Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать неотразимый комплимент Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?

Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






Природа и сущность климатических колебаний





1.1 Характеристика климата Земли

Термин «климат» был впервые предложен древнегреческим астрономом и географом Гиппархом Никейским ( от греч. «уклон» - имеется в виду угол падения солнечных лучей). Данным понятием определяют гидрометеорологический режим планетарного масштаба [1]. Климат Земли в целом – макроклимат, климат отдельной территории - мезоклимат. Изучением климата занимается наука климатология, отрасль метеорологии.

Климат изучается путем многолетних наблюдений за погодой – в первую очередь замеряются температуры воздуха, влажность и атмосферное давление. Из них выводятся тренды и закономерности климатических изменений. Многолетние средние значения климатических показателей, их суммы и периоды повторяемости считаются климатическими нормами. Соответственно, несовпадения с ними являются климатическими отклонениями.

Существует несколько классификаций климатов. В России используется классификация, основанная на особенностях циркуляции атмосферы, которая была предложена советским климатологом Б.П.Алисовым. Согласно этой классификации, каждое полушарие делится на четыре климатических пояса: экваториальный, тропический, умеренный и полярный (арктический в Северном полушарии или антарктический в Южном). Между основными поясами находятся переходные – субэкваториальный, субтропический, а также субарктический или субантарктический [3].

В пределах поясов выделяют четыре типа климата: континентальный, морской, климат западных и климат восточных берегов. Континентальный климат формируется под действием больших массивов суши и характеризуется большими внутригодовыми перепадами температур. Морской климат формируется под действием морских и океанических воздушных масс, летние и зимние температуры здесь различаются не так резко. Муссонный климат формируется благодаря смене направления муссонов.

В зависимости от влажности или рельефа местности выделяют горный, аридный (пустынный), гумидный (с избыточной увлажненностью) и нивальный (с избытком твердых осадков) климаты.



1.2 Факторы, влияющие на климат

К климатообразующим факторам можно отнести широкий спектр естественных и антропогенных процессов. Важнейшие из них:

а) Солнечная активность

Основной источник энергии на земле – солнечное излучение. В среднем на верхней границе атмосферы количество солнечной радиации составляет 1366Вт/м2 [1]. Однако солнечное излучение непостоянно, оно подвержено циклическим изменениям.

11-летний цикл был открыт в первой половине 19 века немецким астрономом Г. Швабе. Данный цикл характеризуется быстрым (примерно 4 года) увеличением количества солнечных пятен и последующим более медленным (около 7 лет) его уменьшением. В результате современных космических наблюдений было выяснено, что за время цикла солнечная светимость изменяется в пределах 0,1 % или 1,3Вт/м2 [1].

22-летний цикл по сути является удвоенным циклом Швабе. Было замечено, что за после каждого 11-летнего цикла магнитное поле Солнца меняет знак. То есть, к исходному состоянию система возвращается примерно за 22 года.

Можно наблюдать вековой, двухвековой циклы. Предположительно, существует цикл с периодичностью в 2300 лет

Широко известен Минимум Маундера – период с 1645 по 1717год, когда количество солнечных пятен уменьшилось в 1000 раз (всего 50 пятен при норме в 40-50 тысяч). Он является минимумом двухвекового цикла. В этот период наблюдалось сильное похолодание, хотя некоторыми учеными оспаривается связь между этими двумя событиями.

б) Действие вулканов

Традиционно считается, что изменение климата происходит из-за попадания в атмосферу вулканического пепла, который препятствует прохождению солнечных лучей. Это не совсем так. При извержении вулканов в атмосферу выбрасывается множество продуктов извержения, из которых на климат наибольшее воздействие имеет сернистый ангидрид. Пепел быстро оседает, а SO2 реагирует с парами воды и образует плотный туман серной кислоты, который может сохраняться в стратосфере 3-4 года [1]. Этот туман отражает солнечное излучение в межзвездное пространство. Таким образом, климатический баланс резко смещается в сторону похолодания.

Для измерения силы извержения используется показатель вулканической эксплозивности, который основан на оценке высоты пеплового столба и объема извергнутых продуктов. Показатель изменяется от 0 до 8, соседние показатели различаются в 10 раз [6]. То есть, извержение в 3 балла в 10 раз сильнее, чем 2-балльное. Заметное похолодание в планетарном масштабе могут вызывать извержения в 6 баллов и более. Рассмотрим несколько примеров.

В 1991 году произошло извержение вулкана Пинатубо на острове Лусон (Филиппины). Объем выбросов составил около 10 км3 (Рисунок 1). Из-за выбросов пепла территория в 125 000 км2 на несколько часов погрузилась в полный мрак. Последствия извержения ощущались по всему миру. Было зафиксировано глобальное падение температуры на 0,5˚C.

Катастрофическое извержение вулкана Уайнапутина (Перу) 19 февраля 1600 года вызвало глобальное похолодание и, предположительно, явилось причиной Великого голода 1601-1603 года в России и, как следствие, одной из причин, вызвавших Смутное время.



В 1815 году на острове Сумбава произошло извержение вулкана Тамбора, которому была присвоена оценка в 7 баллов [6]. Данное извержение считается самым катастрофическим в истории человечества. Энергия извержения была эквивалентна взрыву 800 мегатонн тротила. Было выброшено 150-180 кубических километров материала. На острова Индонезии обрушились волны цунами, достигавшие 4 метров в высоту. Общее число погибших составило около 50 – 90 тыс. человек.

Рисунок 1 - Извержение вулкана Пинатубо [7]
Объемы выбросов серы составили 10 – 120 млн. тонн. Средняя глобальная температура понизилась на 0,4 – 0,7˚C, а в некоторых областях на 3-5˚C. 1816 год был прозван «год без лета». Урожаи были погублены. Начался голод. 1810-е стали самым холодным десятилетием в истории.

Но в истории Земли известны и более значительные извержения. 8-ю баллами (то есть высшей оценкой) измеряются извержения вулканов Таупо (27 тыс. лет назад) [6], Tоба (70 тыс. лет назад) и Йеллоустон (2,1 млн. лет назад).

Таким образом, деятельность вулканов является самым опасным фактором, влияющим на климат. Извержения непредсказуемы, но при этом они могут серьезно изменять глобальный климат.

в) Парниковый эффект

Парниковый эффект – повышение температуры нижних слоев атмосферы за счет снижения прозрачности атмосферы для отраженного от поверхности Земли излучения. Одни газы – азот, кислород, - прозрачны для излучений, идущих в обе стороны – как для идущих из космоса, так и для отраженных поверхностью Земли . Другие же – метан углекислый газ, озон, - прозрачны лишь для космического излучения [2].

Для озона требуется пояснение: озон в атмосфере различают стратосферный и тропосферный. Стратосферный озон необходим для жизни, так как образует так называемый озоновый слой, являющийся защитой от вредного излучения. Тропосферный озон, наоборот, вреден, так как токсичен для живых существ и является парниковым газом.

Однако основным парниковым газом является водяной пар. Именно на него приходится более 60% эффекта. Более того, парниковый эффект, вызывая нагрев нижних слоев атмосферы, тем самым вызывает еще большее испарение воды, что усиливает парниковый эффект. Образуется положительная обратная связь.

Углекислый газ является вторым по значению парниковым газом. Его содержание в атмосфере составляет около 0, 04%. Этот газ не только отражает идущее от Земли инфракрасное излучение, но и, будучи тяжелее воздуха, изменяет распределение давлений у поверхности Земли, что также приводит к увеличению температуры нижних слоев атмосферы. Естественными источниками углекислого газа в атмосфере Земли являются перегнивание органики на суше и в море, пожары и вулканическая активность. Антропогенное же воздействие на содержание CO2 характеризуется активным сжиганием биомассы и ископаемого топлива.

Метана в атмосфере Земли меньше, чем CO2, но он является в 34 раза более сильным парниковым газом чем углекислый газ (в расчете на 100 лет). Основными источниками метана являются пищеварительная ферментация животных, горение лесов, утечки природного газа и рисоводство. На данный момент концентрация метана в атмосфере наибольшая за последние 400 000 лет. К счастью, в атмосфере он задерживается не более чем на 10 лет.

Еще более активными парниковыми газами являются оксиды азота и фреоны, но благодаря низкому содержанию в атмосфере их роль в парниковом эффекте незначительна.

Содержание парниковых газов в атмосфере составляет менее 0,5%, однако именно благодаря парниковому эффекту климат Земли благоприятен для жизни человека – при отсутствии этого эффекта средняя глобальная температура составила бы -18˚С [2].

г) Альбедо земной поверхности

Альбедо – характеристика отражательной способности поверхности. Поскольку тепловой режим Земли напрямую зависит от количества полученной ею солнечной энергии, следует учитывать как пришедшее, так и отраженное земной поверхностью излучение.

Наибольшую отражательную способность имеют поверхности белого цвета, к коим, в частности, относятся ледники, снежники, полярные шапки.

Чем больше солнечного излучения отражает поверхность, тем меньше тепла она получает. Соответственно, чем выше альбедо земной поверхности, тем ниже ее температура. А понижение температуры приводит к росту ледников и увеличению площади снежного покрова, что еще больше увеличивает альбедо поверхности. Образуется положительная обратная связь. Данная зависимость действует и в обратном направлении – с таянием ледников и понижением альбедо поверхности повышается температура и таяние происходит еще быстрее [2].

д) Эль-Ниньо

Эль-Ниньо, или Южная осцилляция – процесс перемещения теплых вод в Тихом океане [6]. В обычном состоянии в восточной части Тихого океана давление высокое, а поверхностные воды холодные (Перуанское течение несет с юга холодную воду, а пассаты сдувают теплую на запад), а в западной части океана наоборот – давление низкое, вода теплая. Таким образом, разность высот между западной и восточной частями Тихого океана может достигать 60 см. Именно Перуанское течение формирует холодный и сухой климат западного побережья Южной Америки. В холодном Перуанском течении за счет апвеллинга богатых органикой вод создаются идеальные условия для жизни планктона, планктоном питается анчоус, анчоусом питается более крупная рыба и морские птицы [8]. Кроме того, анчоус составляет основу экспорта Перу, почти весь улов отправляется за границу, где идет на удобрения и на корм скоту.

Однако с приходом Эль-Ниньо все меняется. Перуанское течение ослабевает, пассаты тоже, теплая вода из западной части Тихого океана начинает двигаться на восток. Тогда на западном побережье Южной Америки устанавливается теплая погода, в пустыне Атакама идут дожди, а на некоторых территориях континента случаются наводнения [6]. Анчоус массово гибнет, а вместе с ним гибнет другая рыба и морские птицы. В Индонезии, северной Австралии и на Филиппинах снижается влажность. В восточной Африке выпадают осадки, в Южной и Центральной начинаются засухи. Ослабевают атлантические ураганы. Эль-Ниньо часто приводит к эпидемиям.

В XX веке сильнейшее Эль-Ниньо было зафиксировано в 1998 году.

е) Циркуляция атмосферы

Рисунок 2 - Основные паттерны атмосферной циркуляции [6]  

Циркуляция атмосферы это глобальное движение воздушных масс над земной поверхностью (Рисунок 2). Она обусловлена неравномерностью распределения атмосферного давления, что, в свою очередь, зависит от прогревания поверхности Земли. Из областей повышенного давления воздушные массы движутся к областям пониженного давления. Низкое давление образуется в хорошо прогреваемых территориях, так как нагретый воздух имеет меньшую плотность и поднимается в более высокие слои атмосферы. В тропосфере к элементам циркуляции атмосферы относятся пассаты, муссоны, циклоны и антициклоны.

В результате вращения земли вокруг своей оси на воздушные массы действует сила Кориолиса, отклоняя движение воздуха (от экватора к тропикам) к западу. Так возникают пассаты - ветра, круглый год дующие между тропиками (в Южном полушарии с юго-востока, в Северном – с северо-востока) [6]. Между ними тянется полоса безветрия, которая смещается на протяжении года в зависимости от взаимного расположения Земли и Солнца.

Муссоны – ветра, движущиеся в зависимости от времени года либо с океана на сушу (летом), либо с суши на океан (зимой). Это явление связано с разностью давлений между сушей и океаном, вызванной разностью их температур. Летом суша быстро прогревается, над ней создается область низкого давления. Океан прогревается медленнее, воздух над ним холоднее и давление выше. Поэтому воздушные массы перемещаются из области высокого давления в область низкого, возникает ветер, дующий с океана на сушу. Зимой же все происходит наоборот: суша охлаждается, а океан остается теплым, и ветер дует с суши на океан.

Циклон – атмосферный вихрь огромного диаметра с пониженным давлением воздуха. Циклоны возникают благодаря силе Кориолиса и могут достигать нескольких тысяч километров в диаметре. Различают два типа циклонов – тропические и внетропические. Тропические циклоны образуются в тропических широтах, они обычно имеют меньший диаметр - от 100 до 1000 километров, и являются более интенсивными, чем внетропические (Рисунок 3). Внетропические циклоны формируются в умеренных и полярных широтах, имеют диаметр до нескольких тысяч километров. Южные внетропические циклоны зачастую обладают колоссальной энергией,

вызывая в средней полосе России сильнейшие грозы и шквалы. Вблизи экватора циклоны не формируются. Общее число циклонов, формирующихся по всему миру, составляет примерно 90 в год [6].

Рисунок 3 - Тропический циклон Яло [7]
Антициклон – напротив, область повышенного давления. Наиболее мощные антициклоны формируются над тропиками и ледовыми покровами, причем чем мощнее покров, тем сильнее будет антициклон. Зимой антициклон приносит ясную, безветренную и морозную погоду без осадков, летом же – сухую и жаркую погоду. Наиболее опасны так называемые блокирующие антициклоны. Это мощные и неподвижные антициклоны, не допускающие на занятую ими территорию другие воздушные массы. Летом это приводит к возникновению лесных пожаров. Обычно блокирующие антициклоны существуют не более 15 суток, но известны случаи, когда такой антициклон держался более 2 месяцев.

Благодаря циркуляции атмосферы воздушные массы над земной поверхностью постоянно перемешиваются, перераспределяются давление, температура, влажность воздуха и количество осадков.

1.3 Цикличность изменения климата

Для каждого региона существует свой климатический режим, который не сильно изменяется на протяжении человеческой жизни. Однако в долговременной перспективе климат может сильно колебаться даже в рамках отдельно взятого региона. Существуют природные климатические циклы. Рассмотрим их подробнее:

27 дней - незначительные вариации, связанные с вращением Солнца вокруг своей оси.

3-8 лет – цикл, связанный с явлением Южной осцилляции (Эль-Ниньо), рассмотренным выше.

11 лет – цикл, связанный с рассмотренным выше циклом Швабе.

26, 41, 100 тыс. лет – циклы Миланковича. Были открыты сербским астрономом Милутином Миланковичем в 1930г. Эти циклы связаны с положением Земли относительно Солнца [3].

26 000-летний цикл определяется прецессией земной оси. Прецессия – поворот земной оси по окружности. В результате прецессии меняется соотношение излучений, полученных Северным и Южным полушариями.

41 000-летний цикл определяет угол наклона земной оси относительно плоскости орбиты. Угол меняется благодаря гравитационному воздействию других планет. Чем больше угол, тем выше разность температур между летними и зимними периодами.

100 000-летний цикл определяется колебаниями эксцентриситета. Эксцентриситет – степень отклонения орбиты вращения Земли вокруг Солнца от окружности. Чем ближе орбита к окружности, тем равномернее количество тепла, получаемого земной поверхностью на протяжении года. Соответственно, при эллиптической орбите в течение оборота Земли вокруг Солнца меняется расстояние между ними, поэтому тепло распределяется неравномерно. Если наиболее близкое к Солнцу положение Земли (перигелий) приходится на зимнее солнцестояние в северном полушарии, то лето в нем становится более длительным и прохладным, что способствует развитию оледенения.

1.4 Влияние климата на человека и его деятельность

а) Влияние на сельское хозяйство

Климат формирует индивидуальные, характерные для конкретной местности условия – ветровой, световой, тепловой режимы, режим увлажненности, влияет на состав атмосферы и количество солнечной радиации, приходящейся на участок земной поверхности. Для ведения сельского хозяйства необходимо определенное соотношение всех этих условий.

Растениям нужна солнечная энергия и влага. Для синтеза единицы сухого вещества требуется 200-1000 единиц воды [8]. Часть солнечной энергии, попадающей на поверхность растения (2-4%) идет на синтез веществ, остальная энергия используется для транспирации (движения воды в растениях и ее испарения) или отражается в атмосфере. Соответственно при изменении увлажненности, освещенности и других параметров – как их уменьшение, так и увеличение - может привести к снижению урожайности или ее увеличению. Все зависит от конкретных условий региона, методов ведения сельского хозяйства, выращиваемых культур.

На животноводство воздействие климата менее выражено, в основном это изменение площади пастбищ и теплового режима.

б) Влияние на лесное хозяйство

На лесное хозяйство климат действует схожим образом. В конечном итоге степень воздействия зависит от конкретных условий произрастания лесного массива.

При потеплении замедляется рост северных лесов, а повышение концентрации CO2 в 2 раза приведет к сокращению их на 40% [8]. Кроме того, повышение температуры способствует росту численности вредителей, что также ведет к сокращению лесных массивов. Так, в Британской Колумбии (Канада) за последние 15 лет жуком-лубоедом было поражено 180 тысяч квадратных километров сосновых лесов.

в) Влияние на энергетику

Наиболее чувствительна к климатическим факторам гидроэнергетика. В результате засух производство энергии на гидроэлектростанциях падает. От освещенности и ветрового режима зависит производительность гелио- и ветроэнергетических ресурсов.

Также на энергетику влияет степень и характер освещенности, температурный и ветровой режимы – от них зависит потребление и распределение энергии.

Большое количество энергии расходуется на производство продуктов питания: 17% от общего количества в развитых странах, 30-60% в развивающихся [8]. При необходимости ведения сельскохозяйственной деятельности с использованием ирригации потребление энергии возрастает на 40%.

г) Влияние на водное и рыбное хозяйство

Климат влияет на гидрологический режим рек и озер, на соленость морей, на работу водохозяйственных сооружений, что, в свою очередь, оказывает влияние на жизнь населяющих водоемы живых организмов, в том числе и имеющих промысловое значение. Например, растворение углекислого газа в океанической воде влияет на ее химические и физические свойства, что в свою очередь влияет на поголовье и ареал распространения рыбы. В северных широтах потепление благотворно скажется на рыболовстве за счет расширения ареала и увеличения кормовой базы [8].

Однако куда сильнее на рыбный промысел влияет Эль-Ниньо. При данном явлении миллионы тонн анчоуса, более крупной рыбы и птиц гибнет у западного побережья Южной Америки.

д) Влияние на здоровье человека

Климат также может воздействовать на человека напрямую. Неблагоприятны для человека резкие изменения температуры и атмосферного давления, высокая скорость ветра, очень высокие или очень низкие температуры, длительные дожди и туманы и так далее. Климатические условия определяют уровень двигательной активности человека, его потребность в пище, психологическое состояние.

Высокая температура повышает риск возникновения сердечнососудистых заболевания, вызывает нарушения водно-солевого баланса, тепловую лихорадку. Также повышение температуры увеличивает риск распространения эпидемий.

Повышенный уровень солнечной радиации часто является причиной рака кожи [8].

 






Date: 2016-05-17; view: 215; Нарушение авторских прав

mydocx.ru - 2015-2019 year. (0.009 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию