Изменение климата от начала формирования Земли до наших дней

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изменение климата от начала формирования Земли до наших дней

Выполнила студентка ИАМ 101

Пилипенко Е.И.

КЛИМАТ МЕНЯЛСЯ ВСЕГДА

Со времени формирования Земли из протопланетного облака происходили сильные изменения в температурном режиме ее поверхности. После того, как почти прекратились бомбардировки Земли кусками протопланетного вещества, распалась большая часть радиоактивных изотопов элементов, уменьшилась диссипация энергии приливов (благодаря отодвиганию Луны), и произошла значительная гравитационная дифференциация земного вещества, эти источники тепла стали слишком слабы, и основными факторами, влияющими на температуру всей поверхности Земли в целом, остались только поток солнечной энергии, поступающей к Земле, а также условия прохождения его и переизлученного потока через атмосферу. Т.е. основными факторами остались только солнечная светимость, пропускание земной атмосферой солнечного излучения, а также парниковый эффект.

Если посмотреть, как менялись солнечная светимость и парниковый эффект за всю историю Земли, то окажется, что солнечная светимость и парниковый эффект изменялись разнонаправлено - солнечная светимость постепенно росла, а парниковый эффект в целом уменьшался (хотя у него наблюдались и колебания на более коротких промежутках времени). Эти разнонаправленные процессы, после того, как основная роль в формировании термического режима поверхности Земли перешла именно к ним, позволили удерживать температуры на поверхности Земли в относительно узком коридоре, в котором возможна биологическая жизнь.

В начальный момент существования Земли, около 4,5 млрд. лет назад, солнечная светимость составляла примерно 1/3 часть от нынешней величины - это связано с тем, что хоть звезда типа Солнца в стабильной фазе своего существования почти не меняется, некоторые медленные изменения все же происходят - водород в ядре постепенно выгорает, и это приводит к очень медленному, но все таки заметному постепенному росту светимости. Парниковый же эффект на начальных этапах существования Земли был очень мощным - значительный нагрев Земли в это время за счет выпадения протопланетных обломков, высокой радиоактивности, и прочих указанных в начале главы причин, вызывал мощную дегазацию земных недр, поток углекислого и других парниковых газов в атмосферу был высок, а эффективных путей вывода их из атмосферы еще не было.

Если в катархее (4.5 млдр лет назад) большая часть земной поверхности была расплавлена, то в первой половине архея температуры на поверхности уже опустились до уровня примерно 150 градусов Цельсия и даже ниже, что в условиях мощной атмосферы с высоким давлением, позволило начать конденсироваться водяным парам. Наличие жидкой воды включило механизмы геохимического, неорганического механизма вывода углекислого газа из атмосферы. В это время температура опустилась примерно до 70-90 °С, и сохранялась на таком уровне почти до конца архея(2.8 млрд). К концу архея, примерно около 2,5 млрд. лет назад значительно уменьшилась тектоническая активность, что уменьшило дегазацию недр. Ускорился и вывод углекислого газа из атмосферы. В результате всего за сотню-полторы миллионов лет основные запасы углекислого газа были выведены из атмосферы, наступило первое в истории земли мощное оледенение, известное как гуронское. Оно продолжалось более сотни миллионов лет, и средняя температуры на поверхности Земли на уровне моря в это время составляла менее 10 °С. В дальнейшем все же произошло некоторое накопление углекислого газа в атмосфере, и температуры повысились, хотя так и не достигли архейских значений. Средние температуры большей части протерозоя(635 млн.лет назад) составляли около 35-40 °С, как показывают исследования. Однако к концу протерозоя на процессы вывода углекислого газа из атмосферы начал влиять новый мощный фактор.

В период примерно 900-600 млн. лет назад, на Земле вновь прошла череда сильнейших оледенений. Похоже они были вызваны широким распространением к тому времени живых организмов, способных к фотосинтезу, причем в условиях, очень хороших для захоронения органики (отсутствие кислорода на океанических глубинах) и вывода углекислого газа из атмосферы на длительный срок. Периодическое чередование таких оледенений была вызвана, вероятно, изъятием очень больших объемов углекислого газа из атмосферы биотой, похолоданием и оледенением, и в конце гибелью большей части биомассы, что приводило к сильному сокращению вывода углекислого газа из атмосферы, его накоплению в атмосфере вновь, и опять к потеплению и возрождению жизни.

Но к началу фанерозоя, около 600 млн. лет назад, в атмосфере накопилось уже очень много кислорода, кроме того, вода океанических глубин также насыщалась кислородом, благодаря совокупности биологических, так и геохимических факторов. В результате заработали и механизмы, эффективно возвращающие часть захороняемого углерода из органики обратно в атмосферу в виде углекислого газа. Т.е. эффектитвно заработали и процессы окисления захороняемой органики. Благодаря этому, мощные колебания содержания углекислого газа в атмосфере, и соответственно парникового эффекта, поуменьшились, и климатическая система стала стабильнее.

Итак, начиная с фанерозоя, изменения средней глобальной температуры в целом стали относительно небольшими, до 10-15 градусов. В основном, это была более теплая эпоха, по сравнению с современностью, хотя за это время и произошли три оледенения, не достигшие однако, масштаба оледенений протерозоя. Это оледенения на границе верхнего ордовика-нижнего силура (460-420 млн. лет назад), слабое оледенение верхнего девона (370-355 млн. лет назад), и наиболее мощное среди них, пермо-карбоновое (350-230 млн. лет назад), начавшееся в каменноугольном периоде. Связывают их с усилением вывода из атмосферы углекислого газа, с возраставшим в эти периоды потоком захоронения углерода (что отражено даже в названии каменноугольного периода). Кроме того, возможно на колебания климата с приблизительными периодами в 150-250 млн. лет (а именно столько проходит между великими длительными оледенениями) влияет накопление захороненого углерода в предыдущие эпохи. Благодаря движению океанической коры и явлению постоянного подныривания и задвига одних плит под другие (субдукция), происходит модуляция выброса вулканами углекислого газа и метана в атмосферу, запасами углерода накопленного на океаническом дне в предыдущие эпохи.

После продолжительной, почти постоянно теплой мезозойской эры(250-145 млн.л.назад), температура опять начала постепенно падать. Падало и содержание углекислого газа в атмосфере - в начале кайнозоя оно было примерно в пять раз больше, чем в современную эпоху.

Климат на Земле изменялся во все времена, в том числе задолго до того, как свою роль в этом начала играть деятельность человека. В геологической истории Земли встречались и более теплые периоды, чем в последние миллионы лет. На рис. 1.2 показано, как сильно колебалась температура в разные геологические эпохи и как это соотносилось с покрытием суши льдом. Всемирная метеорологическая организация условилась отсчитывать изменения климата от средних значений за 1961-1990 годы, что показано на рисунке, поэтому можно сказать, что 500 млн лет назад было на 7 °С теплее, а 300 млн лет назад на 1 °С холоднее, чем в 60-90-е годы прошлого века. Покрытие суши льдом сильно понижало температуру на всей планете. Это установили по отметкам, которые лед оставляет на горных породах.

Рис. 1.1 Оценка изменения температуры на Земле за последние 500 млн лет (получено с помощью геохимических и биологических методов)

Кроме того, анализ геологических образцов, донных отложений океанов и других данных показывает, что теплые периоды совпадают с периодами высокого содержания CO₂ в атмосфере. Концентрации газов в атмосфере принято выражать в молярных долях, что означает, сколько молекул данного газа приходится на миллион молекул газовой смеси, образующей воздух. Сейчас в воздухе примерно 390 частей CO₂ на миллион (ppm), 400 млн лет назад СО₂ было в 10 раз больше -- несколько тысяч ppm, а 300 млн лет назад -- лишь несколько сотен ppm.

Рассматривая причины столь сильных изменений климата за полмиллиарда лет, ученые анализируют всевозможные геологические, астрономические, биологические, геомагнитные и другие факторы. Говоря в целом о ситуации в течение сотен миллионов лет, нужно подчеркнуть главенствующую роль расположения суши относительно полюсов и экватора -- тектонические процессы и дрейф континентов. Большую часть времени полярные районы были свободны от суши, там не накапливались ледниковые щиты, которые бы сильно отражали солнечное излучение. В результате в среднем было гораздо теплее, чем сейчас.

Более подробное рассмотрение последних 60 млн лет показывает, что нынешнее покрытие льдом Антарктиды началось примерно 40 млн лет назад, а оледенение Гренландии -- менее 10 млн лет назад. Как видно на рис. 1.3, оба этих процесса сопровождались очень существенным снижением температуры, в результате чего она приблизилась к современному уровню. Вспомним, что, следуя правилам Всемирной метеорологической организации, изменения климата отсчитываются от ситуации, наблюдавшейся в 1961-1990 годы. Поэтому можно сказать, что в последние миллионы лет жизни динозавров было на 8-10 °С теплее, чем в 1960-1990-е годы, а 52 млн лет назад, когда Индия соединилась с Евразией в один континент, было еще жарче -- на 12 °С теплее, чем в во второй половине прошлого века.

В широких пределах менялась и концентрация СО₂: 40- 60 млн лет назад она составляла от 300 до 1000 ppm, а в последние 20 млн лет -- в среднем 200-400 ppm.

Рис. 1.2 Изменения температуры Мирового океана за последние 60 млн лет (оценка по содержанию изотопа кислорода-18 в глубоководных океанских отложениях)

Примерно 60 млн лет назад произошло хорошо известное и активно обсуждаемое вымирание динозавров. Выдвигаются разные причины -- астрономические, например: падение гигантского метеорита в районе нынешнего Карибского моря, после чего некоторое время Земля была затенена пылью и для динозавров стало слишком холодно. Или биологические: та или иная конкуренция с более «совершенными» живыми организмами и т.п.

На рис. 1.2 также показан «резкий» всплеск температуры примерно 55 млн лет назад. Многие ученые объясняют его размораживанием метангидратов (снегообразных соединений метана, имеющихся на дне морей и океанов). Метан -- сильный парниковый газ, и его выбросы ведут к повышению температуры. Потепление было очень сильным. С одной стороны, в шкале миллионов лет оно было очень кратким, примерно 70 тыс. лет. С другой, 70 тыс. лет -- очень длительный срок, если рассматривать его в масштабе XX-XXI веков. Потом все вернулось к состоянию, определяемому иными факторами, в частности, расположением континентов и оледенением суши.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В ПОСЛЕДНИЕ СТОЛЕТИЯ: ОКЕАНСКИЕ ЦИКЛЫ, ВУЛКАНЫ И СОЛНЦЕ

Факторы, которые обусловили изменения климата в последние сотни лет, конечно, действовали всегда. Однако для более далеких времен у нас не хватает данных, чтобы отследить их относительно небольшое и краткосрочное влияние. Как было сказано выше, ученые определили, насколько климат 5-6 тыс. лет до нашей эры отличался от климата 13-14 тыс. лет назад. Но они не могут сказать, чем климат, например, 5100-х годов до нашей эры отличался от климата 5300-х годов. Изменения, конечно, были, но какие конкретно, сказать нельзя. Можно лишь утверждать, что они были относительно краткосрочными и небольшими, гораздо меньшими, чем вариации климата, которые мы видели при рассмотрении климатической истории Земли за сотни тысяч и миллионы лет.

За последнюю тысячу лет есть гораздо больше данных. Конечно, прямые измерения температуры начались только в XVIII веке, но есть косвенные методы, которые уже хорошо проработаны и признаны учеными как надежные. Один из основных -- дендрохронология: определение изменений температуры по ширине колец ежегодного прироста древесины. Кроме очень старых деревьев, в распоряжении ученых немало остатков деревянных строений, где есть очень старые бревна. Другие методы основаны на анализе растительного покрова, а также донных отложений различных водоемов. В результате для ряда регионов удается проследить вариации температуры за последние примерно 1200 лет, но не более (рис. 1.7).

Пока нельзя сказать, что о причинах изменений климата известно все. Уровень знаний растет, но при этом оценка роли различных факторов может меняться. Десять лет назад многие ученые главным фактором последнего тысячелетия называли вариации солнечной активности. Однако исследования последних лет выявили наличие очень мощных, но не связанных с Солнцем вариаций с периодом в несколько десятков лет, которые обычно называют океанскими циклами. Собственно, другого названия быть и не может, так как почти вся энергия климатической системы Земли сосредоточена именно в океане. В долгосрочных колебаниях атмосферные процессы могут серьезно влиять на климат, только если в них участвует океан.

Рис. 1.3 Вариации температуры в различных регионах мира за последние 1000 лет (оценка по косвенным данным о растительном покрове, годичным кольцам деревьев и другим источникам)

Океанские циклы. Сейчас активно исследуются физические механизмы, которые могут приводить к циклическим изменениям в океане с периодом от 1-2 до ста и более лет. Картина очень непростая -- идет единая циркуляция поверхностных и глубинных вод и их взаимодействие с атмосферой. Океанские течения объединены в огромный планетарный конвейер, причем трехмерный -- есть поверхностные течения, а есть глубинные. В одних частях конвейера движение вод может быть более быстрым, а в других очень медленным, но охватывающим огромные массы воды. Теперь представим себе, что движение и температура различных частей этого конвейера могут «пульсировать». Когда чуть теплее поверхностные воды -- над ними теплее атмосфера, когда чуть теплее глубинные воды -- атмосфера холоднее. Энергия как бы «перетекает» из глубин на поверхность и обратно, из одной части океана или атмосферы в другую и «возвращается» назад, причем это может занимать десятки лет, но общее количество энергии остается практически неизменным. Одним из механизмов превращения непрерывного движения в циклический процесс может являться конвекция, которая из-за вязкости воды возникает только при определенной разнице в плотности воды, зависящей от ее температуры и солености. До этого температура глубинных вод может медленно нарастать, но конвекции не будет. Когда же разница достигнет определенного предела, начнется быстрое конвективное движение. Ученые выявляют и изучают многолетние колебания океана и атмосферы по всему земному шару. Приведем только два примера. Для Атлантики характерны вариации с периодом примерно в 60-70 лет. Такие вариации сильно влияют на местный климат, в частности, на температуру в западной Гренландии (голубая линия на рис. 1.3). Вероятно поэтому, когда викинги ее открыли и назвали «Зеленой землей», там было относительно тепло, а в Швеции могло быть холодно, что только усилило контраст. Однако возможно и влияние океанских вариаций в глобальном масштабе.

Десятилетний период 2001-2010 годов стал самым теплым с начала инструментальных измерений температуры -- с 1850 года. Однако внутри данного десятилетия рост температуры не прослеживается: нельзя сказать, что 2006-2010 годы были теплее, чем 2001-2005 годы (см. ниже рис. 1.14). Возможно, это действие циклических океанских процессов.

Рис. 1.4 Отклонения глобальной средней приземной температуры воздуха от средней за 1961-1990 годы

Синим цветом показаны случаи, когда на начало года температура вод в центральной и восточной частях Тихого океана была на 1,5-2 °С ниже средней (определенная фаза Южной осцилляции)
Источник: Всемирная метеорологическая организация (Заявление ВМО о состоянии глобального климата в 2011 г. на русском языке)

Роль вулканов в формировании климата очень важна, но краткосрочна. После извержений с выносом большого количества пепла и других частиц в стратосферу (если частицы не достигают стратосферы, то они быстро оседают) Земля на один-три года затеняется и температура на всей планете опускается примерно на 0,2-0,4 °С, что очень существенно.

Еще одна причина климатических изменений -- вариации солнечного излучения. Известен 11-летний солнечный цикл. Наблюдения за Солнцем, начатые еще в XVII столетии, также позволяют проследить 40-45-, 60-70-, 100- и 200-летнюю изменчивость. При этом поток приходящей от Солнца энергии меняется слабо, но есть более сложные эффекты, которые тоже могут воздействовать на климат. Исследуется влияние Солнца на содержание в атмосфере озона (который является парниковым газом, хотя его вклад в общий парниковый эффект очень невелик); влияние на стратосферные облака (в ясную погоду от их количества зависят ночные температуры). С другой стороны, изучение влияния Солнца и других космических факторов на геомагнитные явления не выявило климатических эффектов.

Заметим, тот факт, что естественные факторы вызывали изменения климата в прошлом, не означает, что нынешнее изменение климата также вызвано естественными причинами. Аналогичным образом то, что лесные пожары с давних пор вызываются естественными причинами, например ударами молний, не означает, что пожары не могут быть вызваны беспечностью человека.

Рис. 1.5 Взаимодействия и обратные связи изменений климата

климат земля вулкан температура

Имеются и другие идеи. Ряд ученых говорит, что ситуация с выбросами крайне негативна (справочная информация о выбросах приведена в приложении 1), что может потребоваться «геоинжиниринг» -- искусственное воздействие на климатическую систему Земли. Теоретически это возможно, например, предлагается защитить планету «экраном» из подкисленных серой мельчайших капелек воды, затеняющих нас от Солнца. Однако, по мнению подавляющего большинства ученых, это лишь сугубо теоретическая возможность, так как создание экрана может резко изменить глобальную атмосферную циркуляцию и даже не исключено досрочное и быстрое наступление ледникового периода. Поэтому подобные идеи нужно исследовать на компьютерных моделях, но не пытаться делать натурные эксперименты над всей планетой.

Прямое воздействие человека ограничивается сугубо локальными действиями. Например, можно воздействовать на туманы в аэропортах и на дорогах, улучшать погоду во время массовых мероприятий, но воздействовать на погоду или климат даже в отдельном регионе нельзя.

У ученых большие опасения вызывает возможное ускорение изменений климата из-за обратных связей (рис. 1.20). Самую серьезную тревогу вызывает негативная реакция океана на рост концентрации СО₂ в атмосфере. Под словом «негативная» понимается снижение его способности поглощать СО₂ из атмосферы и еще более быстрый рост его концентрации в атмосфере.

Вторым глобальным эффектом называется риск эмиссии в атмосферу огромного количества метана, имеющегося в многолетнемерзлых грунтах на суше и в виде метангидратов (снегообразных соединений метана) на морском дне. Грунты оттаивают все сильнее. Метангидраты даже при небольшом повышении температуры могут начать разрушаться и превращаться в газ. Это актуально именно для Арктики, где они залегают на небольшой глубине. Немало в арктических почвах и болотах и органического вещества, которое при повышении температуры начнет разлагаться, что может привести к сильной эмиссии СО₂ в атмосферу. Сейчас исследуются и другие возможные местные и глобальные обратные связи, в частности, влияние вырубки лесов на облачный покров.

Для Арктики немаловажны и выбросы сажевых частиц. Для мира в целом их роль в антропогенном воздействии на климат намного меньше, чем у парниковых газов. Однако, выпадая на белый -- чистый арктический снег, сажа в несколько раз увеличивает поглощение солнечного излучения (кроме того, сажа -- канцероген, который наносит прямой вред здоровью людей).

РЕЗЮМЕ

Проблема изменения климата -- это не миф, а реальность, к которой следует отнестись серьезно.

* В масштабе десятков тысяч лет Земля движется к похолоданию -- к новому ледниковому периоду, но в XXI-XXII веках ожидается глобальное потепление, вызванное деятельностью человека. Оно будет накладываться на естественную климатическую изменчивость -- какие-то десятилетия могут быть теплее, а какие-то холоднее.

* Основная опасность состоит не в потеплении как таковом, а в его последствиях -- разбалансировке климата и погоды, которая ведет к росту числа и интенсивности опасных гидрометеорологических явлений; повышению уровня Мирового океана; таянию многолетней мерзлоты и т.п.

* Людям, экономике, экосистемам необходима подготовка к таким изменениям, основанная на особенностях конкретного региона. Нужно понимание роли каждого человека, организации, города и региона в проблеме климата, а также знание и выполнение конкретных действий, как ослабляющих негативное влияние людей на климат (снижение выбросов парниковых газов, сажи, сохранение лесов и т.п.), так и позволяющих свести ущерб к минимуму (меры по адаптации).

-Сколько было ледниковых эр?

В истории Земли выделяются следующие ледниковые эры:

Раннепротерозойская -- 2,5--2 млрд лет назад

Позднепротерозойская -- 900--630 млн лет назад (см. Криогений)

Палеозойская -- 460--230 млн лет назад

Кайнозойская -- 65 млн лет назад -- настоящее время

-Влияют ли извержения вулканов на климат?

Роль вулканов в формировании климата очень важна, но краткосрочна. После извержений с выносом большого количества пепла и других частиц в стратосферу (если частицы не достигают стратосферы, то они быстро оседают) Земля на один-три года затеняется и температура на всей планете опускается примерно на 0,2-0,4 °С, что очень существенно.

Размещено на Allbest.ru