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

1. Причины изменения климата: астрономические, геофизические, географические

Приближенные оценки изменений климата за более длительные промежутки времени получают из физических или биологических данных:

– Колонки льда, полученные при бурении ледников, позволяют установить состав воздуха захваченных в лед пузырьков. Важную информацию дают и другие свойства реликтового льда.

– Морские осадочные породы органического происхождения, например, кораллы, свидетельствуют о количественных, качественных и видовых изменениях со временем флоры и фауны океанов и морей, связанных с колебаниями климата.

– Морские осадочные породы неорганического происхождения (виды глин, пыль, занесенная с континентов) также служат для идентификации палеоклимата.

– Геоморфологические и геологические данные на суше (ледниковые отложения, характер выветривания пород, вид береговой линии, ветровые, озерные и пещерные отложения, древние почвы) дают много указаний для идентификации климата.

– Большую информацию о климате содержат остатки наземной растительности (годовые кольца деревьев, реликтовая пыльца и другие остатки растений, обилие и распределение насекомых и других организмов по территории, органический состав озерных отложений).

Изучение косвенных климатических данных показывает, что температура на Земле в прошлом была на 8–15°С выше, чем в настоящее время. За последний миллиард лет теплые периоды прерывались оледенениями примерно 925, 800, 680, 450, 330 и 2 млн лет назад.

Промежуток времени от 2 000 000 до 14 000 лет назад называется плейстоценовым оледенением или ледниковым периодом. В это время огромные ледники несколько раз докрывали Азию, Европу и Северную Америку. Эти ледники были нестатичны: они то отступали, то наступали. В самые холодные фазы ледникового периода температура на Земле была примерно на 4–5°С ниже, чем в настоящее время.

Последняя фаза отступления ледников еще продолжается. Она началась примерно 14 000 лет назад и называется эпохой голоцена. Чередование похолоданий и потеплений отмечается в течение всей этой эпохи. Примерно от 10 000 до 8 500 лет назад возникло похолодание, а затем опять началось потепление. Оно достигло своего максимума 5000–3000 лет назад. Тогда климат был на 1–2°С выше современного. Этот промежуток времени климатологи называют климатическим оптимумом.

От 3000 до 2000 лет назад опять было похолодание, которое сменило потепление от 2000 до 1500 лет назад, а затем снова похолодание, которое длилось от 1500 до 750 г. до н. э. От 750–150 г. до н.э. происходило потепление почти до уровня климатического оптимума.

Время существования Римской империи (150 г. до н.э. – 300 г. н.э.) характеризовалось похолоданием, которое длилось до 900 г. н.э. Период с 900 по 1200 г. н.э. называют малым климатическим оптимумом. Он сменился периодом сильных возмущений климата, который продолжался примерно до начала XVI в.

От 1550 до 1850 г. температура на Земле понизилась почти до значений, характерных для начала голоцена. Этот промежуток называют малым ледниковым периодом. Температура на Земле была примерно на 1°С ниже, чем в настоящее время.

Температура за период инструментальных наблюдений показана на рис. 104. Как косвенные, так и инструментальные наблюдения свидетельствуют, что в конце XX в. наблюдались самые высокие температуры за 1200 лет истории человечества.

Изменения климата могут происходить под влиянием внутренних и внешних факторов.

Внешние факторы:•

1. 
   изменения параметров орбиты Земли,
   
2. 
   изменения солнечного излучения,
   
3. 
   падение небесных тел на Землю.
   

1) изменение состава атмосферы,

2) изменение альбедо:

• 
  атмосферы,
  
• 
  подстилающей поверхности;
  

3. 
   изменение режима теплообмена с океаном,
   
4. 
   извержение вулканов,
   
5. 
   процессы горообразования,
   
6. 
   дрейф континентов.
   

Известны три циклических процесса, изменяющих параметры орбиты и приводящих к колебаниям значений солнечной постоянной.

Первый циклический процесс – это изменение формы орбиты от эллиптической к почти круговой с периодом около 100 000 лет; он называется колебанием эксцентриситета. Чем более эллиптична орбита, тем сильнее вариация солнечной энергии между моментами, когда Земля ближе всего к Солнцу или дальше всего от него. В настоящее время орбита Земли мало эллиптична и разность потока солнечной энергии около 7%. Во время наибольшей эллиптичности эта разность может достигать 20%. '

Второй циклический процесс – это колебание оси суточного вращения земного шара, называемое прецессией. Период этого колебания около 26 000 лет. В настоящее время Земля ближе к Солнцу в январе, чем в июне. Но вследствие прецессии через 13 000 лет она будет ближе к Солнцу в июне, чем в январе. Это приведет к росту сезонных колебаний температуры Северного полушария.

Третий циклический процесс – это изменение наклона земной оси к плоскости эклиптики, имеющее период около 41 000 лет. За это время наклон меняется от 22,5 до 24,5°. В настоящее время он составляет 23,5°. Чем меньше этот наклон, тем меньше различия между зимой и летом. Более теплые зимы бывают более снежными, а более холодные лета не дают всему снегу растаять. Снег накапливается на Земле, способствуя росту ледников. При росте наклона сезоны выражены более резко, зимы холоднее и снега меньше, а лето теплее и больше снега и льда тает. Это способствует отступлению ледников в полярные районы.

Наиболее резко колебания солнечного тепла выражаются тогда, когда все эти три циклических процесса совпадают по фазе. Тогда возможны великие оледенения или полное таяние ледников на Земле. Впервые теорию астрономических колебаний климата предложил югославский ученый М. Миланкович.

Изменения состава атмосферы наиболее сильно влияют на климат через парниковый эффект. Главнейший из парниковых газов - водяной пар. Его содержание в атмосфере устанавливается в процессе влагооборота и контролируется общей циркуляцией.

Важными парниковыми газами являются также двуокись углерода и метан. Они привлекают особое внимание климатологов, так как их содержание сильно зависит от деятельности человека.

Например, за счет роста объемов сжигаемого топлива концентрация двуокиси углерода в атмосфере возросла за 150 лет примерно на 30%. Рост концентрации парниковых газов ведет к росту температуры воздуха у поверхности Земли при падении температуры в верхней тропосфере. При этом, кроме общего потепления и таяния ледников, возможно усиление неустойчивости атмосферной циркуляции и рост количества опасных явлений.

Заметными факторами изменения климата являются те, которые изменяют количество поступающей на поверхность солнечной радиации. Например, извержения вулканов. При них возникает помутнение атмосферы двух видов.

Во-первых, пепел и пыль уменьшают прозрачность нижних слоев атмосферы и в течение нескольких месяцев после извержения ослабляют суммарную радиацию в регионе.

Во-вторых, во время мощных извержений в стратосферу попадает значительное количество двуокиси серы. Этот газ вступает в реакцию с водяным паром, и в стратосфере образуется мутная пелена, сильно отражающая солнечные лучи. Она постепенно распространяется на весь земной шар и уменьшает поток солнечной радиации примерно на 1–3 года.

Физические процессы, происходящие на Солнце, приводят к образованию на его поверхности областей с температурой, пониженной по сравнению с остальной поверхностью на 6°С. Эти области называются солнечными пятнами, и когда их особенно много, возникает уменьшение инсоляции примерно на 0,1%. Такое уменьшение в течение нескольких лет может иметь заметные климатические последствия. Поэтому процессы пятнообразования, которые называют солнечной активностью, привлекают большое внимание метеорологов.

Проявление влияния на климат изменений теплообмена между атмосферой и океаном в настоящее время связывают с явлением Эль-Ниньо (рисунок 12). Оно ярко выражается в том, что в конце декабря на поверхности океана у побережья Эквадора и Перу вместо холодного течения иногда появляется сравнительно тонкий слой теплой воды. Промежутки, которыми разделены случаи появления Эль-Ниньо, нерегулярны – от одного до девяти лет.

Рисунок 12 – Область распространения Эль-Ниньо в Тихом океане (http://www.newsru.com/world/25aug2010/ppl.html)

Возникновение этого явления связано с процессом взаимодействия атмосферы и Тихого океана, который называется Южным колебанием. Этот процесс упрощенно можно представить в виде двух фаз, которые в виде схемы изображены на рисунке 13.

В годы Эль-Ниньо (рис. 13 б) атмосферное давление понижено вдоль побережья Южной Америки и в прилегающих к ней районах Тихого океана. Тогда в западной части Тихого океана возникает слабое повышение давления (именно эту смену знака отклонения давления от нормы и назвал Южным колебанием открывший его английский метеоролог Г. Уокер). В этом случае восточные пассаты ослабевают, а с ними ослабевает и экваториальный перенос вод к западу. Поэтому у побережья Перу накапливается теплая вода на поверхности океана.

Развитие Эль-Ниньо приносит засуху на западное побережье Тихого океана, дожди в экваториальную часть Южной Америки и другие уже отмеченные климатические изменения. После окончания Эль-Ниньо климатическая система обычно возвращается к нормальной фазе, но в некоторые годы происходит более сильный рост давления над побережьем Перу. Это приводит к аномально сильным пассатам и аномально большому выходу на поверхность у побережья Перу холодных глубинных вод. Тогда эти воды распространяются на запад вместе с экваториальным течением в центральную и западную части Тихого океана.

Эти случаи называются Ла-Нинья. Они сопровождаются развитием ураганов в Атлантическом океане, а также засушливым летом в Центральной Америке, аномально сильными муссонными дождями в Индии и юго-восточной Азии, прохладными и влажными зимами в юго-восточной Африке и восточной Австралии, холодными зимами в западной части Северной Америки и очень влажными зимами в восточной части Северной Америки.