Nadia Yar (nadiayar) wrote,
Nadia Yar
nadiayar

Category:

Глобальное потепление

Автор этой статьи — русско-американский учёный Михаил Каплан. Оригинал написан на английском и, насколько я знаю, не доступен в сети; перевод мой. По сути это ликбез, распространение приветствуется.

Глобальное потепление
Михаил Каплан


Тема глобального потепления очень сложна, имеет много измерений и, строго говоря, по настоящему доступна только узким специалистам. Я, конечно, не специалист. Моя статья — пересказ многих статей из серьёзных источников, не имеющих никакого отношения к политике и интересантам. Мой вклад ограничен логичным компилированием, задаванием вопросов, поиском и заполнением ”дыр”. Я уверен, что основные идеи представлены правильно. Читатель, однако, должен понимать, что в таком сложном и изобилующем деталями вопросе результаты моделирований и экспериментов могут несколько отличаться. В процессе моего ознакомления с этим вопросом я сталкивался с небольшими вариациями некоторых цифр. Но, как я упомянул ранее, такие “отклонения“ в итоге сводятся к не более чем, скажем, “четыре вместо пяти щепоток соли” в рецете супа. Суп приготовлен правильно. Он питательный, тёплый и будет съеден.


1. Что такое глобальное потепление?

Глобальное потепление - это не изменение климата или погодных условий в определенных районах Земли, а устойчивое изменение СРЕДНЕЙ температуры поверхности Земли, которая в настоящее время составляет около + 16 ° C (+ 61F).

Дабы рассмотреть вопрос в перспективе, вот самые значительные последние средние изменения температуры Земли:
- 70 000 лет назад Земля начала испытывать непрерывное медленное похолодание в целом на несколько градусов, в результате чего ледники достигли максимальной протяженности около 21 000 лет назад. В то время ледники охватывали Великие озера, Британские острова и большую часть Европы.
- С 21 000 лет назад до 16 000 лет средняя температура Земли была стабильной, но с 16 000 до 10 000 назад она испытала потепление на 5°C (9F) и достигла нынешних уровней около 10 000 лет назад.

Напоминаем, мы говорим о СРЕДНЕЙ температуре поверхности Земли. Это означает, что во время периода потепления частичное охлаждение может иметь (и фактически имело) место в определенных областях, например, из-за изменения океанских течений и т. п.


2. Почему это нас волнует и мы говорим о глобальном потеплении?

За последние 100 лет были зафиксированы два взаимосвязанных изменения:
- Средняя температура Земли повысилась примерно на 1.2° C (2.1F). В то время как повышение температуры само по себе неожиданно, оно не экстраординарно (колебания в пределах нескольких градусов имели место и раньше, в отдаленном прошлом). Необычен тот факт, что темпы роста температуры в 12 раз быстрее, чем в любое время в течение последних миллионов лет. Это означает, что серьезные неблагоприятные последствия (см. ниже) могут наступить быстрее, чем человечество станет способно смягчить их.
- Количество двуокиси углерода в атмосфере увеличилось на 30% (увеличилось с 0,03% до 0,04%).

Практически все компетентные ученые согласны с тем, что причиной этих изменений является деятельность человека, в основном сжигание ископаемого топлива.


3. В чем проблема? Цифры кажутся маленькими.

Это огромная проблема из-за ожидаемых, потенциально катастрофических последствий:
- Мы знаем, что в прошлом рост средней температуры поверхности Земли всего на 5° C (9F) вызывал повышение уровня океана примерно на 125 метров (410 футов) и исчезновение 10% суши (6 000 000 кв. миль). Это произошло целых 10 раз за последний миллион лет (последний раз около 12 000 лет назад). Поскольку нынешний уровень океана уже довольно высок, а объёмы ледникового льда ниже, аналогичный рост температуры теперь приведет к меньшему повышению уровня океана, около 68 метров (223 фута) и исчезновению 5% суши (3 000 000 кв. миль). Большинство крупных городов, которых в те времена не было, окажутся глубоко под водой.

- Текущее количество двуокиси углерода в атмосфере составляет 0,04%. Люди не приспособлены к воздуху, содержащему более 0,10% - 0,12% углекислого газа, им становится плохо уже при концентрациях в 0,08% - 0,09%. Углекислый газ также является основным фактором упомянутого выше потепления Земли.


4. Двуокись углерода составляет всего 0,04% атмосферы. Почему она так важна с точки зрения потепления?

В нашу геологическую эпоху, когда непрерывная фаза вулканической и тектонической активности прекратилась, между энергией, полученной Землей от Солнца, и энергией, излучаемой Землей, настало устойчивое равновесие. Это равновесие привело к довольно стабильной средней температуре поверхности Земли.

Наука говорит нам, что теоретически любой объект излучает электромагнитные волны во всем спектре частот (от радиоволн с низкой частотой / длинной волной до микроволн, до инфракрасных лучей, до видимого света, до ультрафиолета, до рентгеновских лучей и до гамма-лучей самых высоких частот / кратчайшей длины волны). Максимальное излучение объекта происходит на определенном интервале частот, в зависимости от температуры объекта. Излучение на других частотах может быть пренебрежимо малым или несуществующим. Объектом может быть что угодно, например, человеческое тело или лампа накаливания, которая, ясное дело, излучает в видимом диапазоне освещенности, а также в инфракрасном диапазоне (она нагревает своё стекло сквозь вакуум).

Максимальное излучение Солнца, температура поверхности которого составляет приблизительно 5500 ° C (9940 ° F), лежит в диапазоне видимого света спектра (длина электромагнитной волны около 0,5 микрон). На этой длине волны атмосфера из-за её газового состава практически прозрачна. В этих условиях бОльшая часть солнечного излучения достигает Земли и поглощается ею, что вызывает нагрев поверхности Земли.

Земля, в свою очередь, отдаёт тепло, излучая таким же образом, но, поскольку средняя температура Земли составляет около + 16 ° C (+ 61F), ее максимальный диапазон излучения смещается в инфракрасную часть спектра (длина волны около 15 микрон). На этой частоте излучения газы земной атмосферы поглощают достаточно большую часть излучения Земли. Расчеты показывают, что без такого поглощения средняя температура Земли была бы около -18 ° C (-64F), намного холоднее.

Различные газы в атмосфере играют очень разные роли в поглощении излучения Земли из-за его особенного частотного диапазона. Три основных атмосферных газа [азот (78%), кислород (21%) и аргон (1%)] и многие другие газы с очень малыми концентрациями, такие как неон, гелий, метан, криптон, водород, оксид азота, ксенон, озон, йод, окись углерода и аммиак, практически не поглощают излучение Земли вообще или поглощают его очень мало.

Единственные газы, способные поглощать заметные количества преимущественно инфракрасного излучения Земли — водяной пар (от 1% до 4% только на небольших высотах), двуокись углерода (0,04%), метан (0,00018%) и фреон (ничтожное количество). Поскольку последние два газа имеют крайне низкую концентрацию в атмосфере, их текущий вклад в глобальное потепление минимален. Водяной пар и двуокись углерода, безусловно, вносят основной вклад. Но, как будет видно из нижеследующего текста, концентрации метана и фреона в последнее время быстро растут. Некоторые учёные считают их возможными будущими ускорителями парникового эффекта.

Количество водяного пара в атмосфере оказывает огромное влияние на поглощение тепла. Оно не зависит от человеческой деятельности. Оно быстро растет с ростом температуры, но в среднем остается стабильным и, следовательно, на данный момент мало влияет на изменения средней температуры Земли и не инициирует их, но может играть важную «вспомогательную роль».

Количество двуокиси углерода в атмосфере в последние 100 лет быстро увеличивалось и в общем выросло примерно на 30%. Большинство исследователей считают, что этот рост является антропогенным (из-за человеческой активности). Текущие ежегодные выбросы углекислого газа составляют около 10 триллионов тонн. Около половины этого количества растворяется в океанах, но остальное накапливается в атмосфере, поскольку его молекулы сохраняются там в течение сотен лет. Концентрации двуокиси углерода в океане и атмосфере (соотношение примерно 50: 1) находятся в сложном динамическом равновесии. Повышение температуры воды приводит к выделению двуокиси углерода в атмосферу. Как уже сказано, за последние 100 лет количество двуокиси углерода в атмосфере увеличилось с 0,03% до 0,04%.


5. Почему нам нужно поспешить с дорогостоящими решениями? Разве у нас нет ещё кучи времени, чтобы отреагировать?

На самом деле, нет. Количества водяного пара и двуокиси углерода в атмосфере подвержены положительной обратной связи. Повышение температуры увеличивает испарение, то есть количество водяного пара в атмосфере. Аналогичным образом, повышение температуры изменяет баланс концентрации углекислого газа между атмосферой и океаном, тем самым увеличивая количество двуокиси углерода в атмосфере. Оба изменения, в свою очередь, повышают температуру Земли. Ученые считают, что, если не будут приняты активные меры по ограничению выбросов углекислого газа, мы опоздаем на этот поезд.


6. Рассмотрим проблему в перспективе. Какова общая картина факторов, влияющих на средние температуры Земли?

Фактор А - вулканическая, геотермальная и тектоническая активность. Эффект - был очень важен для изменений много лет назад, но в настоящее время локален и незначителен.

Извержения вулканов с выбросом темных частиц могут вызывать частичное блокирование солнечного излучения в относительно небольших областях и незначительное снижение средней температуры Земли. Недавняя история вулканических извержений указывает на их относительно незначительное влияние на глобальную температуру. Однако мы знаем, что в далеком прошлом массивные извержения, движения тектонических плит с образованием гор и дрейф континентов сильно влияли на средние температуры Земли. В результате средние температуры Земли бывали и выше, и ниже, чем сейчас — в основном выше, из-за вулканической, геотермальной и тектонической активности.

Фактор В - выпуск «парниковых» газов, в основном углекислого газа, в атмосферу. Эффект - быстрый и мощный.

Этот эффект в основном рассмотрен выше. Я бы добавил только, что с середины 20-го века мощные компьютеры позволяют некоторым ученым строить сложные модели поглощения тепла атмосферными слоями и их различной отражаемости и получать представление о многих других сложных процессах, связанных с изменениями температуры Земли. Один из выводов заключался в том, что удвоение объёма углекислого газа в атмосфере увеличит среднюю температуру поверхности Земли примерно на 3,6 ° С (5,8 ° F). Еще один интересный вывод заключался в том, что образование областей, покрытых толстым льдом, и соответствующее снижение уровня воды было бы невозможно только из-за пониженной температуры без уменьшения двуокиси углерода в атмосфере.

Также уместно упомянуть, что, хотя количество двуокиси углерода в атмосфере за последние 100 лет увеличилось примерно на 30%, объём метана за то же время вырос намного больше — на примерно 130%. Поскольку метан способен поглощать тепло в инфракрасном диапазоне, он может быть важным парниковым газом. В настоящее время о метане дискуссия не идет по двум причинам: во-первых, его концентрация в атмосфере небольшая, всего 0,00018%, а во-вторых, у нас нет достоверной информации обо всех связанных с метаном процессах на Земле. А их много. Метан образуется естественным образом в процессе разложения органики различными анаэробными микроорганизмами, преимущественно в водно-болотных угодьях и океанах, а также некоторыми насекомыми, особенно термитами. Метан, кроме того, поглощается почвой, где он окисляется в процессе потребления рядом почвенных бактерий. К наибольшему объему выбросов метана приводит деятельность человечества, как-то: выращивание риса, животноводство и производство энергии, обработка отходов и т. д. Хорошая новость в том, что продолжительность жизни молекул метана на порядок ниже, чем у молекул углекислого газа. Они в огромном количестве изымаются из атмосферы благодаря химической реакции с ионами ОН. Плохая новость заключается в том, что наличествует положительная обратная связь между ростом объема метана в атмосфере и повышением температуры, из-за таяния больших площадей вечной мерзлоты, которые содержат огромное количество метана. Выброс метана из вечной мерзлоты неуклонно возрастает. Еще одна плохая новость заключается в том, что оба естественных процесса удаления метана (реакция с ионами в атмосфере и бактериальное окисление) создают дополнительный углекислый газ. В целом нынешняя роль метана в глобальном потеплении, по-видимому, невелика, но в будущем она может стать значительной.

Примечание. Двуокись углерода, подобно метану, имеет ряд сложных взаимосвязей с земной биосферой, почвой и океаном. Их обсуждение дало бы здесь дополнительную информацию, но не изменило бы выводы и, следовательно, сокращено ради краткости.

Фактор С - Периодические циклы солнечной активности. Эффект - относительно быстрый и незначительный.

Периодические циклы солнечной активности (период около 11 лет) проявляются в появлении темных пятен на Солнце, что приводит к незначительному росту солнечной энергии на единицу земной поверхности. Рост излучения в связи с появлением темных пятен кажется противоречием. Он объясняется природой феномена солнечных пятен. Солнечные пятна являются областями мощной концентрации магнитного поля, что препятствует конвекции солнечной плазмы и снижает как температуру, так и излучающую способность пятна. Однако солнечные пятна генерируют мощные горячие и яркие побочные эффекты, такие как корональные петли и протуберанцы, которые приводят к общему росту излучения. Периодические циклы солнечной активности оказывают лишь незначительный и временный эффект повышения средней температуры Земли.

Фактор D - Постоянное сокращение площади лесов и других зеленых зон по всему миру. Эффект - быстрый, ускоряющийся, но ещё незначительный.

Постоянное сокращение общей площади лесов и других зеленых зон, которые обычно удаляют двуокись углерода из атмосферы, очевидно вызывает рост объемов этого газа в атмосфере.

Фактор E - Периодические изменения эллиптической орбиты Земли вокруг Солнца. Эффект - мощный, но очень медленный.

Периодические изменения эллиптической орбиты Земли вокруг Солнца, так называемые циклы Миланковича, происходят с периодом около 100 000 лет. Во время таких циклов эллиптичность колеблется от 0 до 5%. Эти изменения обусловлены вариациями гравитационных тяг Солнца, Луны и планет. Периодические изменения эллиптической орбиты Земли вокруг Солнца приводят к изменениям среднего расстояния до Солнца и, следовательно, количества излучения, достигающего Земли, с соответствующими периодическими изменениями средней температуры поверхности Земли. Значимость таких колебаний температуры составляет около 4 градусов по Цельсию (7.2F). Периоды обозримой (последний 1 000 000 лет) истории, связанные с температурными минимумами этих колебаний, называются периодами оледенения или ледниковыми периодами.

Несмотря на научные данные о периодических колебаниях средней земной температуры в пределах указанной величины, многие ученые считают, что фактическое влияние самих колебаний эллиптичности орбиты не так велико и что оно усиливается благодаря активизации (вследствие этих колебаний) роста объёмов двуокиси углерода, что тесно связано с изменениями температуры.

Фактор F - Колебания степени осевого наклона Земли. Эффект - незначительный и очень медленный.
Колебания степени осевого наклона Земли с 21,5 до 24,5 градусов происходят регулярно с периодичностью в 41 000 лет.

Фактор G - колебание Земли по ее оси. Эффект - незначительный и очень медленный.
Колебание Земли на оси называется прецессией. Прецессия сводится к отклонению оси на 24,5 градуса от ее стандартного положения. Прецессии происходят регулярно с периодичностью в 23 000 лет.

Эти последние два фактора могут оказать значительное влияние на погоду в определенных областях Земли, но их влияние на среднюю температуру Земли незначительно.


7. Откуда мы знаем температурную истории Земли?

Мы знаем довольно много об истории температуры Земли благодаря следующим методам прямого исследования:
a) Отношение O18 к O16 (изотопы кислорода) в древних образцах льда и ископаемых (например, оболочки мертвых моллюсков в слоях океанского дна).
b) Прямые измерения за последние 100 лет.


8. Каковы инструменты и средства изучения других факторов, связанных с глобальным потеплением?

Из прочитанных материалов ясно, что существуют обширные программы полётов с различными измерениями, которые регулярно проводятся многими странами. Например, одно устройство на основе спектроскопии при полёте над лесом может не только определить его среднюю сухость, но и точно отобразить скопления деревьев, которые являются самыми здоровыми (и, следовательно, поглощают наибольшее количество двуокиси углерода). Другая удивительная способность этого метода / устройства заключается в том, что благодаря своей точности и способности к вычислению оно может идентифицировать конкретные химические компоненты леса и, следовательно, породы деревьев.

В США существует не менее 10 различных спутников, непрерывно наблюдающих за солнцем, землёй, океаном и атмосферой. Некоторые из них проводят измерения температуры и углекислого газа, другие фиксируют уровни озона, солнечное излучение и землепользование. Некоторые замеряют изменения уровня моря и влажность почвы. Оказалось, что подробные измерения гравитационных полей (спутниками) дают точную картину изменений уровня грунтовых вод и льда. Есть несколько лазерных приборов, измеряющих глубину и свойства снега.

Собранные данные вводятся в компьютерные модели, которые составляют общую картину. Наше текущее знание предмета довольно существенно, неоднократно подтверждено и достаточно надежно.


(с) Михаил Каплан, 2018.
Перевод на русский (с) Nadia Yar.

Прим. переводчика: На самом деле метан чуть ли не самое важное и самое страшное: Гипотеза о метангидратном ружье
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment