Учебно-методический комплекс дисциплины «Климатология и метрология» для специальности 5М060800 «Экология» учебно-методические материалы

1. Изменения климата в различные геологические эпохи и историческое время

Временные масштабы возможных причин климатических изменений необычайно широки. Так, изменение светимости Солнца за пределами 1 % солнечной постоянной может происходить за 109 лет. Вариации орбитальных параметров, прецессии равноденствия и изменения наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты составляют соответственно 92, 21 и 40 тыс. лет. Временные масштабы движений земной коры равны 10⁵-10⁹ лет. Образование стратосферного аэрозоля вследствие вулканических извержений может приводить к климатическим изменениям в самых широких пределах - от 10 до 10⁸ лет. С другой стороны, внутренняя изменчивость климатической системы определяется различными механизмами прямых и обратных связей между составляющими системы: атмосферой, океаном, криосферой, поверхностью суши и биосферой, которые могут действовать во временных масштабах от 10 до 10² лет. Таким образом, изменения климата могли происходить в любых геологических эпохах.

Нижней границей голоцена принято считать рубеж 10 тыс. лет назад. Повышение температуры, таяние ледников и разрушение ледниковых покровов началось 14 тыс. лет назад. Это потепление климата имело глобальный характер. Оно сопровождалось деградацией вюрмских ледниковых покровов Европы и Северной Америки, но этот процесс не был монотонным. На его фоне происходили колебания температуры, частые наступания ледников, изменения уровня Мирового океана, высоты снеговой линии в горах, площади долинных ледников, распространения растительности. Исчезновение Скандинавского ледникового покрова произошло около 9 тыс. лет назад, а Северо-Американского - 7 тыс. лет до н.э. Периодизация голоцена основана на палеоботанических признаках. Голоцен делится на пять климатических периодов:

1) арктический и субарктический – конец оледенения и начало послеледниковья;

2) бореальный – прохладный и сухой;

3) атлантический – теплый и влажный;

4) суббореальный – теплый и сухой (ксеротермический);

5) субатлантический – прохладный и влажный.

В первый период (9–8 тыс. лет до н.э.) в связи с начавшимся потеплением произошло не только исчезновение покровных ледников в Северной Америке и Европе, но и заметное сокращение площади тундры в Европе. Сюда вновь начали распространяться березово-сосновые и таежные леса.

В бореальном периоде таежные леса продолжали оттеснять тундру к северу. За ними следовали широколиственные леса, которые заняли Южную и отчасти Среднюю Европу. Затем, около 6 тыс. лет назад, начался так называемый климатический оптимум, который отождествляют с атлантическим периодом. В атлантическое время климат был теплее современного. Половину Исландии во время климатического оптимума занимали березовые леса, тогда как сейчас они занимают 1% территории в закрытых от арктических вторжений местах. В Европе растительность была богаче и содержала больше, чем сейчас, теплолюбивых видов; здесь растительные зоны продвинулись на север. Зона умеренных лесов продвинулась на север примерно на 5° широты. Среднегодовая температура в Европе была на 2–3° выше. В Европейской части России все лесные зоны продвинулись на север на 300–400 км, а темнохвойные леса вышли на берега Баренцева моря. В Азии тайга достигала района мыса Челюскина.

В тропической области климатический оптимум голоцена проявился увеличением влажности воздуха, общего увлажнения и небольшим повышением температуры. Сахара в то время была саванной; уровень озера Чад превышал современный на 40 м.

Многочисленные признаки из других мест Северного и Южного полушарий показывают, что во время голоценового оптимума теплый и влажный климат господствовал на всем земном шаре. Затем последовал суббореальный период, который продолжался около 2 тыс. лет (от 2500 г. до 500 г. до н.э.) и отличался похолоданием. Поэтому в этом периоде отмечается некоторое смещение всех ландшафтных зон к экватору, наступание горных ледников на Аляске, Шпицбергене, Исландии, в Альпах, усиление деловитости в высоких широтах, а в аридных областях - засушливости.

Около 500 лет до н.э. начался субатлантический период - прохладный и влажный, который продолжается по настоящее время. В этот период произошло ухудшение климата, он стал более прохладным, количество осадков увеличилось, например, в Англии и Швеции в 1,5 раза. Началось развитие торфяных болот, наступление тундры на лес и леса на степь. Климат постепенно трансформировался в современный, отличающийся большой океаничностью.

В первые столетия нашей эры увлажнение и температура были близки к современным. Однако приблизительно в IV–V вв. н.э. произошли изменение условий и до VIII в. в Европе климат был сухой и теплый. В это время началось сокращение торфяников и понижение уровня озер.

Период раннего Средневековья (от VlII в. до XIV в.) называется эпохой викингов. В это время климат стал более мягким и теплым, произошло резкое уменьшение ледовитости северных морей. В период между 750 г. и 1200 г. викинги открыли и заселили Исландию и Гренландию, достигли Ньюфаундленда, беспрепятственно плавали до Шпицбергена, торговали и совершали набеги в устье Северной Двины.

В Западной Европе период между 750 г. и 1200 г. также отличался теплым климатом и некоторым уменьшением влажности. B XII–XIII вв. на Балтийском побережье и в Англии выращивали виноград, что на 4–5° широты севернее, чем в настоящее время.

Период VIII–XlII вв. в Северной Америке также отличался весьма благоприятным теплым климатом – в районе Великих Озер появилось много поселений, жители которых занимались земледелием.

B XIII–XIV вв. началось новое похолодание климата, постепенно увеличилась ледовитость северных морей, морские пути в Гренландию стали непроходимыми для утлых судов викингов. Ледники Гренландии начали наступать и уничтожать их поселения. В XIII–XIV вв. увеличилась и внутрисезонная изменчивость климата. Наметился переход к так называемому малому ледниковому периоду, который, по мнению одних, продолжался с XIV в. до середины XIX в., а по мнению других с XVII в. до середины XIX в. Характерная черта малого ледникового периода – поведение горных ледников. В XVI в. стало заметным нашествие альпийских ледников, в конце XVI в. и в XVII в. достигло максимума. Около 1700 г. отмечалось некоторое отступание альпийских ледников, но именно в это время развивались ледники в Исландии и Норвегии, а в Швеции максимум пришелся на 1710 г. Затем значительные движения ледников около 1720 г. были отмечены в Альпах, Скандинавии, США и на Аляске. На Аляске ледники начали расширяться и спускаться с гор в долины еще в XIV в. Затем после некоторой стабилизации во второй половине XVI в. ледники Аляски продолжали наступать. В Северной Европе, Исландии и на Аляске особенно мощным было наступление в 1740–1750 гг. В течение 1760–1790 гг. продолжалось шествие альпийских ледников, максимум их распространения был достигнут в 1820 г., он был сходен с максимумом 1600 г. Новый глобальный максимум горного оледенения в Альпах, Исландии, Норвегии, Северной Америке, Британской Колумбии и Патагонских Андах Южной Америки был отмечен в 1850 г. Наступание 1850–1860 гг. было последним глобальным перемещением горных ледников и оно знаменовало конец малого ледникового периода. Нужно заметить, что изменения климата как во время малого климатического оптимума, так и во время малого ледникового периода в разных районах Земли происходили не синхронно. Точные их причины неизвестны. Существует предположение, что малый ледниковый период связан с увеличением вулканических извержений, а также с уменьшением концентрации CO₂ в атмосфере.

Изменение климата в период инструментальных наблюдений

Колебания климата в последней четверти XIX–XX в. можно определить на основе обработки прямых метеорологических измерений. В настоящее время имеются многочисленные свидетельства того, что потепление, последовавшее за малым ледниковым периодом, продолжалось в конце XIX – первой половине XX в. Это не только отступание горных ледников в Европе, Северной Америке и Азии, но и обработанные ряды метеорологических измерений за 100 лет. С конца XIX в. по 1940 г. происходило потепление на всем Северном полушарии, величина которого составила не менее 0,6ºC, затем началось новое потепление, продолжающееся и в настоящее время.

Наблюдается рост средней глобальной температуры земного шара с конца XIX столетия до 40-х годов XX в. Последующее похолодание 50–60-х годов менее заметно. Это скорее колебание около некоторого значения температуры. Новый рост температуры начался со второй половины 70-х годов. За период инструментальных наблюдений средняя глобальная температура земного шара увеличилась на 0,5ºC. Если действительно происходит потепление, то изменения глобальной температуры должны сказываться на состоянии океана. При потеплении вода в океане расширяется, а следовательно, повышается его уровень. Кроме того, возможные изменения в распределении осадков над сушей могут воздействовать на поверхностный сток рек и ледников в океаны.

Данные наблюдений за изменением уровня моря, полученные с начала века, действительно показывают, что уровень Мирового океана повышается. Средняя скорость повышения уровня Мирового океана 4–5 см за 100 лет. Таким образом, последние 100 лет можно назвать периодом потепления климата. Изучение причин современного потепления показало следующее: ход средней годовой температуры Северного полушария с удовлетворительной точностью можно объяснить колебаниями фактической прозрачности атмосферы и парникового эффекта из-за изменения концентрации CO₂ в атмосфере.

Наряду со средними климатическими условиями и отмеченными выше климатическими циклами, особенностью климатического режима являются его вариации. При этом разумно различать изменчивость и изменения. Под изменчивостью понимаются вариации около некоторого среднего состояния. Изменения характеризуют тренд, переход в существенно другое состояние, причем происходят изменения как самого среднего режима, так и состояния изменчивости. Это разделение методологически удобно, однако физическая ценность данного подхода спорна – многое зависит от рассматриваемого масштаба времени – на разных масштабах одно и то же явление может выступать и как изменчивость, и как изменения.

Данные глобальной сети метеорологических наблюдений охватывают немногим более 100 последних лет, и требуются специальные усилия, чтобы «протянуть» информацию в прошлое еще на несколько десятков лет. Исключение составляют «сверхдлинные» ряды наблюдений, такие, как «ряд Мэнли» (с 1400 года), однако при их использовании всегда существуют сомнения относительно однородности данных. Кроме того, информация по одной станции, описывая местные условия, может и не быть репрезентативной для характеристики целого региона или, тем более, всего земного шара.

Современный этап характеризуется глобальным трендом температуры. На него накладываются межгодовые и «декадные» (с характерной ритмичностью порядка десятка лет) вариации. На рисунке 14 представлен ход аномалий (относительно современного уровня) среднегодовых температур.

Рисунок 14 – Изменения среднегодовой температуры воздуха у поверхности Земли относительно температуры 1990 г. (А.В. Кислов, 2006).

Несмотря на, казалось бы, очевидный факт роста температуры, вывод о глобальном потеплении делается с некоторым сомнением (Кислов, 2006). Во-первых, использованный при построении графика рис. 6.2 массив данных неоднороден, и устранить эту неоднородность полностью не удается. Если даже рассматривать только период инструментальных наблюдений, то можно утверждать, что данные наблюдений XX в. более надежны, чем данные IXX в. – хотя бы с точки зрения того, что сеть станций в XX в. стала гораздо более глобальной, так что расчет планетарных средних оказывается более оправданным. Если же даже данные IXX в. как менее надежные исключить из рассмотрения, то современный 100-летний тренд исчезает. Вместо него можно говорить лишь о росте температуры, начавшемся в 80-х годах, считая, что это пример положительной аномалии температуры типа потепления 1940-х годов.

Другое замечание, касающееся качества данных, заключается в том, что многие гидрометеорологические станции, в начале века находившиеся внутри природных ландшафтов, впоследствии оказались внутри урбанизированных территорий. Поэтому можно опасаться, что «глобальное» потепление, фиксируемое ими, является на самом деле локальной аномалией. Понимая серьезность данной проблемы, для анализа стараются использовать станции, расположенные в фоновых местах земного шара.

Если проанализировать изменения термического режима отдельных регионов, то можно сделать вывод, что современное потепление диагностируется практически повсеместно, однако проявляется с разной степенью. Наибольшие изменения отмечены над континентами между 40 и 70^о с.ш. Над морем изменения меньше, причем в некоторых регионах наблюдаются отрицательные аномалии. Во внетропических широтах Тихого океана начиная с середины 1970-х годов произошло увеличение температуры воды и воздуха вдоль западного побережья США и снижение температуры в центральных частях Тихого океана. Практически повсеместный положительный тренд среднегодовых значений температуры обнаружен на территории России. А.В. Кислов (2006) приводит следующие значения: на ее европейской территории, Дальнем Востоке и Чукотке это 0,3–0,4^оС/10 лет, и 0,5–0,7^оС/10 лет в Сибири. Основной вклад создается ростом температур холодного сезона (для зимних температур тренд в Центральной и Южной Сибири составляет 1,5–1,7^оС/10 лет), летом статистически значимый рост не диагностирован. Следует отметить, что наряду со средними значениями растет и повторяемость экстремально теплых значений. Аналогично (и также, главным образом, за счет холодного сезона) растут температуры в Центральной и Южной Европе. На Скандинавском полуострове, где длительное время (с 1930-х по конец 1980-х годов) тренд температур отсутствовал, в последние годы отчетливо стало проявляться нарастание зимних температур.

Именно рост температуры воздуха у земной поверхности, особенно ярко выраженный в конце XX в., является главной особенностью современных климатических изменений. Анализируя поведение других климатических показателей во времени, главным является ответ на вопрос – видны ли какие-либо особенности, соответствующие глобальному потеплению, и скоррелированы они с ними или нет.

Рассмотрим такие показатели как температуру в свободной атмосфере и осадки.

Температура в свободной атмосфере. Как показал анализ данных с 1958 г. по настоящее время, в тропосфере каких-либо трендов не наблюдается. Температура нижней стратосферы статистически значимо снизилась за последние два десятилетия (коэффициент линейного тренда составил примерно –0,34^оС/10 лет). Короткие резкие всплески потепления в начале 1980-х и 1990-х годов связаны с появлением в стратосфере частиц вулканического происхождения после мощных извержений вулканов Эль Чичон и Пинатубо. В верхней стратосфере заметных изменений температуры не происходит.

Осадки. За 100-летний период над континентами во внетропических широтах отмечается их положительный тренд (примерно 10% годовой суммы). Снижение осадков имело место в тропиках Северной Африки (10–25%) и в Юго-Восточной Азии (10%). Более выраженными являются аномалии, если их рассматривать за более короткие, чем 100-летние отрезки времени. Так в последние 50 лет обнаруживаются значимые возмущения режима увлажнения в нескольких регионах Северной Африки (на 100 и даже 200%). Это явление известно как засуха Сахеля. Менее резко выражен, но отчетливо диагностируется рост осадков в юго-западной части субтропиков Северо-американского континента. В западной части Австралии наблюдается рост осадков, а в восточной части – снижение (на 50–100%).

На территории России картина неоднозначна. Так, А.В. Кислов приводит данные о том, что в зимний период количество осадков возросло в Западной Сибири (отношение сумм атмосферных осадков увеличилось от 1 до 13% за 10 лет) и уменьшилось на всем арктическом побережье (на Чукотке до 30–35% за 10 лет). Весной в Западной Сибири, на Урале и востоке Европейской части России обнаружена тенденция увеличения сумм осадков. Значимые отрицательные коэффициенты линейного тренда получены на арктическом побережье, Дальнем Востоке, в Забайкалье. Летом на европейской части территории, в Восточной Сибири и Забайкалье имеет место рост осадков (2–15% за 10 лет). В Западной Сибири количество осадков уменьшается (до 20% за 10 лет в ее северной части). Для осени был характерен рост количества осадков в южных областях и уменьшение на севере. Распределение коэффициентов линейного тренда годовых сумм осадков близко к летнему распределению. При этом количество экстремальных случаев не претерпело изменений (А.В. Кислов, 2006).

В целом можно говорить о слабо выраженном согласованном росте температуры и осадков в умеренных и средних широтах. Подобная связь типична и для крупных потеплений прошлого.

Мониторинг поведения горных ледников показывает, что практически повсеместным фактом является отрицательность их баланса массы – т.е. таяние преобладает над накоплением осадков. Этот факт может служить индикатором не только глобального потепления, но также отражать изменения радиационного режима (за счет влияния облачности) и уменьшение осадков. В отдельных регионах относительная важность рассмотренных эффектов может быть различна, однако главным является все-таки реакция ледников непосредственно на рост температуры. Попытка сопоставить между собой ледники, находящиеся в разных регионах и на разных высотах, исключая действие всех факторов, кроме температурных, показала, какое приращение глобальной температуры требу-ется для того, чтобы объяснить наблюдаемое в настоящее время отступание ледников. Оказалось, что для этого нужно потепление, идущее со скоростью примерно 0,66^оС/100 лет. Это значение очень хорошо согласуется с оценкой глобального тренда температуры, основанной на анализе данных непосредственных измерений температуры.

Важнейшим эффектом, характеризующим глобальные изменения, является рост уровня Мирового океана, составивший 10–25 см за последние 100 лет. Он создается, во-первых, за счет таяния горных ледников, обеспечивших прирост уровня на 2–5 см за 100 лет. Масса Гренландии и Антарктиды остается практически неизменной. Последнее обстоятельство можно объяснить тем, что потепление (приводящее к усилению потерь массы) сопровождается проникновением теплых масс воздуха, вместе с которым увеличиваются осадки. Вторым фактором выступает термическое расширение верхних слоев океана при росте температуры, ответственное за повышение уровня на 2–7 см за 100 лет.