Глобальное потепление или глобальное похолодание?

Еще один механизм влияния на климат заключается в астрономических соотношениях нашей Солнечной системы. Планеты, в основном Юпитер и Венера, находясь то на одном, то на другом расстоянии от Земли, возмущают ее орбиту. При определенном расположении Юпитер, подтягивая Землю к себе, то чуть подтягивает ее к Солнцу, то чуть отдаляет относительно основной эллиптической орбиты. Аналогично Венера всегда чуть подтягивает Землю к Солнцу, но с разной интенсивностью. Возмущая расстояние до Солнца, эти планеты возмущают примерно на 1% и радиационную энергию, попадающую на Землю. Эти возмущения имеют 12-летний период, но еще большие возмущения происходят с 60-летним периодом, который, кстати, не совпадает с так называемыми планетным резонансом с периодом 83 года.

Далее Земля крутится вокруг Солнца, но орбита не круговая, а чуть-чуть эллиптическая, в одном из фокусов находится Солнце, соответственно, расстояние от Земли до Солнца в перигее меньше, чем в апогее на 5 млн километров, т.е. мы имеем дело с колебаниями в 3,5%. А это значит, что излучение в перигее и в апогее различается примерно на 7%. В январе мы ближе на 3,5% и соответствующее полушарие получает больше тепла, чем в июле. Поэтому зима в северном полушарии в среднем теплее, а лето прохладнее, чем в южном полушарии. По оценкам средняя температура воздуха на поверхности Земли каждые полгода должна колебаться на 3-5 градусов, а на самом деле она колеблется меньше.

У каждого орбитального параметра своя цикличность. Например, эксцентриситет: траектория вращения Земли вокруг Солнца с круговой переходит на более эллиптическую каждые 95, 125 и четыреста тысяч лет. Ось вращения планеты отклоняется в пределах трех градусов от эклиптики – плоскости обращения Земли вокруг Солнца.

В эпоху плейстоцена – от 2,6 миллиона до 11,7 тысячи лет назад – Земля пережила несколько холодных периодов, когда ледники занимали до 30 процентов планеты и доходили в Северном полушарии до 40-й параллели.

1.3. Климатические циклы

Самые значительные климатические процессы за последние несколько миллионов лет – это смена гляциальных (ледниковые эпохи) и интергляциальных (межледниковых) эпох текущего ледникового периода, обусловленные изменениями орбиты и оси Земли.

Результатом прецессии земной орбиты являются и менее масштабные изменения, которые названы в честь их авторов.

1. Циклы Миланковича. Согласно гипотезе сербского математика и геофизика Милутина Миланковича, теория тепловых явлений, вызванных из-за регулярных изменений параметров орбиты – эксцентриситета, наклона оси вращения и прецессии, рис.1.8, – земная поверхность нагревается Солнцем по-разному. В результате возникают оледенения, сменяющиеся более теплыми периодами – межледниковьями. Это так называемые циклы Миланковича, на их основе строят долгосрочные климатические прогнозы.

Рис.1.8. Орбитальные параметры Земли: А – эксцентриситет; В – наклон оси вращения; С – прецессия

Ци́клы Мила́нковича —это колебания количествасолнечного света и солнечной радиации, достигающих Земли, на протяжении больших промежутков времени. Причиной этих отклонений от средней интенсивности солнечного излучения на Земле являются три эффекта:

-прецессия - поворот земной оси с периодом около 25750 лет, в результате которого меняется сезонная амплитуда интенсивности солнечного потока на северном и южном полушариях Земли;

–нутация - долгопериодические (так называемые вековые) колебания угла наклона земной оси к плоскости её орбиты с периодом около 41000 лет. Ось вращения Земли наклонена по отношению к плоскости эклиптики и этот наклон меняется от 21,5 до 24,5 и обратно.

–долгопериодические колебания эксцентриситета орбиты Земли с периодом около 93000 лет. Форма орбиты Земли вокруг Солнца меняется со временем с меньшей на более эллиптическую и обратно. под действием притяжения других планет.

У каждого орбитального параметра своя цикличность. Например, эксцентриситет: траектория вращения Земли вокруг Солнца с круговой переходит на более эллиптическую каждые 95, 125 и четыреста тысяч лет. Ось вращения планеты отклоняется в пределах трех градусов от эклиптики – плоскости обращения Земли вокруг Солнца – примерно каждую 41 тысячу лет. А цикл прецессии – вращения земной оси по конусу на манер гироскопа – в среднем 26 тысяч лет. За это время земная ось описывает полный круг. Периодичность изменения орбитальных параметров, определяющая циклы Миланковича, представлена на рис.1.9.

Рис.1.9.Периодичность изменения орбитальных параметров, определяющая циклы Миланковича

Все эти факторы вместе дают периодичность климатических эпох в 41 и сто тысяч лет. При этом, согласно расчетам Миланковича, разница в количестве солнечного света в Северном полушарии достигает двадцати процентов.

В эпоху плейстоцена – от 2,6 миллиона до 11,7 тысячи лет назад – Земля пережила несколько холодных периодов, когда ледники занимали до 30 процентов планеты и доходили в Северном полушарии до 40-й параллели.

Так, судя по графику среднегодовых температур на Земле, прозванном "климатической клюшкой", максимум голоценового потепления – Средневековый климатический оптимум – был в X-XIII веках. Тогда на планете было даже теплее, чем в середине прошлого столетия. После этого началось медленное общее похолодание.

Последний ледниковый максимум был примерно 18 тысяч лет назад, а сейчас, согласно циклам Миланковича, продолжается голоценовое межледниковье, начавшееся около 12 тысяч лет назад. Именно на это ссылаются противники гипотезы антропогенного влияния на климат, когда заходит речь о глобальном потеплении. Однако более детальное моделирование показывает: происходящее сейчас никак не укладывается в природные циклы – ни по силе, ни по динамике.

2. Минимум Маундера – явление долговременного уменьшения количества солнечных пятен. Новая модель солнечной активности, которую разработали ученые, показывает нарушение 11-летней цикличности. Она описывает особые эффекты в двух слоях Солнца, из-за которых эта звезда какое-то время не сможет обогревать нас так же, как делала это последние сотни лет. По словам экспертов, к 2030 году солнечная активность снизится на 60 процентов, что приведет к малому ледниковому периоду. Результаты исследования были представлены на собрании астрономов в Уэльсе.

По подсчетам английского астронома Эдварда Маундера в период 1645-1715 гг. (на протяжении 70 лет) наблюдалось всего около 50 солнечных пятен вместо обычных 40 000 – 50 000. Падение солнечной активности в указанный Маундером период было подтверждено анализом содержания углерода-14, а также некоторых других изотопов, например, бериллия-10 в ледниках и деревьях. Во время Маундеровского минимума наблюдалось падение интенсивности полярных сияний и скорости вращения Солнца.

Исследователи говорят, что в 26-м солнечном цикле, который приходится на период между 2020 и 2030 годами, две волны Солнца нейтрализуют друг друга. В результате их разрушительного взаимодействия произойдет значительное снижение солнечной активности (то есть на Земле станет заметно холоднее) и наступит новый Маундеровский Минимум.

НаСолнцепериодически пропадают пятна. Поэтому жителей Земли может ожидать цикл долгих холодных зим с рекордно низкими температурами. Сейчас Солнце вновь резко снижает свою активность. Уже несколько лет пятна на нем периодически полностью исчезают. Чем дальше, тем больше дней без пятен. Причины не совсем ясны.

3.Циклы -минимум Шпёрера– 90-летний период низкой солнечной активности, длившийся примерно с 1460 по 1550 год, который был определён и назван в честь немецкого астронома Г. Шпёрера американским исследователем Д. Эдди в статье 1976 года в журнале Science. Низкая численность солнечных пятен в указанный период была установлена путём радиоуглеродных исследований годовых древесных колец, содержание углерода в которых хорошо коррелирует с солнечной активностью.

4. Циклы – минимум Дальтона– период низкого количества солнечных пятен, представляющий низкую солнечную активность, названный в честь английского метеоролога Джона Дальтона, длившийся примерно с 1790 по 1830 год или с 1796 по 1820 год, что соответствует периоду с 4 по 7 солнечный цикл. Хотя минимум Дальтона часто сравнивают с минимумом Маундера, число солнечных пятен в нем было немного выше, и сообщалось о солнечных пятнах, распределенных в обоих солнечных полушариях, в отличие от минимума Маундера. Корональные стримеры визуально подтверждены на рисунках затмения Эзры Эймса и Хосе Хоакина де Феррера в 1806 году и указывают на сходство его магнитного поля не с минимумом Маундера, а с современными солнечными циклами.

Как минимумМаундера и минимум Шпорера, минимум Дальтона совпал с периодом глобальных температур ниже среднего. В течение этого периода в Германии наблюдались колебания температуры примерно на 1°C.

Важным фактором, влияющим на климат планеты, является солнечная активность, которая, по мнению ученого А. Л. Чижевского, имеет 12-летние циклы. С 1965 г. солнечная активность упала приблизительно на 30%. Предыдущий 23-й цикл (1996–2008 гг.) был очень слабым. Количество дней без пятен на солнце стало самым большим с начала ХIХ века.

В конце ХХ века резкий рост точности астрономических наблюдений позволил установить еще 11 климатических циклов, продолжительностью от 10 до 400 тысяч лет. Отдельные циклы не зависимы или мало зависимы друг от друга, поэтому могут накладываться. Суммарная амплитуда колебаний температур при этом может достигать 15 градусов. И тогда можно говорить о великих потеплениях или великих похолоданиях. Было также установлено, что количество пятен на Солнце возрастает и убывает периодически. Так родилось понятие о циклах солнечной активности. Изучение ледяного покрова Земли показало, что эпохи потепления и похолодания закономерно чередовались. За последние 450 тыс. лет было 6 климатических циклов. Мы живем в эпоху заканчивающегося межледниковья и закономерно входим в период «великого похолодания».

1.4. Влияние термохалинной циркуляции на климат Земли

Понижение глобальной температуры ведет к понижению стерического (плотностного) уровня Мирового океана, который определяется разностью в плотности океанических вод, которая зависит от разности их температуры и солености.

Термохалинная циркуляция (ТЦ)представляет собой крупно масштабную океаническую циркуляцию или конвейер, в котором происходит движение водных масс за счет перепада плотности воды, образовавшегося вследствие неоднородности распределения температуры и солёности в океане. В самом наименовании термина заложены два фактора, которые вместе определяют плотность морской воды – температура (термо) и солёность (халина). ТЦ является глобальным объединением всех существующих течений Мирового океана. Рассмотрим некоторые из них. Стоит обратить внимание на то, что вариации солнечной активности через атмосферную и гидросферную циркуляцию определяют изменение размеров ледового покрытия в полярных областях Арктики (Северный полюс) и Антарктики (Южный полюс). Именно количество атмосферных осадков и температурный режим атмосферы регулируют объемы накопления и таяния ледниковых щитов.

Идея солнечного влияния на льдообразование в полярных областях была высказана в 1918 году немецким географом, профессором Людвигом Меккингом. Он утверждал, что количество льда в морях варьирует, и что это вызвано вариациями солнечной активности – периоды максимальной солнечной активности способствуют уменьшению количества льда, а периоды минимальной – его увеличению.

Активное таяние льдов (что мы и наблюдаем в настоящее время) приводит к тому, что огромная масса пресной, холодной, плотной воды уносится Лабрадорским течением (ЛТ), которое также является холодным морским течением. Траектория течения – между побережьем Канады и Гренландией, устремленное в южном направлении из моря Баффина до Ньюфаундлендской банки. У Ньюфаундленда ЛТ смешивается с тёплым струйным течением Гольфстрим (Г), отклоняя его в сторону Европы. Холодные воды подныривают под Г, то есть происходит процесс опреснения и охлаждения стоковым течением. Когда степень опреснения достигает определенного уровня, то плотность вод ЛТ уменьшается, оно поднимается на поверхность и преграждает дорогу Гольфстриму, который значительно влияет на климат Западной Европы. Так, например, в шотландском Глазго средняя температура в январе месяце составляет +3,5 градуса, а в находящейся на той же широте Москве –9,5. Все из-за того, что Глазго находится ближе к “батарее” Гольфстрима. Схема течения Гольфстрима приведена на рис. 1.10.

Рис.1.10. Схема течения Гольфстрима

Гольфстримпредставляет собой систему течений, простирающаяся от полуострова Флорида до Скандинавии, Шпицбергена, Баренцева моря и Северного Ледовитого океана. Ширина потока составляет 70–90 км на юге, увеличивается до 100–120 км на широте пролива Хаттерас и охватывает океанские воды до глубины 0,7–0,8 км. Ежегодная тепловая мощность Гольфстрима оценивается 1,4·1015 Дж. Температура на поверхности потока достигает +25°С в Мексиканском заливе, а его скорость – 6–10 км/ч и уменьшается до 3–4 км/ч у Ньюфаундлендской банки.

Теплые воды Гольфстрима обогревают нижние слои атмосферы над океаном, а западные ветры переносят это тепло в Европу. Благодаря Гольфстриму климат Европы на 11-20°С теплее своих климатических норм, а также норм других регионов планеты, расположенных на этой же широте.

Температурный режим Гольфстрима в определенной мере связан с Североатлантической осцилляцией (осцилляция – колебания; САО/САК), которая формируется под действием долговременных вариаций солнечной активности и также оказывает существенное влияние на изменение атмосферной циркуляции.

Североатлантическая осцилляция-это непостоянство климата на севере Атлантического океана, что проявляется, прежде всего, в изменении температуры морской поверхности.

Североатлантическое колебание является одной из важнейших характеристик крупномасштабной циркуляции атмосферы в северном полушарии. Оно выражено во все сезоны года и проявляется в масштабах от нескольких суток до нескольких столетий

Климатические колебания в Северном полушарии связаны с североатлантической осцилляцией, которая измеряется на 2-х станциях: одна станция находится на Канарских островах, другая – в Исландии. Измеряемые показатели качаются: то на одном возрастают, то на другом снижаются и наоборот. Сам Гольфстрим тоже то разгоняется, то замедляется, который обогревает Европу. Но были случаи, когда Гольфстрим прекращал двигаться, 10 000 – 11 000 лет назад, когда прекращалось таяние ледников в последнем, сартанском периоде. Под канадским ледниковым щитом существовало озеро, которое называлось по имени исследователя Агассис. Это было огромное озеро пресноводное озеро, которое в один момент выплеснулось в Атлантический океан и остудило его поверхность, и Гольфстрим не мог работать, не стало энергии, чтобы двигаться.

Существует и южная осцилляция, которую измеряют в Южном полушарии, оно контролирует Эль-Ниньо (отрицательные значения индекса) и Ла-Ниньо (положительные значения индекса). Важное значение в климатическом изменении играют стоковые ветры, которые формируются над ледниковыми шапками и стекают в разные стороны в область теплых морей.

Парадокс стабилизации глобальных температур на фоне роста концентрации СО2в атмосфере надо было как-то объяснить. Иначе прогнозные модели, построенные на простой экстраполяции, лишатся доверия.

Китайские ученые из УниверситетаЛаньчжоу предложили уточненную климатическую модель, с учетом перераспределения энергии между атмосферой и океаном. Выяснилось, что в период кажущейся паузы в потеплении Земля продолжает нагреваться, но тепло накапливается в глубинах Мирового океана. После того как теплоемкость океана достигает определенного уровня, снова повышается температура верхних слоев воды – с этим и связана цикличность.

Ранее ученыедоказали, что именно ослабление циркуляции воды в океане способствовало удлинению ледниковых периодов в плейстоцене и переходу примерно миллион лет назад с 41-тысячелетних циклов Миланковича на стотысячелетние. В палеоклиматологии это известно как "проблема ста тысяч лет".

1.5. Влияние парникового эффекта на климат

. Парниковый эффект – это повышение температуры нижних слоёв атмосферы за счёт того, что некоторые газы препятствуют излучению тепловой энергии с поверхности планеты в космическое пространство. Играет решающую роль в сохранении жизни на Земле – если бы парникового эффекта не было, температура была бы почти на 32-39 градусов ниже, чем сейчас. Земля находится в состоянии теплового равновесия. Средние годовые температуры земной поверхности и атмосферы в любой точке Земли мало меняются от года к году. Это означает, что на верхней границе атмосферы солнечная радиация уравновешивается излучением Земли. Но не всё излучение Земли уходит в космическое пространство. Его значительная часть поглощается находящимися в атмосфере водяным паром и парниковыми газами.

Парниковый эффект имеет место не только на Земле. К примеру, сильный парниковый эффект на соседней планете – Венере. Атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, и в результате поверхность планеты разогрета до 475°С. Климатологи полагают, что Земля избежала такой участи благодаря наличию на ней океанов. Океаны поглощают атмосферный углерод, и он накапливается в горных породах, таких как известняк. Посредством этого углекислый газ удаляется из атмосферы. На Венере нет океанов, и весь углекислый газ, который выбрасывают в атмосферу вулканы, там и остается. В результате на планете наблюдается неуправляемый парниковый эффект.

Парниковые газы – газообразные составляющие атмосферы природного, или антропогенного происхождения, которые поглощают и переизлучают инфракрасное излучение.

Явление естественного парникового эффекта позволяет поддерживать на поверхности Земли температуру, при которой стало возможным возникновение и развитие жизни. Это было обусловлено естественными изменениями климата в последние несколько миллионов лет. Физические процессы, из-за которых парниковые газы могут повысить температуру воздуха, известны с конца XIX в. Но до недавнего времени антропогенным парниковым газам придавалось мало значения. Антропогенное увеличение концентрации парниковых газов приводит к повышению температуры поверхности Земли, изменению климата и негативным геоэкологическим последствиям, рис. 1.11.

Рис. 1.11. Воздействие парникового эффекта на природные процессы и его геоэкологические последствия

Список парниковых газов, подлежащих ограничению, определен в Приложении А к Киотскому протоколу (подписан в Киото (Япония) в декабре 1997г. 159 государствами) и включает двуокись углерода (CO2), метан (CH4), закись азота (N2O), перфторуглероды (ПФУ), гидрофторуглероды (ГФУ) и гексафторид серы (SF6).

Очень обстоятельные исследования парникового эффекта были проведены в Национальном Центре атмосферных исследований (США). Они так оценили удельный вес газов в создании эффекта: водяной пар – 60%, углекислый газ – 26%, озон – 8%, метан – 6%. Дальнейшие исследования показали, что облака (водяного пара) усиливают парниковый эффект в нелинейной пропорции. Тогда доля водяного пара возрастает до 70%, а доля углекислого газа снижается до 22%. Водяной пар оказывает более сильное воздействие потому, что его в атмосфере значительно больше, чем углекислого газа и значимость углекислого газа для парникового эффекта во много раз ниже, чем это признано.

Водяной пар – самый распространенный парниковый газ – исключен из данного рассмотрения, так как нет данных о росте его концентрации в атмосфере (связанная с ним опасность не просматривается). В то же время, увеличение температуры Земли, вызванное другими факторами, увеличивает испарение и общую концентрацию водяного пара в атмосфере при практически постоянной относительной влажности, что, в свою очередь, повышает парниковый эффект. Таким образом, возникает некоторая положительная обратная связь. С другой стороны, повышение влажности способствует развитию облачного покрова, а облака в атмосфере отражают прямой солнечный свет, тем самым увеличивая альбедо Земли. Альбедо- характеристика отражательной (рассеивающей) способности поверхности земли. Повышенное альбедо приводит к антипарниковому эффекту, несколько уменьшая общее количество поступающего солнечного излучения и дневной прогрев атмосферы