Глобальное потепление или глобальное похолодание?

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. 1.6.

Гольфстрим представляет 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.

Рис.1.6. Схема течения Гольфстрима

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. В многочисленных работах US CLIVAR (Climatic Variability and Predictability/Климатическая изменчивость и предсказуемость), показано влияние САК на основные гидрометеорологические поля в атлантико-европейском регионе.

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.

Ветровые поверхностные течения, такие как Гольфстрим, перемещают воды из экваториальной части Атлантического океана к северу. Эти воды попутно охлаждаются и, в итоге, за счёт увеличившейся плотности, погружаются ко дну (формируя Североатлантическую глубинную водную массу). Плотные воды на глубинах перемещаются в сторону, противоположную направлению движения ветровых течений. Хотя бо́льшая их часть поднимается обратно к поверхности в районе Южного океана, самые “старые” из них (с транзитным временем около 1600 лет) поднимаются в северной части Тихого океана. Таким образом, между океанскими бассейнами существует постоянное перемешивание, которое уменьшает разницу между ними и объединяет океаны Земли в глобальную систему. Во время движения водные массы постоянно перемещают как энергию (в форме тепла), так и вещество (частицы, растворённые вещества и газы), поэтому термохалинная циркуляция существенно влияет на климат Земли.

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. 1.7.

Рис. 1.7. 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

Двуокись углерода (углекислый газ) (СО2). Источниками углекислого газа в атмосфере Земли являются вулканические выбросы, жизнедеятельность биосферы, деятельность человека. Примерно 65% антропогенных выбросов углекислого газа в атмосферу связано со сжиганием ископаемого топлива (нефти, газа, угля и др.) и 35%– с уменьшением его поглощения, вызванного освоением новых земель и массовой вырубкой лесов. При этом примерно 45% от общего количества выбросов углекислого газа остаётся в атмосфере, 30%– поглощается океаном, а остальная часть усваивается биосферой.

Некоторые промышленные процессы приводят к значительному выделению углекислоты (например, производство цемента). Основными потребителями углекислого газа являются растения, однако, в состоянии равновесия, большинство биоценозов за счет гниения биомассы производит приблизительно столько же углекислого газа, сколько и поглощает. Углекислый газ является "долго живущим" в атмосфере. Круговорот диоксида углерода представлен на рис. 1.8.

Оцениваемый эффективный период пребывания для СО2 колеблется в пределах от 50 до 200 лет.

Метан (СН4) имеет как природное, так и антропогенное происхождение. Парниковая активность метана примерно в 21 раз выше, чем у углекислого газа. Время жизни метана в атмосфере составляет примерно 12 лет. Сравнительно короткое время жизни в сочетании с большим парниковым потенциалом делает его кандидатом для смягчения последствий глобального потепления в ближайшей перспективе.

Как показали недавние исследования, быстрый рост концентрации метана в атмосфере происходил в первом тысячелетии нашей эры (предположительно в результате расширения сельхозпроизводства и скотоводства и выжигания лесов).

Рис. 1.8. Круговорот диоксида углерода

В период с 1000 по 1700 годы концентрация метана упала на 40%, но снова стала расти в последние столетия (предположительно в результате увеличения пахотных земель, пастбищ и выжигания лесов, использования древесины для отопления, увеличения поголовья домашнего скота, количества нечистот, выращивания риса). Некоторый вклад в поступление метана дают утечки при разработке месторождений каменного угля и природного газа, а также эмиссия метана в составе биогаза, образующегося на полигонах захоронения отходов. Анализ пузырьков воздуха во льдах свидетельствует о том, что сейчас в атмосфере Земли больше метана, чем в любое время за последние 400000 лет.

Закись азота (N2O) – третий по значимости парниковый газ Киотского протокола. Выделяется при производстве и применении минеральных удобрений, в химической промышленности, в сельском хозяйстве и т. д. На него приходится около 6% глобального потепления.

Перфторуглероды – ПФУ (Perfluorocarbons – PFCs). Углеводородные соединения, в которых фтор частично замещает углерод. Основным источником эмиссии этих газов является производство алюминия, электроники и растворителей. При алюминиевой плавке выбросы ПФУ возникают в электрической дуге или при так называемых анодных эффектах.

Гидрофторуглероды (ГФУ) – углеводородные соединения, в которых галогены частично замещают водород.

Гексафторид серы (SF6) – парниковый газ, использующийся в качестве электроизоляционного материала в электроэнергетике. Гексафторид серы (элегаз, или шести фтористая сера) – неорганическое вещество, при нормальных условиях тяжелый газ, в 5 раз тяжелее воздуха. Выбросы происходят при его производстве и использовании. Чрезвычайно долго сохраняется в атмосфере и является активным поглотителем инфракрасного излучения. Это соединение, даже при относительно небольших выбросах, обладает потенциальной возможностью влиять на климат в течение продолжительного времени в будущем.

Озон– парниковый газ, находящийся как в стратосфере, так и в тропосфере. Но определить его значение в парниковом сложнее по сравнению с другими газами, так как территориальное распределение этого газа очень изменчиво.

В 2000–2010 гг. глобальные выбросы парниковых газов (ПГ) росли быстрее (на 2,2% в год), чем в три предшествующих десятилетия (на 1,3% в год в 1970–2000 гг.), несмотря на глобальный экономический кризис и усилия растущего числа стран реализовать Рамочную конвенцию ООН об изменении климата и Киотский протокол. За последние четыре десятилетия накопленные выбросы углекислого газа увеличились с 900 млрд т СО2 в 1970 г. до 2 000 млрд т в 2010 г. Выбросы ПГ от сжигания топлива в 2013 г. превысили 32 млрд т СО2, и при отсутствии жестких мер политики по их контролю могут вырасти до 50–70 млрд СО2 к 2050 г. и до 90 млрд т СО2 – к 2100 г.

Расчеты показывают, что без существенных дополнительных мер по контролю за выбросами в ближайшие 20 лет будет практически невозможно удерживать концентрацию ПГ в атмосфере в рамках 450–500 ppm. Это означает, что потребуются большие усилия по снижению выбросов в 2030–2050 гг. или широкомасштабное применение технологий удаления ПГ из атмосферы либо ее охлаждения в последующие годы. Хотя смягчение воздействия на климат сопряжено с существенными затратами, они могут быть снижены за счет устранения барьеров для проникновения на рынок низкоуглеродных технологий и возобновляемых источников энергии.

Без сомнения человеческая деятельность в масштабах планеты негативно влияет на окружающую среду. В 2014 году глобальные выбросы по вине человека составили 9,795 гигатонн углерода или 35,9 гигатонн углекислого газа CO2, природными процессами (вулканическая деятельность, дегазация глубинных разломов, выделения мировым океаном, разложение органики, и т. д.) выбросы составили 119 гигатонн углерода или 439 гигатонн CO2. Человеческая деятельность слишком мала по сравнению с природными процессами, чтобы серьезно влиять на выбросы СО2 в атмосферу.

1.6. Влияние извержения вулканов на климат

По всему миру карту усеивают вулканы всех форм и размеров. Вдоль суши вокруг Тихого океана расположены хорошо известные вулканы Тихоокеанского огненного кольца. От Алеутских островов до гор Анд в Чили эти вулканы сформировали свою местную и региональную среду обитания.

По сути, вулканы представляют собой геологические объекты, которые выделяют магматический материал из-под поверхности Земли на поверхность, рис. 1.9. Магмы являются отправной точкой для создания вулкана. Образование магмы осуществляется несколькими способами:

1) субдукция океанической коры,

2) создание горячей точки из мантийного плюма,

3) расхождение океанических или континентальных плит.

В горячих точках океанической коры развиваются различные магматические системы, основанные на скоростях движения плит. Гавайи и архипелаг Мадейра (у западного побережья Африки) являются примерами вулканических комплексов.

Рис.1.9. Извержение вулкана

В то время как большинство вулканов выбрасывают некоторую смесь одних и тех же нескольких газов, выбросы каждого вулкана содержат разное соотношение этих газов. Водяной пар является преобладающей молекулой газа, образующейся, за ним следуют диоксид углерода (CO2) и диоксид серы (SO2). Выброс серы из вулканов оказывает огромное воздействие на окружающую среду, и это важно учитывать при изучении крупномасштабных последствий вулканизма. Вулканы являются основным источником серы (в форме SO2), которая попадает в стратосферу, где затем вступает в реакцию с радикалами OH с образованием серной кислоты (H2SO4). Молекулы серной кислоты конденсируются на существующих аэрозолях и могут стать достаточно большими, чтобы образовать ядра для дождевых капель и выпадать в осадок в виде кислотных дождей. Дождь, содержащий повышенные концентрации SO2, убивает растительность, что затем снижает способность биомассы района поглощать CO2 из воздуха. Это также создает неблагоприятную среду в ручьях, озерах и грунтовых водах. Повышенная концентрация серы в атмосфере может привести к разрушению озонового слоя и к ее потеплению.

Вулканы с кислым составом расплава производят чрезвычайно взрывоопасные извержения, которые могут выбрасывать огромное количество пыли и аэрозолей высоко в атмосферу. Эти выбросы твердых частиц являются мощными факторами, влияющими на климат, и могут спровоцировать самые разнообразные реакции, включая потепление, похолодание и подкисление дождевой воды. Реакция климата зависит от высоты пылевого облака, а также от размера и состава пыли. Некоторые вулканические силикаты очень быстро охлаждались, создавая стекловидную текстуру; их темный цвет и отражающая природа поглощают часть излучения и отражают остальное. Такой вулканический материал, впрыскиваемый в стратосферу, блокирует солнечное излучение, нагревая этот слой атмосферы и охлаждая область под ним. Характер ветра может распространять пыль по обширным географическим регионам; например, извержение вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 году произвело так много пыли, что похолодание на 1 градус по Цельсию было отмечено даже в Новой Англии и продолжалось в течение нескольких месяцев. Европейцы и американцы назвали его эффект “годом без лета”.

Вулканические выбросы содержат следовые количества тяжелых металлов, которые могут влиять на гидросферу, когда они попадают в нижние слои атмосферы. Когда большие количества этих выбросов собираются на небольшой площади, последствия загрязнения становятся первостепенными.

Краткосрочное (от месяцев до лет) воздействие вулканизма на атмосферу, климат и окружающую среду в значительной степени зависит от местоположения, времени, потока, величины и высоты выбросов сернистых газов. Эпизодические взрывные извержения представляют собой основное возмущение стратосферного аэрозоля. В тропосфере картина менее ясна, но значительная часть глобального тропосферного сульфатного бремени может быть вулканогенной. Сульфатный аэрозоль влияет на радиационный баланс Земли, рассеивая и поглощая коротковолновое и длинноволновое излучение, а также действуя как ядра конденсации облаков. Когда облака, содержащие вулканическую серу в газовой и аэрозольной фазах, попадают в пограничный слой и на поверхность Земли, это может привести к серьезным последствиям для окружающей среды и здоровья. Примерами воздействия на окружающую среду и здоровье являются потери сельского хозяйства из-за кислотных дождей и затенения частицами, ущерб экосистемам и загрязнение гидросферы.

Интенсивность извержения вулкана определяется высотой и эффектом выброшенного материала. Хотя крупные извержения происходят реже, чем мелкие, более крупные извержения все же выбрасывают в атмосферу больше твердых частиц. Такое поведение выбрасываемого материала в течение всего года оказывает незначительное воздействие на атмосферу по сравнению с более крупными извержениями. Со временем изменения в составе извержений меньшего масштаба приводят к изменениям атмосферных циклов и глобального климата. Крупномасштабные извержения немедленно вызывают изменения в атмосфере, что, в свою очередь, приводит к климатическим изменениям в непосредственной близости. Чем больше вулканическое извержение, тем выше высота, достигнутая выброшенными силикатными материалами. Более крупные извержения в среднем выделяют не так много, как более мелкие извержения. Это связано с периодом возврата извержений и количеством выброшенного материала за одно извержение. Высота выброса серы в атмосферу представляет собой еще один важный фактор, определяющий воздействие на климат. Более интенсивные извержения с большей вероятностью поднимают реактивные сернистые газы в стратосферу, где они могут генерировать климатически эффективный аэрозоль.

Местоположение вулкана сильно влияет на географическое распределение атмосферного нагрева и развитие планетарных волн, которые влияют на циркуляцию воздуха (особенно в северном полушарии). Другим важным фактором является то, что высота тропопаузы меняется в зависимости от широты – в тропиках она составляет около 16-17 км над уровнем моря, но опускается до 10-11 км в высоких широтах. Однако есть два фактора, которые ограничивают этот эффект. Во-первых, извержение в высоких широтах будет иметь более ограниченный эффект, чем в низких широтах, потому что дальше от тропиков меньше солнечной энергии для перехвата. Во-вторых, атмосферная циркуляция работает таким образом, чтобы ограничить последствия извержений в высоких широтах. Тропическое извержение, которое выбрасывает аэрозоль в стратосферу, приводит к локальному нагреву. Напротив, вулканический аэрозоль, выбрасываемый в стратосферу из высокоширотных вулканов, будет иметь тенденцию оказывать противоположное влияние на температурный градиент, приводя к застою меридионального воздушного потока.