Table of Contents

Наука, стоящая за тепловыми куполами

Тепловой купол образуется, когда прочный гребень высокого давления становится почти неподвижным над областью в течение длительного периода, часто от нескольких дней до недель. Эта система высокого давления действует как крышка или купол, сжимая воздух под ним. Когда воздух сжимается, он нагревается адиабатически — это означает, что он нагревается просто из-за увеличения давления, а не от внешних источников тепла. Поглощающий воздух также препятствует образованию облаков, что означает, что небо остается чистым, а солнечное излучение льется прямо на поверхность, еще больше повышая температуры.

Струйный поток, лента быстро движущегося воздуха высоко в атмосфере, обычно направляет погодные системы с запада на восток. Во время события теплового купола струйный поток часто развивает выраженную волну или «блокирующий рисунок», который задерживает систему высокого давления на месте. Без влияния рулевого управления струйного потока система высокого давления упрямо сидит над областью, предотвращая движение более холодного воздуха и захватывая существующий теплый воздух. Этот процесс создает петлю обратной связи: чем горячее становится поверхность, тем сильнее становится система высокого давления, и чем больше тепла попадает в ловушку.

Вовлеченная атмосферная динамика хорошо документирована. Погружение воздуха в систему высокого давления подавляет вертикальное смешивание, что означает, что загрязняющие вещества и влага также попадают в ловушку вблизи земли. Это может привести к ухудшению качества воздуха и повышению влажности в некоторых случаях, усугубляя дискомфорт и риски для здоровья населения на земле.

Ключевые характеристики событий теплового купола

Несколько определяющих признаков отличают события теплового купола от обычных тепловых волн.Эти характеристики помогают метеорологам идентифицировать и прогнозировать такие события с большей точностью.

  • Настойчивость: Тепловые купола обычно длятся дольше, чем стандартные тепловые волны, часто сохраняясь в течение недели или дольше, потому что крупномасштабные атмосферные структуры, которые их поддерживают, медленно разрушаются.
  • Интенсивность: Температурные аномалии во время событий с тепловым куполом могут быть экстремальными, с дневными максимумами, побивающими давние рекорды с широкими границами. Ночные минимумы часто остаются повышенными, обеспечивая небольшое облегчение.
  • Географический масштаб: Один тепловой купол может покрывать огромную площадь, иногда миллионы квадратных километров, затрагивая одновременно несколько штатов, провинций или даже целые страны.
  • Блокирующий узор: Наличие атмосферного блокирующего узора в струйном потоке является обязательным условием. Блок препятствует выталкиванию теплового купола из региона преобладающими западными ветрами.
  • Сильное погружение воздуха создает температурную инверсию, где теплый воздух находится над более холодным воздухом вблизи поверхности. Эта инверсия действует как колпачок, предотвращая выход тепла вверх.

Глобальные последствия событий в тепловом куполе

Воздействие событий теплового купола имеет далеко идущие последствия и затрагивает почти все аспекты человеческих и природных систем.По мере повышения глобальной температуры эти события становятся все более частыми, более интенсивными и более продолжительными, усиливая их последствия.

Здоровье и смертность человека

Наиболее прямое и трагическое воздействие событий теплового купола оказывает на здоровье человека. Экстремальное тепло является одной из самых смертоносных природных опасностей, часто превышающей в данный год показатели смертности от ураганов, наводнений или торнадо. Организм обычно охлаждается через потоотделение, но когда влажность высокая и ночные температуры остаются повышенными, этот механизм становится неэффективным. Длительное воздействие экстремальной жары может привести к тепловому истощению, тепловому удару и обострению ранее существовавших состояний, таких как сердечно-сосудистые, респираторные и почечные заболевания.

Наибольшие риски представляют пожилые люди, живущие в одиночестве, люди с хроническими заболеваниями, работники на открытом воздухе, домохозяйства с низким доходом без кондиционера и нежилые люди. Городская среда усиливает эти опасности благодаря эффекту городского теплового острова, где бетон, асфальт и здания поглощают и повторно излучают тепло, делая города значительно жарче, чем окружающие сельские районы.

Заметным примером является Тихоокеанский северо-западный тепловой купол 2021 года, который произвел температуры 49,6 ° C (121,3 ° F) в Литтоне, Британская Колумбия, что пошатнуло национальный рекорд Канады почти на 5 ° C. В регионе, где кондиционеры относительно редки, произошло около 619 избыточных смертей в Британской Колумбии, Вашингтоне и Орегоне. Больницы были переполнены чрезвычайными ситуациями, связанными с жарой, и многие жертвы были найдены в домах без охлаждения.

Энергетическая инфраструктура и спрос

События в тепловом куполе создают огромную нагрузку на электрические сети, поскольку миллионы людей одновременно включают кондиционеры. Этот всплеск спроса может превышать мощность сети, что приводит к отключениям или отключениям в то время, когда охлаждение наиболее необходимо. На сам энергетический сектор также влияет: тепловые электростанции полагаются на воду для охлаждения, и если температура воды становится слишком высокой или уровень воды падает слишком низко, станции должны уменьшить выход или отключить. Линии передачи теряют эффективность при экстремальной жаре, а трансформаторы могут выйти из строя, поскольку температуры превышают их проектные характеристики.

Во время европейских тепловых волн 2022 года АЭС во Франции были вынуждены сократить выпуск, поскольку реки, используемые для охлаждения, были слишком теплыми. Это произошло в то время, когда спрос на электроэнергию для кондиционирования воздуха был на пике, создавая нестабильную ситуацию с энергоснабжением. Часто обсуждаются зимние штормовые отключения в Техасе 2021 года, но сеть штата также столкнулась с экстремальным давлением во время летних событий с тепловым куполом, когда спрос резко возрастает, опасно приближаясь к пределам предложения.

Водные ресурсы и засуха

Тепловые купола ускоряют испарение из почв, озер, водохранилищ и рек. В сочетании с отсутствием осадков - поскольку высокое давление подавляет количество осадков - это может быстро ухудшить условия засухи. Сельскохозяйственные регионы становятся пересохшими, требования к ирригации возрастают, а уровень воды в основных водохранилищах падает, влияя на выработку гидроэлектроэнергии и муниципальное водоснабжение.

В западных Соединенных Штатах сочетание событий с тепловым куполом и продолжительной засухой подтолкнуло систему реки Колорадо, источника воды для 40 миллионов человек, к критически низким уровням. Два крупнейших водохранилища в стране, озеро Мид и озеро Пауэлл, снизились до исторических минимумов, вызвав ограничения на использование воды и вызвав опасения по поводу долгосрочной водной безопасности. Аналогичные закономерности наблюдались в Средиземноморском регионе, Австралии и некоторых частях Южной Америки.

Лесные пожары и стресс экосистем

Экстремальная жара высыхает растительность, превращая леса и луга в трущобы. Когда событие теплового купола совпадает с сильными ветрами и низкой влажностью, создаются условия для больших, быстро движущихся лесных пожаров. Молния от сухих гроз, которые могут возникать даже без значительных осадков, может разжечь пожары в отдаленных районах. После начала эти пожары горят с большей интенсивностью и их труднее сдерживать, угрожая сообществам, разрушая среду обитания диких животных и выпуская огромное количество углекислого газа в атмосферу.

Тепловой купол 2021 года в западной части Северной Америки непосредственно предшествовал некоторым из самых разрушительных сезонов лесных пожаров в истории. Деревня Литтон, только что установившая тепловой рекорд Канады, была уничтожена лесным пожаром на следующий день. В Сибири события с тепловым куполом в последние годы способствовали огромным лесным пожарам в бореальных лесах, выпуская углерод, который веками хранился в вечной мерзлоте и ускоряя циклы обратной связи с климатом.

Экосистемы, которые не сгорают, все еще испытывают глубокий стресс. Тепловой стресс может вызвать широко распространенную гибель деревьев, обесцвечивание кораллов в морской среде и сдвиги в ареалах видов. Пресноводные экосистемы становятся теплее и содержат меньше растворенного кислорода, угрожая популяциям рыб. Мигрирующие образцы птиц и насекомых нарушаются, когда время сезонных событий становится несоответствующим.

Сельское хозяйство и производство продовольствия

Тепловые купольные события могут в считанные дни опустошить сельскохозяйственное производство. У таких культур, как кукуруза, соя, пшеница и рис, есть определенные температурные пороги, за которыми опыление не удается и урожайность резко падает. Тепловой стресс уменьшает заполнение зерна, ускоряет зрелость, приводящую к меньшим ядрам, и может вызвать прямой неурожай. Животноводство также страдает: тепловой стресс снижает потребление кормов, производство молока и увеличение веса, и может привести к массовой смертности в экстремальных явлениях.

В США "вспышка засухи" 2012 года, вызванная тепловым куполом, стала одним из самых разрушительных сельскохозяйственных событий в истории. Урожайность кукурузы упала более чем на 25%. Министерство сельского хозяйства США объявило о более чем 1000 районах стихийных бедствий. Мировые цены на зерно выросли, что повлияло на продовольственную безопасность в странах-импортерах. По мере увеличения частоты событий с тепловым куполом волатильность на сельскохозяйственных рынках, вероятно, будет расти, с каскадным воздействием на глобальные продовольственные системы.

Экономические издержки

Экономические потери от тепловых куполов огромны и многомерны. Прямые затраты включают увеличение расходов на здравоохранение, затраты на электроэнергию для охлаждения, аварийные службы, ущерб инфраструктуре (сцепление дорог в экстремальной жаре, деформация железнодорожных линий) и потерю производительности труда. Косвенные затраты включают снижение сельскохозяйственного производства, сокращение туризма, снижение розничного пешеходного движения и долгосрочные последствия для здоровья. Исследование 2023 года подсчитало, что экстремальные тепловые явления, вызванные климатом, стоили мировой экономике от 200 до 500 миллиардов долларов в год за последнее десятилетие.

Особенно большим фактором является потеря производительности труда. Работники в строительстве, сельском хозяйстве, логистике и производстве часто не могут безопасно выполнять свои обязанности во время экстремальных жарких явлений. Даже при перерывах в отдыхе и гидратации физический труд при температурах выше 38 ° C (100° F) становится опасным. Это потерянные производственные соединения по цепочкам поставок и может снизить рост ВВП в пострадавших регионах.

Региональные тематические исследования крупных событий в тепловом куполе

Тихоокеанский Северо-Западный тепловой купол 2021 года

Это событие является одним из наиболее изученных в исторической записи, потому что оно произошло в регионе с умеренным климатом, не подготовленным к экстремальной жаре. Тепловой купол был исключительным по своей интенсивности - температура превышала исторические записи с размахом, который климатологи считали практически невозможным до события. A ] Анализ распределения погоды в мире обнаружил, что событие было бы практически невозможным без антропогенного изменения климата, и что изменение климата сделало его по крайней мере в 150 раз более вероятным. Тепловой купол убил сотни людей, вызвал широкомасштабный отказ инфраструктуры и вызвал разрушительные лесные пожары.

Европейские тепловые волны 2022 года

В Европе летом 2022 года произошла серия интенсивных событий с тепловым куполом, каждое из которых было более серьезным, чем последнее. Великобритания зафиксировала свою первую температуру выше 40 ° C (104 ° F), порог, который казался немыслимым всего десять лет назад. Франция, Испания, Португалия и Италия зафиксировали несколько рекордов экстремальной жары. Тепловые события были связаны с более чем 60 000 избыточных смертей по всей Европе, согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature Medicine. Системы, предназначенные для более мягкого лета, включая проектирование зданий, транспортную инфраструктуру и возможности здравоохранения, были сильно напряжены.

Тепловые купола Южного полушария 2023 года

Тепловые купола не ограничиваются летним полушарием. В начале 2023 года рекордный тепловой купол затронул большие части Австралии, в некоторых местах температура превысила 47 °C (116,6 °F). Аргентина и Чили испытали в феврале длительный тепловой купол, причем Буэнос-Айрес видел самое жаркое начало февраля за более чем 100 лет. Эти события демонстрируют, что тепловые купола являются глобальным явлением, затрагивающим как развитые, так и развивающиеся страны на всех континентах.

Роль изменения климата

Изменение климата повышает базовую температуру, на которой строятся события теплового купола. Более теплый базовый климат означает, что при формировании теплового купола температуры могут достигать уровней, которые были бы крайне редкими или невозможными в доиндустриальных условиях. Физика проста: более теплая атмосфера удерживает больше тепла, а термодинамические условия, которые производят тепловые купола, становятся более благоприятными.

Также появляются свидетельства того, что изменение климата изменяет струйный поток таким образом, что делает тепловые купола более вероятными. Арктика нагревается быстрее, чем остальная часть планеты — явление, известное как арктическое усиление. Это уменьшает температурный градиент между полюсами и средними широтами, что может ослабить струйный поток и сделать его более склонным к волнистым, заблокированным моделям. Эти более медленные погодные системы — именно те условия, при которых тепловые купола развиваются и сохраняются.

Отчет Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) подтверждает, что тепловые волны и события с тепловым куполом увеличились по частоте и интенсивности в большинстве земельных регионов с 1950-х годов. При более высоких сценариях выбросов события, которые в настоящее время происходят один раз в 50 лет, могут стать событиями раз в десятилетие (или даже более частыми) к концу этого века. Самые экстремальные тепловые события, такие как Тихоокеанский северо-западный тепловой купол 2021 года, станут более распространенными по мере продолжения глобального потепления.

Стратегии адаптации и устойчивости

Хотя сокращение выбросов парниковых газов имеет важное значение для ограничения будущих рисков, адаптация является столь же неотложной. Сообщества должны готовиться к событиям с тепловым куполом, которые уже заблокированы из-за прошлых выбросов. Эффективные стратегии адаптации охватывают несколько областей.

Системы раннего предупреждения и общественные коммуникации

Точное прогнозирование образования тепловых куполов обеспечивает критическое время выполнения работ. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) и другие метеорологические агентства используют передовые модели для прогнозирования тепловых куполов за несколько дней до нескольких недель. Эти прогнозы должны быть переведены в четкие, действенные предупреждения общественности. Системы предупреждения о тепловом поведении, которые запускают конкретные действия - открытие центров охлаждения, продление часов общественного бассейна, выдача рекомендаций по вопросам здравоохранения и проведение проверок благосостояния уязвимых жителей - могут спасти жизни.

Городская инфраструктура и дизайн

Долгосрочная адаптация требует модернизации городов для снижения эффекта городского теплового острова. Стратегии включают увеличение покрытия навесов деревьев, установку зеленых крыш и отражающих (холодных) крыш, замену темного асфальта проницаемыми и отражающими тротуарами и создание сетей затененных общественных пространств. Строительные коды могут быть обновлены для того, чтобы требовать пассивных функций охлаждения, таких как улучшенная изоляция, затенение окон и естественная вентиляция. Для существующих зданий важно модернизация тепловыми насосами и кондиционирование воздуха, но это должно быть сопряжено с устойчивостью к сетке и доступом для семей с низким уровнем дохода.

Программы социальной защиты и сообщества

Тепло является тихим убийцей, который часто затрагивает изолированных лиц. Программы на базе сообществ, которые проверяют пожилых соседей, обеспечивают бесплатный транспорт в центры охлаждения и распределяют вентиляторы или кондиционеры для нуждающихся, могут резко снизить смертность. Коммунальные службы могут внедрять льготные тарифы на электроэнергию для клиентов с низким доходом во время чрезвычайных ситуаций с теплом, чтобы гарантировать, что они могут позволить себе работать с кондиционерами без финансовых трудностей. Также необходимы политики зонирования, которые требуют доступного жилья для включения инфраструктуры охлаждения.

Сельскохозяйственная адаптация

Фермеры могут адаптироваться к более частым событиям с тепловым куполом, меняя даты посадки, чтобы избежать самых жарких периодов, используя жаростойкие сорта сельскохозяйственных культур, повышая эффективность орошения и принимая регенеративные методы почвы, которые сохраняют влагу. Тень структуры для скота и улучшенная вентиляция в амбарах помогают защитить животных. Программы страхования урожая должны быть обновлены, чтобы отразить изменение профиля риска, и службы распространения должны обеспечить руководство по конкретным регионам.

Экосистемная адаптация

Защита и восстановление природных экосистем обеспечивает буфер от экстремальной жары. Водно-болотные угодья, леса и луга регулируют местный климат и обеспечивают тень и охлаждение. Прибрежные коридоры вдоль рек создают более прохладные микроклиматы. Мангровые леса и прибрежные водно-болотные угодья защищают от штормовых нагонов и обеспечивают теплоприют для дикой природы. Сохранение этих природных систем является экономически эффективной стратегией адаптации с многочисленными сопутствующими выгодами.

Взгляд в будущее

События в области тепловых куполов будут продолжать усиливаться до тех пор, пока будут расти концентрации парниковых газов. Каждое увеличение потепления приводит к измеримому увеличению вероятности и тяжести этих событий. Перед мировым сообществом стоит двойная задача: быстрое сокращение выбросов во избежание самых экстремальных исходов, одновременно инвестируя в адаптацию для защиты наиболее уязвимых групп населения в ближайшей перспективе.

Растет международное сотрудничество в области мониторинга тепловых рисков, систем раннего предупреждения и обмена знаниями. Всемирная метеорологическая организация и национальные метеорологические службы расширяют свои возможности по прогнозированию и информированию о тепловых рисках. Градостроители, должностные лица в области общественного здравоохранения и сельскохозяйственные эксперты интегрируют устойчивость к тепловым воздействиям в свою стандартную практику. Но темпы действий должны ускоряться, чтобы соответствовать темпам роста рисков, связанных с тепловыми куполами.

Для отдельных лиц важно понимать риски и готовить личные планы действий в области теплоснабжения. Это включает в себя знание признаков болезней, связанных с теплом, обеспечение доступа к охлаждению, увлажнение и проверку соседей. Для общин и наций работа заключается в создании систем, которые защищают всех, особенно тех, кто наиболее уязвим. Наука о тепловых куполах ясна; вопрос теперь в том, как быстро мы можем перевести эти знания в эффективные действия.