Предполагаемые причины и факторы климатических изменений. Циклические колебания климата

1.2 Предполагаемые причины и факторы климатических изменений. Циклические колебания климата

Известно, что естественные колебания глобального климата определяются изменениями в приходе солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы в результате колебания солнечной постоянной, колебания радиации из-за изменений астрономических параметров земной орбиты или из-за ослабления радиации стратосферным аэрозолем после крупных вулканических извержений взрывного типа. Одна из концепций, утверждающая зависимость современных климатических изменений от вулканической активности, была предложена Гемфрисом (1913, 1929 и др.).

Уже в работах Гемфриса было установлено, что среднее количество прямой солнечной радиации, приходящей к земной поверхности в безоблачных условиях, в различные годы может заметно изменяться. Эти изменения хорошо видны на кривых векового хода прямой радиации, построенных по материалам наблюдений на ряде актинометрических станций. Такие кривые показывают, что прямая радиация, заметно изменяясь от года к году, в среднем изменяется также и за более длительные периоды времени, порядка десятилетий. Представляет значительный интерес сопоставление векового хода температуры в северном полушарии с вековым ходом радиации, приходящей к земной поверхности. Для этой цели был обработан материал актинометрических наблюдений за 1880— 1965 гг. для группы станций Европы и Америки с наиболее длительными рядами наблюдений, расположенных в зоне 40—60° с. ш., и построена средняя для этих станций кривая векового хода прямой радиации при безоблачном небе (Будыко, Пивоварова, 1967; Пивоварова, 1968). На рис. 1.2.1 представлены сглаженные по 10-летнему скользящему периоду значения солнечной радиации для рассматриваемого интервала времени (кривая б). Как видно, солнечная радиация имела два максимума: один, кратковременный, в конце XIX в. и второй, более длительный, с наибольшими значениями радиации в 30-х годах XX в. Можно высказать два предположения о причинах изменений прямой радиации при безоблачном небе. Первое из них — связь этих изменений с колебаниями астрономической солнечной постоянной (светимости Солнца), второе — с колебаниями так называемой метеорологической солнечной постоянной, т. е. количества радиации, поступающей на верхнюю границу тропосферы, которое может изменяться при постоянной светимости Солнца из-за нестабильности прозрачности стратосферы. Первая гипотеза была предложена в нескольких работах, примером которых является исследование Босоласко и его соавторов (1964).

Рис. 1.1.2. Вековой ход аномалий температуры (а) и прямой радиации (б)

В этой работе из данных наблюдений на трех актинометрических станциях был сделан вывод, что солнечная постоянная растет при повышении солнечной активности (характеризуемой числами Вольфа) до некоторого предела, после чего при дальнейшем увеличении солнечной активности солнечная постоянная уменьшается.

Для выяснения механизма современных изменений климата сравним кривую б на рис. 1.2.1 со сглаженной по скользящему 10-летнему периоду кривой векового хода температуры (кривая а). Очевидно, что между этими кривыми имеется определенное сходство. Так, на обеих кривых имеется два максимума, из которых один относится к концу XIX в., а второй (главный) — к 30-м годам XX в. Можно предположить, что это естественное потепление климата, связанное с увеличением прозрачности нижних слоев атмосферы в результате длительного отсутствия вулканических извержений взрывного типа. Обычно этот процесс сильнее всего проявляется в высоких широтах в летнее время, когда вступает в действие механизм обратной связи со льдами.

Вместе с тем, между этими кривыми имеются некоторые различия; в частности, первый максимум более заметен в вековом ходе радиации по сравнению с вековым ходом температуры. Сходство кривых а и б позволяет предположить, что изменения радиации, обусловленные нестабильностью прозрачности атмосферы, являются существенным фактором изменений климата. Для выяснения этого вопроса следует выполнить количественный расчет изменений температуры в результате изменений атмосферной прозрачности для коротковолновой радиации.

В упомянутых исследованиях Гемфриса было установлено, что наибольшее влияние на планетарные колебания прозрачности атмосферы оказывают сравнительно небольшие частицы аэрозоля, которые длительное время задерживаются в нижних слоях стратосферы.

Гемфрис и Векслер предполагали, что наиболее мелкие частицы могут оставаться в атмосфере на протяжении нескольких лет. Эти частицы мало влияют на длинноволновое излучение, но заметно усиливают рассеяние коротковолновой радиации, в результате чего увеличивается планетарное альбедо Земли и уменьшается величина радиации, поглощенной Землей как планетой.

Оценивая влияние изменения количества прямой радиации на среднюю температуру у поверхности Земли, следует принять во внимание зависимость средней температуры от приходящей солнечной радиации. Расчеты показывают, что при изменении приходящей радиации на 1 % средняя температура у поверхности Земли при постоянном альбедо системы Земля — атмосфера изменяется на 1,1—1,5⁰C.

С.И. Савинов (1913), Кимбалл (1918), H.H. Kaлитин (1920) и другие авторы установили, что после сильных вулканических извержений взрывного характера происходят резкие уменьшения солнечной радиации. В таких случаях средняя для больших территорий величина прямой радиации в течение нескольких месяцев или лет может быть понижена на 10—20%. Пример такого изменения радиации представлен на рис. 2.2.1, где изображено изменение отношения средних месячных значений прямой радиации при безоблачном небе к их нормам после извержения вулкана Катмай на Аляске в 1912 году.

Эта кривая, построенная по данным наблюдений на нескольких актинометрических станциях в Европе и Америке, показывает, что в отдельные месяцы атмосферный аэрозоль уменьшил прямую радиацию более чем на 20 %.

Рис. 2.1.2. Изменение прямой радиации после вулканического извержения.

В некоторых районах уменьшение прямой радиации было еще более значительным. Так, например, в Павловске (район Петербурга), расположенном на громадном расстоянии от Аляски, солнечная радиация в течение полугодия была на 35 % ниже нормы. Аналогичные изменения радиации имели место после извержения вулкана Кракатау (Индонезия) в 1883 г. В обоих случаях после извержения вулканов на огромных территориях наблюдались аномальные оптические явления в атмосфере, что подтверждало планетарный характер изменений радиационного режима в результате распространения стратосферного аэрозоля.

После крупных извержений в течение нескольких лет существенно снижается температура воздуха в теплое время года, причем в северном полушарии это снижение достигает максимума в северной части средних широт. В холодные сезоны изменения температуры после извержения имеют более сложный характер; она обычно понижается в полярной зоне и часто повышается в средних широтах. В результате этого средняя годовая температура понижается значительно сильнее в высоких широтах по сравнению со средними широтами. Так, за последние 20 лет произошло два крупных вулканических извержения такого типа (Эль-Чичон в 1982 г. и Пинатубо в 1991 году), последствием которых было заметное уменьшение средней глобальной температуры в течение 2 – 3 лет. В конце июня 1997 г. было зафиксировано еще одно значительное извержение (вулкан Попокатепетль), влияние которого на климат пока еще не совсем ясно, так как извержение этого типа отличается от извержений вулканов Эль-Чичон и Пинатубо.

Таким образом, вулканическая деятельность оказывает определенное влияние на климат, а именно способствует снижению температуры за счет накопления продуктов вулканической деятельности (в частности, аэрозолей) в стратосфере, что в свою очередь приводит к уменьшению поступления количества солнечной радиации к поверхности Земли. Наиболее яркий пример – это снижение среднегодовой температуры в 60-е годы, которое, скорее всего, было вызвано серией извержений: Агунг (1963), Суртсей (1964), Таал (1965), Таал и Аву (1966), Фернандина (1968). Однако, извержения вулканов наблюдались и в годы относительного увеличения температуры: Фуэго (1974), Суфриер (1979), Сент-Хеленс (1980), Алаид (1981). Возможно, что в данный период факторы, способствующие повышению температуры, оказались более значимыми и сгладили влияние продуктов вулканической деятельности на климат.

Анализ хода метеорологических элементов (осадков, давления, температуры и пр.) по современным данным указывает на существование прямой связи между ходом солнечной активности и частотой и интенсивностью смены воздушных масс над данной произвольно выбранной территорией. С усилением солнечной активности возрастает частота и интенсивность смены воздушных масс, а с ослаблением солнечной активности она падает. В соответствии с этим и основные переносы претерпевают усиление или ослабление.

Как правило, проявления солнечной активности связывают с появлением солнечных циклов с периодами 11, 22, 33 и 88 – 90 лет в климатических вариациях метеовеличин [12]. Проявление 11-летнего цикла солнечной активности (цикл Швабе – Вольфа) представляет собой колебания числа солнечных пятен. Данная периодичность не столь выражена, как 22-летний цикл Хэйла, обнаруженный в климатических записях во многих регионах земного шара. Этот цикл связан с переполюсовкой магнитного поля на Солнце. Для объяснения существующих неопределенностей в климатическом отклике на солнечное воздействие (пространственные неоднородности, слабость внешнего сигнала) в ряде работ разработан механизм возникновения в атмосфере энергоактивных областей (систем), связанных с зонами развития неустойчивости, усиливающими атмосферный эффект солнечно-обусловленного сигнала из-за внутренних свойств самой системы. Свойство усиливать внешний сигнал характерно для нелинейных динамических систем. В частности, одной из таких областей по мнению [12] является зона Северной Атлантики.

33-летний цикл был выявлен Э. Брюкнером. Он соответствует трем 11-летним циклам и выражает многолетние колебания климата от холодных и влажных лет к теплым и сухим на протяжении от 20 до 50 лет. В отдельных случаях продолжительность цикла Брюкнера может меняться.

Периодичность около 88 – 90 лет (цикл Глейсберга) проявляется в климатических характеристиках очень редко.

Определенное влияние на изменение глобальной температуры может оказывать тропосферный аэрозоль, причем влияние его на температуру имеет обратный знак по сравнению с ростом концентрации парниковых газов. В настоящее время не существует единого мнения о роли тропосферного аэрозоля в современном изменении климата. Ряд исследователей считают, что эти два процесса, действующие в противоположных направлениях, оказывают равнозначное влияние на температуру воздуха. Однако существует и другое мнение о том, что роль тропосферного аэрозоля значительно меньше по сравнению с влиянием антропогенной деятельности в результате выбросов парниковых газов в атмосферу.

Существует и ряд других факторов, вызывающих естественные колебания климата, среди которых особое внимание уделяется автоколебаниям климатической системы, включающих такие явления, как Эль-Ниньо – южное колебание. Эти естественные изменения климата продолжительностью от 3 до 7 лет оказывают наибольшее влияние на изменение локальных температур поверхности воды и воздуха в тропических районах Тихого океана.

Среди причин антропогенного изменения климата можно назвать:

- увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере. По данным наблюдений объемная концентрация CO₂ в атмосфере повысилась с 315 млн ^-1 в 1958 году до 343 млн ^-1 в 1984 г. Исходя из расчетов Будыко М. И. [2] можно заключить, что в середине XIX века эта концентрация составляла около 280 млн ^-1. Таким образом, к середине 80-х годов прошлого века количество углекислого газа возросло на 20 – 25%. Весьма вероятно, что удвоение количества CO₂будет иметь место во второй половине XXI века. Есть основания считать, что увеличение количества CO₂, достигнутое в современную эпоху, уже оказывает существенное влияние на глобальный климат и на биосферу в целом. Так, существуют неоспоримые доказательства прямого влияния увеличения концентрации CO₂ на физиологические процессы в растениях (см. пункт 1.3).

- увеличение содержания малых примесей в атмосфере. Хозяйственная деятельность человека приводит к росту концентрации не только углекислого газа, но и ряда других газов, которые также усиливают парниковый эффект и способствуют повышению температуры нижних слоев воздуха: метан (CH₄), окислы азота, озон и др.

Содержание метана в атмосфере, куда он поступает из болот, глубоких трещин в земной коре и некоторых других источников невелико (примерно 1 – 2 млн ^-1). В современную эпоху количество атмосферного метана быстро возрастает как в результате развития сельскохозяйственного производства (особенно расширения обильно орошаемых рисовых полей), так и в результате роста добычи природного газа.

Из окислов азота главное значение имеют N₂O и NO₂, концентрация которых составляет около 0,3 млн ^-1. Значительное количество окислов азота поступает в атмосферу при производстве минеральных удобрений и в результате некоторых других видов хозяйственной деятельности.

Есть основания считать, что хозяйственная деятельность оказывает влияние на рост озона (О₃) в тропосфере. Увеличение массы тропического озона также должно усилить парниковый эффект в атмосфере.

В современном воздухе имеются также малые примеси, поступившие туда только из антропогенных источников – хлорфторуглеводороды (фреоны).

- рост производства энергии, который приводит к дополнительному нагреванию атмосферного воздуха. Имеются оценки количества тепла, которое выделяется в результате хозяйственной деятельности человека. В целом для Земли это количество на единицу поверхности невелико и составляет около 0,01 Вт/м². Для наиболее развитых промышленных районов указанная величина на два порядка больше и достигает 2 – 3 Вт/м². На территориях больших городов эта величина возрастает еще на один – два порядка, т. е. до десятков и сотен Вт/м².

При изменении притока энергии, получаемой Землей от Солнца на 1% средняя температура у ее поверхности изменяется на 1,5⁰С. Если считать, что производство тепла в результате деятельности человека составляет около 0,006% от общего количества радиации, поглощенной системой Земля – атмосфера, то соответствующее этому повышение средней температуры будет равно примерно 0,01⁰С. Эта величина сравнительно незначительна, однако при резкой неравномерности размещения на поверхности Земли источников тепла, созданных человеком, в отдельных районах повышение температуры может быть значительно большим.

- другие факторы. К их числу можно отнести: увеличение массы антропогенного аэрозоля в атмосфере, орошение засушливых районов (понижение альбедо примерно на 0,10 [2]), строительство водохранилищ (понижение альбедо).

Похожие работы

Оценка ресурсов религиозного туризма Калужской области

Скачать

122623

3

3

... даже фотографией. Была в обители и своя типография, где печаталась духовная и образовательная литература. Глава 3. Оценка перспектив развития и потенциала религиозного туризма в Калужской области   3.1 Разработка критериев оценки туристических ресурсов района Для современной рыночной экономики России все более актуальным становится вопрос оптимизации развития региональной экономики, ...

Россия в мировой экономике

Скачать

458839

60

1

... при крайне отсталой про­изводственной базе легкой и пищевой промышленностей, гражданского машиностроения и сельского хозяйства. Каждая из этих проблем по своему осложняет интеграцию России в мировую экономику. Перестройка хозяйственного механизма закономерно сопровождается всплеском инфляции, нехваткой финансовых ресурсов, резким сужением платежеспособности населения многих предприятий. В итоге — ...

Развитие систем земледелия

Скачать

122687

24

0

... ­щихся новых альтернативных систем земледелия. Глубокие изменения в общественно-политической сфере, в со­циально-экономической жизни России определили необходимость совершенствования и развития систем земледелия. Это связано с многоукладностью сельскохозяйственного производства в условиях перехода к рыночной экономике, обострением экологических про­блем на фоне большого количества землевладельцев ...