КОРОТКА ТЕОРІЯ ЗЕМЛЬНОЇ КЛІМАТИЧНОЇ СИСТЕМИ, ОСОБЛИВО В КОНТЕКСТІ КЛІМАТИЧНИХ ЗМІН *

лекції

Короткі зауваження щодо теорії кліматичної системи Землі та зв’язку із зміною клімату

(* Проф. RNDr. Мілан Лапін, доктор філософії, Зміна професорської вступної лекції від 20.IX.2004)

Під цим терміном клімат і кліматичні умови або умови вони розуміють в інших сферах відносно широкий спектр питань. За даними Всесвітньої метеорологічної організації (ВМО), клімат або клімат є довготривалим погодним режимом. ВМО вважає цей період принаймні на 30 років довшим, тоді як період 1961-1990 рр. Зараз є стандартним нормальним періодом (кліматичні характеристики цього періоду використовуються для міжнародного порівняння кліматичних умов на Землі). Клімат - це також статистичний набір держав повної кліматичної системи Землі (KSZ), які вона проходить протягом тривалих періодів. КСЗ складається з атмосфери, гідросфери (вода на Землі), кріосфери (сніг і лід на Землі), літосфери (верхні шари земної кори), біосфери (живі організми на Землі) і ноосфери (діяльність людини) . Це стосується лише тих компонентів вищезазначених підсистем KSZ, які певним чином пов’язані з кліматом (далі:.

Кліматологія є наукою про контекст та причини певних кліматичних умов чи умов та їх змін, впливу клімату на об’єкти людської діяльності та навпаки. Знання теорії функціонування КСЗ є необхідною умовою наукового аналізу кліматичних умов. Під науковим аналізом ми маємо на увазі насамперед правильну фізичну та статистичну інтерпретацію. Метеорологія це в основному наука про сучасний стан КСЗ, інакше також наука про процеси в атмосфері Землі, одним із її завдань є прогноз погоди на термін до 10 днів, але він вирішує багато загальних проблем з кліматологією.

Про кліматичні умови ми говоримо про загальні кліматичні характеристики певної місцевості чи території. Коли ми маємо на увазі відношення клімату до об’єкта людської діяльності чи до екосистем, ми використовуємо цей термін кліматичні умови.

Поняття та факти, пов'язані з кліматичні зміни та мінливість вони часто висуваються на перший план, особливо в періоди з різними короткочасними аномаліями погоди порівняно з середніми показниками за тривалий час. Через те, що непроста (іноді навіть професійна) громадськість не має огляду наявних довгострокових середніх показників клімату та характеристик мінливості клімату, екстремалами іноді вважають погодні явища з відносно частою середньою частотою (навіть частіше ніж раз на 10 років). Зміни клімату в довгих геологічних періодах Землі (від тисяч до мільйонів років) часто змішуються разом із змінами протягом коротких (менше 30 років) періодів, які мають різні причини. Роль професійних метеорологів та кліматологів полягає у наданні та розповсюдженні такої інформації про кліматичні зміни та мінливість, яка в першу чергу базується на статистичній статистичній основі та правильно трактується кліматологічно.

Екосистемні спільноти і, нарешті діяльність людини протягом останніх 10 тис роки (з кінця останнього льодовикового періоду) пристосувались до певних кліматичних умов (як середніх, так і мінливості). Кожна зміна клімату означає нову адаптацію для екосистем та людей. Якщо зміни швидше порівняно зі змінами минулого (якщо екосистеми не мають їх у своїй генетичній пам’яті), вони стають нестабільними. Новий баланс в екосистемах може бути створений навіть через кілька століть. Досвід показує, що діяльність людини також лише повільно адаптується до нового клімату. Це також пов’язано з тим, що деякі процеси адаптації дуже вимогливі як з точки зору часу, так і з точки зору грошей (наприклад: харчування та житло, але також зміни в сільському господарстві, лісовому господарстві та управлінні водою, повінь та зрошувальні системи повинні розповсюджуватися протягом декількох десятиліть ).

Зміна клімату - цей термін раніше використовувався для всіх кліматичних змін (тепер лише для природних змін клімату). Зміни клімату природної природи - це переважно зміни в минулі геологічні часи Землі (мільйони - сотні мільйонів років), льодовикові періоди (десятки тисяч - мільйони років), інші зміни (сотні років), іноді низькі - частотні коливання клімату (десятки років).

Мінливість клімату - Кліматичні умови характеризуються центральними, дисперсійними, тенденційними та циклічними характеристиками. Характеристики дисперсії представляють мінливість клімату (стандартне відхилення, інші характеристики кривої розподілу (ймовірність перевищення через 10, 50, 100 років), мінливість послідовності (внутрішньоденна, міжрічна) тощо). Кліматичну мінливість також можна розрахувати на триваліші періоди часу, ніж один рік, а також використовуючи різні значення довших періодів часу для значень вхідних даних обробки (від 10 хвилин до 30 років).

Коливання клімату - природні коливання кліматичних характеристик в основному зумовлені сонячною радіацією (річний пробіг, 11-річний цикл,), інші цикли пов'язані з циклічністю деяких кліматичних процесів (наприклад, QBO (близько 2 років), ENSO, El Niño 2 та 2) - коливання Північної Атлантики), крім річного пробігу, всі ми виражені дуже слабо, цикл четвертинних льодовикових періодів має період близько 100 тис. років, цикли низької частоти вважаються коливаннями з періодом, що перевищує 11 років. Всі довші цикли важко визначити в часових рядах спостережень.

Під терміном "зміна клімату" ми розуміємо лише ті зміни кліматичних умов, які пов’язані з антропогенно зумовленим зростанням скляного ефекту атмосфери від початку промислової революції (близько 1750 р. н. е., якщо їх можна відрізнити від природних змін). З кінця останнього льодовикового періоду до 1750 р. Концентрація т. Зв парникових газів (ПГ) в атмосфері лише незначно, з тих пір приріст усіх ПГ в атмосфері, крім водяної пари (H2O), прискорився. Абсолютно новими ПГ є фреуни та галони (після 1930 р.). Під терміном парниковий ефект атмосфери ми розуміємо суму наслідків парникових газів (інакше також радіаційно-активних газів) в атмосфері, які поглинають теплове випромінювання Землі, нагрівають частину атмосфери, де вони знаходяться, і змінюють баланс теплового випромінювання на поверхні поверхні за рахунок сильнішого зворотного випромінювання атмосфери. Це стабілізує певну середню температуру повітря в приземному шарі Землі (зараз вона становить близько +15 ° C, природний скляний ефект атмосфери являє собою підвищення температури приземного шару атмосфери на Землі на 33 ° C, без якого ми мали б -18 ° C).

Раніше передбачалося, що метеорологічні процеси, включаючи кліматичні умови, майже виключно пов’язані з атмосферою Землі. Сьогодні вчені визнають, що близько 50% атмосфери, 20% гідросфери та 30% залишаються для інших підсистем. Тому останні підручники теоретичної кліматології приділяють особливу увагу взаємодії між атмосферою та гідросферою. Також передбачалося, що на кліматичні умови переважно впливають астрономічні та географічні фактори. За останніми результатами наукових досліджень, вплив циркуляторних та антропогенних факторів також є дуже значним.

Дуже коротко про деякі цікаві особливості підсистем KSZ

Інші підсистеми KSZ - Літосфера - верхня частина земної кори, що будь-яким чином сприяє формуванню кліматичних умов. Це як поверхня суші, так і морське дно до змінної глибини залежно від місцевих умов. Цю підсистему добре оцінювати разом з Біосфера, тобто всі живі організми на цій Землі, включаючи їх карбонатні та інші викопні речовини, рослинні та тваринні рештки. Хоча літосферу вважають більш-менш довгостроковою постійною підсистемою, біосферу можна розглядати як таку просто, якщо мова йде про природні та антропогенно не уражені екосистеми. Людина з її соціально-економічною діяльністю може бути частково включена в біосферу - іноді ця підсистема називається Ноосфера або Антропогенна сфера. На цьому етапі необхідно наголосити не лише на швидкому та експоненційному зростанні населення Землі (близько 5 мільйонів 12 тисяч років тому, близько 500 мільйонів 500 років тому та 6000 мільйонів у 2002 році), але також на дуже швидкому зростанні енергії, споживання сировини та товарів, що виявилося у значному впливі на природне середовище Землі. Функція цих підсистем в KSZ буде розглянута далі в тексті.

Тепер кілька слів про системи

Оскільки всі попередні теорії КСЗ базувались на умовах оцінки атмосфери як термогідродинамічної системи, такі процедури зазвичай застосовуються до інших її компонентів. Ось особливості систем, які можна застосувати до KSZ. Кожна система повинна характеризуватися принаймні складом, термодинамічним та механічним станом. Складність цілої системи (також КСЗ) обумовлена ​​головним чином нелінійністю взаємодій її компонентів. Оскільки ми розглянемо зовнішні та внутрішні фактори, що формують клімат, необхідно розділити весь простір на дві частини - КСЗ та його оточення.

Майже всі підсистеми в повному КСЗ мають характер відкритих і випадково коливаються систем, тобто з турбулентним (хаотичним) режимом і з більш-менш стабільними граничними умовами. Такі системи переживають багато різних фізичних станів. На перший погляд, ми, здається, не в змозі вирішити фізичні процеси в таких системах. Однак справа в тому, що існують реальні можливості для правильного аналізу за допомогою засобів математичної статистики та статистичної фізики. Звичайно, у таких випадках ми не розглядаємо процеси окремих випадків окремо, це довгі часові ряди або безліч наборів даних, які мають необхідні властивості з точки зору статистичного аналізу. Важливими є: незалежний випадковий вибір, достатня кількість, перевірена якість та репрезентативність даних, що спостерігаються або вимірюються.

Сонячна радіація

Регіональні відмінності у радіаційному та енергетичному балансі Землі вони вносять вирішальний внесок у генезис типів клімату та в динаміку розвитку клімату. Завдяки розподілу хмар, альбеди та температурі поверхні суші, морів та океанів створені складні умови для загального радіаційного балансу. Більше 80% енергії від загального радіаційного балансу отримує тропічна зона між тропіками (40% поверхні Землі), поверхня океанів тут отримує приблизно в 2 рази більше енергії від Сонця, ніж поверхня суші на одиниця площі. Ще більш серйозним є той факт, що понад 90% загального радіаційного балансу використовується для випаровування в тропічних океанах. Зрозуміло, що адвекція (передача) енергії з корпусів за рахунок атмосферної та морської циркуляції надзвичайно важлива.

Окрім загальновідомої регіональної специфіки радіаційного та енергетичного балансу, зробимо паузу навіть з менш часто представленими висновками. Стабілізація середньої та мінливості атмосферної температури в приземному шарі повітря (2 м над земною поверхнею) залежить головним чином від змін режиму хімії атмосфери, загального радіаційного балансу, атмосферної та морської циркуляції. Всі ці процеси пов’язані зі значними зворотними зв’язками, які, як правило, зменшують коливання, що виникають в результаті.

Радіаційно активні (скляні) гази

Вплив зростаючої концентрації парникових газів на стабілізацію вищої середньої температури в приземному шарі атмосфери часто називають "Підсилення випромінювання" (випромінювальне форсування). З іншого боку, збільшення концентрації деяких аерозолів може мати зворотний ефект, тобто "Ослаблення випромінювання". У 2000 р. Значення підсилення випромінювання оцінюється в 2,43 Вт.м -2 (+0,3 Вт.м -2 збільшене сонячне випромінювання), а ослаблення випромінювання від 0 до 2 Вт.м -2. Хоча таке порівняння є лише гіпотетичним, зрештою воно має таке саме значення, як якщо б потік надходить сонячного світла був посилений. Слід підкреслити, що приріст радіації у 2000 р. Був приблизно у 8 разів більший, ніж збільшення надходить сонячного світла до верхньої межі атмосфери за 350 років. Ослаблення радіації внаслідок антропогенних аерозолів ніде на Землі не перевищило 50% від радіаційного посилення через зростання парникових газів у більшій області.

Динаміка атмосфери та океану

D S = 0,02%. На більших глибинах Світового океану роль зміни тиску важливіша за зміну температури.

Взаємодія та відгуки

Взаємодії та зворотні зв’язки між підсистемами цілісного КСЗ відбуваються завдяки відомим кліматичним процесам, але їх динаміка до кінця не відома. Хоча переважна більшість цих процесів вже може бути добре описана системами диференціальних рівнянь, і ми можемо вважати їх більш-менш детермінованими (це так звана вимушена мінливість клімату), деякі процеси відбуваються непередбачувано з очевидною часткою різниці нестабільність та зворотний зв'язок, що призводять до нелінійних взаємодій між різними компонентами KSZ). На основі цих знань метеоролог та кліматолог Е.Н. Лоренц теорія хаосу.

Зовнішні фактори, що визначають поведінку КСЗ, в основному астрономічні (сонячна константа, орбітальні параметри Землі, обертання Землі) та наземні (склад атмосфери, виверження вулканів, діяльність людини, землекористування, геотектика, тектоніка). Деякі з цих факторів є більш-менш стабільними в довгостроковій перспективі, інші зазнають певних регулярних або нерегулярних змін. Внутрішні фактори, що формують клімат в KSZ, головним чином пов'язані з механізмом позитивних і негативних зворотних зв'язків та іншими взаємодіями між елементами повного KSZ. Ці фактори можуть ініціювати процеси, що призводять до нестабільності або коливань всієї системи, тоді як вони можуть бути реалізовані повністю незалежно від зовнішніх факторів, або можуть бути істотно модифіковані. Як приклад можна навести річний та щоденний перебіг кліматичних елементів, які однозначно походять від зовнішніх астрономічних факторів. Однак у KSZ існує ряд інших циклів (від 12 годин до 100 000 років або навіть більше), які частково можна віднести до зовнішніх, а частково внутрішніх факторів KSZ. Інтерактивний та нелінійний характер процесів у КСЗ надзвичайно ускладнює інтерпретацію.

Вчені вже давно впевнені у великій стабільності хімічного складу атмосфери, оскільки існують ефективні негативні відгуки, які не допускають значних відхилень. Навіть випадкові значні виверження вулканів та серйозні зміни в землекористуванні в середні віки не змогли суттєво змінити квазістійкість хімії атмосфери. Аналіз збережених зразків повітря з порожнин у льодовиках (і в інших місцях) підтвердив, що за останні мільйон років це було лише в льодовикові періоди, коли концентрація вуглекислого газу та метану (CO2 і CH4) в атмосфері дещо змінилася. За останні 10 000 років до 1750 року змін майже не відбулося. Правда, на ранніх стадіях розвитку Землі (мільярд років тому) були відносно великі відмінності в концентрації CO2, O2, O3 (озону), H2O, CH4 та інші гази. Порівняно з нинішніми. Однак це не відіграє суттєвої ролі в аналізі КСЗ зараз.

Скляний ефект атмосфери - це справжня фізична система з добре відомими розмірами процесу. Деякі невизначеності виникають внаслідок можливого розвитку негативних відгуків (хмар, фотосинтезу, льодовиків, аерозолів, глибших шарів океану). Революційні зміни в кругообігу вуглецю на Землі (поява нових видів рослин і тварин з великим і швидким зростанням захоплення СО2 з атмосфери, така зміна циркуляції океану, як очікується, не відбудеться революційно протягом декількох століття).). Існує також суперечливий розгляд можливих негативних ефектів зворотного зв'язку через швидке збільшення концентрації деяких аерозолів в атмосфері та хмарному покриві. Швидше за все, здається ймовірним, що після розморожування вічної мерзлоти та деяких льодовиків у цьому середовищі будуть зафіксовані додаткові викиди СО2 та CH4 мільйони років тому.

Хоча в Словаччині ми не займаємось моделюванням кліматичних процесів у глобальному масштабі, ми використовуємо ці результати для регіональної інтерпретації, і необхідно, щоб наші експерти детально вивчили це питання. У Словаччині ми також намагаємось застосувати останні результати оцінки можливих наслідків зміни клімату для соціально-економічної сфери та прийняття заходів щодо адаптації та пом'якшення наслідків. Деякі інші деталі є на сторінках: www.dmc.fmph.uniba.sk, www.ipcc.ch, www.wmo.ch, а також.

Проф. RNDr. Мілан Лапін, CSc.

Автор є гарантом вивчення метеорології та кліматології на факультеті математики, фізики та інформатики Університету Коменського та багаторічним головою Національної кліматичної програми Словацької Республіки.

Добровольський, С.Г .: Теорія стохастичного клімату: моделі та застосування. Спрінгер. Берлін, Гейдельберг, Нью-Йорк, Барселона, Гонконг, Лондон, Мілан, Париж, Сінгапур, Токіо 2000, 282 с.

МГЕЗК, TAR, 2001: Зміна клімату 2001: Наукова основа. Внесок робочої групи I до третього звіту про оцінку МГЕЗК. Кембриджський університет Press, Великобританія, 944 с. (www.ipcc.ch)

Лапін, М., Томлен, Дж.: Загальна та регіональна кліматологія. Вид. Великобританія Братислава, 2001, 184 с. (університетський підручник).

Лоренц, Е.Н .: Природа і теорія загальної циркуляції атмосфери. Публікація ВМО 218, Женева 1967, 167 с.

Педлоскі, Дж.: Теорія циркуляції океану. Спрінгер, Берлін 1998, 455 с.