняется от года к году и от десятилетия к десятилетию и помогает определить темпы потепления на поверхности. Наблюдения за подповерхностным океаном были ограничены примерно до 1970 года, но с тех пор очевидно потепление верхних 700 м (2300 футов), а более глубокое потепление также четко наблюдается примерно с 1990 года.

Приземные температуры и количество осадков в большинстве регионов сильно отличаются от среднемировых из-за географического положения, в частности широты и континентального положения.Как средние значения температуры, количества осадков, так и их экстремальные значения (которые обычно оказывают наибольшее воздействие на природные системы и человеческую инфраструктуру) также сильно зависят от местных ветров.

Оценка эффектов процессов обратной связи, темпов потепления и региональных изменений климата требует использования математических моделей атмосферы, океана, суши и льда (криосферы), построенных на установленных законах физики и новейших представлениях о физических процессах. , химические и биологические процессы, влияющие на климат, и выполняются на мощных компьютерах. Модели различаются по своим прогнозам ожидаемого дополнительного потепления (в зависимости от типа модели и допущений, используемых при моделировании определенных климатических процессов, в частности образования облаков и перемешивания океана), но все такие модели сходятся во мнении, что общий чистый эффект обратных связей для усиления потепления.

Деятельность человека меняет климат

Тщательный анализ всех данных и линий доказательств показывает, что большая часть наблюдаемого глобального потепления за последние 50 лет или около того не может быть объяснена естественными причинами и вместо этого требует значительной роли влияния деятельности человека.

Чтобы распознать влияние человека на климат, ученые должны учитывать многие естественные вариации, влияющие на температуру, осадки и другие аспекты климата, в локальном и глобальном масштабах, во временных масштабах от дней до десятилетий и более. Одной из естественных вариаций является южное колебание Эль-Ниньо (ЭНЮК), неравномерное чередование потепления и похолодания (продолжительностью от двух до семи лет) в экваториальной части Тихого океана, которое вызывает значительные ежегодные региональные и глобальные сдвиги в температуре и характере осадков. . Извержения вулканов также изменяют климат, частично увеличивая количество мелких (аэрозольных) частиц в стратосфере, которые отражают или поглощают солнечный свет, что приводит к кратковременному охлаждению поверхности, длящемуся обычно около двух-трех лет.За сотни тысяч лет медленных, повторяющихся изменений орбиты Земли вокруг Солнца, которые изменяют распределение солнечной энергии, получаемой Землей, было достаточно, чтобы запустить циклы ледникового периода за последние 800 000 лет.

Дактилоскопия — мощный способ изучения причин изменения климата. Различные воздействия на климат приводят к различным закономерностям, наблюдаемым в климатических записях. Это становится очевидным, когда ученые исследуют изменения средней температуры планеты и более внимательно изучают географические и временные закономерности изменения климата. Например, увеличение выходной энергии Солнца приведет к совершенно иному характеру изменения температуры (по поверхности Земли и по вертикали в атмосфере) по сравнению с тем, который вызван увеличением содержания CO.2 концентрация. Наблюдаемые изменения температуры атмосферы показывают, что отпечаток пальца намного ближе к отпечатку пальца длительного CO.2 больше, чем у колеблющегося Солнца. Ученые регулярно проверяют, могут ли чисто естественные изменения на Солнце, вулканическая активность или внутренняя изменчивость климата правдоподобно объяснить закономерности изменений, которые они наблюдали во многих различных аспектах климатической системы. Эти анализы показали, что наблюдаемые изменения климата за последние несколько десятилетий не могут быть объяснены только природными факторами.

figb5-маленький

Рисунок б5. Количество и темпы потепления, ожидаемые в 21 веке, зависят от общего количества парниковых газов, которые выбрасывает человечество. Модели прогнозируют повышение температуры для обычного сценария выбросов (выделено красным) и агрессивного сокращения выбросов, которое через 50 лет упадет почти до нуля (выделено синим цветом). Черный — смоделированная оценка потепления в прошлом. Каждая сплошная линия представляет собой среднее значение различных прогонов модели с использованием одного и того же сценария выбросов, а заштрихованные области показывают меру разброса (одно стандартное отклонение) между изменениями температуры, прогнозируемыми различными моделями.Все данные относятся к базовому периоду (установленному на ноль) 1986-2005 гг. Источник: на основе ДО5 МГЭИК (увеличенная версия).

Как изменится климат в будущем?

Ученые добились значительных успехов в наблюдениях, теории и моделировании климатической системы Земли, и эти достижения позволили им с большей уверенностью прогнозировать будущие изменения климата. Тем не менее, несколько серьезных проблем не позволяют дать точные оценки того, как глобальные или региональные температурные тренды будут развиваться десятилетие за десятилетием в будущем. Во-первых, мы не можем предсказать, сколько CO2 будет производиться человеческая деятельность, поскольку это зависит от таких факторов, как развитие мировой экономики и изменение общественного производства и потребления энергии в ближайшие десятилетия. Во-вторых, при нынешнем понимании сложности того, как работают климатические обратные связи, существует целый ряд возможных результатов даже для конкретного сценария выбросов CO.2 выбросы. Наконец, в масштабе десятилетия или около того естественная изменчивость может модулировать эффекты основного тренда температуры. В совокупности все модельные прогнозы показывают, что Земля будет продолжать значительно нагреваться в течение следующих нескольких десятилетий или столетий. Если бы не было технологических или политических изменений, направленных на снижение тенденций выбросов по сравнению с их нынешней траекторией, то можно было бы ожидать дальнейшего глобального потепления на 2,6–4,8 °C (от 4,7 до 8,6 °F) в дополнение к тому, что уже произошло в течение 21-го числа. века [Рисунок B5]. Прогнозирование того, что эти диапазоны будут означать для климата в любом конкретном месте, является сложной научной проблемой, но оценки продолжают улучшаться по мере развития региональных и местных моделей.

0 0 голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x