Table of Contents

Естественная изменчивость климата охватывает врожденные колебания и колебания в климатической системе Земли, которые возникают из естественных процессов, полностью независимых от действий человека. Эти изменения охватывают широкий диапазон временных масштабов, от сезонных сдвигов, длящихся месяцы, до изменений в тысячелетнем масштабе, разворачивающихся в течение тысяч лет. Они обусловлены сложным взаимодействием между внутренней динамикой в климатической системе - такими как взаимодействие океана и атмосферы - и внешними воздействиями, такими как извержения вулканов, изменения солнечной радиации и медленные изменения орбитальных параметров Земли. Понимание этих естественных колебаний имеет решающее значение не только для науки о климате, но и для точного отличия их от антропогенного изменения климата. Без четкого понимания естественной изменчивости невозможно правильно интерпретировать наблюдаемые климатические модели, предсказать будущие изменения или разработать эффективную политику для смягчения и адаптации.

Отличие естественной изменчивости климата от антропогенного изменения климата

Одна из фундаментальных проблем в науке о климате - это дифференциация между естественной изменчивостью климата и антропогенным (вызванным человеком) изменением климата. Естественная изменчивость обусловлена хорошо известными явлениями, такими как Эль-Ниньо - Южное колебание (ENSO), извержения вулканов, высвобождающие аэрозоли, которые временно охлаждают атмосферу, и колебания солнечной активности. Эти события вызывают временное потепление или эффекты охлаждения, которые обычно длятся от нескольких месяцев до нескольких десятилетий. С другой стороны, антропогенное изменение климата является результатом в основном увеличения концентрации парниковых газов - таких как углекислый газ, метан и закись азота - из-за сжигания ископаемого топлива, изменений в землепользовании и промышленных процессов. Эта тенденция потепления, управляемая человеком, является постоянной и долгосрочной, наложенной на фоне природных циклов.

В Шестом оценочном докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) однозначно делается вывод о том, что быстрый рост глобальной температуры, наблюдаемый с середины 20-го века, является преимущественно результатом деятельности человека. Однако естественная изменчивость по-прежнему играет решающую роль, модулируя краткосрочные климатические тенденции. Например, сильное событие Эль-Ниньо может временно усиливать глобальные температуры на долю градуса Цельсия, в то время как крупное извержение вулкана может вызвать кратковременное охлаждение. Эти наложенные сигналы могут затруднить обнаружение основных тенденций без тщательного статистического и физического анализа. Отличие относительного вклада имеет жизненно важное значение для точного моделирования климата, прогнозирования и формулирования политики.

Основные движущие силы природной изменчивости климата

Естественная изменчивость климата возникает как из динамики внутренней климатической системы, так и из внешних воздействий. Внутренняя изменчивость включает взаимодействия между атмосферой, океанами, криосферой (ледом) и биосферой, в то время как внешние воздействия происходят из-за изменений солнечной энергии, вулканической активности и орбитальных параметров. Ниже мы подробно исследуем наиболее влиятельные драйверы.

Солнечная изменчивость

Солнце является основным источником энергии Земли, но его выход не является постоянным с течением времени. Солнечное излучение колеблется в основном в течение примерно 11-летнего цикла Швабе, обусловленного изменениями активности солнечных пятен. Во время солнечных максимумов, когда солнечные пятна в изобилии, солнечное излучение может увеличиться примерно на 0,1%, слегка нагревая поверхность Земли. Хотя это изменение может показаться небольшим, оно оказывает измеримое влияние на климатические модели, особенно в региональных масштабах и в течение многовековых периодов.

Исторически, длительные периоды низкой солнечной активности, такие как минимум Маундера (1645-1715), совпали с более холодными глобальными температурами, способствуя таким эпизодам, как Малый ледниковый период. Однако текущие исследования показывают, что только изменения солнечной выработки не могут объяснить быстрое потепление, наблюдаемое за последнее столетие. Климатический веб-сайт НАСА предлагает доступные ресурсы, сравнивающие солнечную изменчивость с другими климатическими воздействиями.

Вулканические извержения

Вулканические извержения являются мощными природными явлениями, которые могут значительно влиять на климат, вводя большие объемы диоксида серы (SO2) и частиц пепла в стратосферу. SO2 реагирует на образование сульфатных аэрозолей, которые отражают поступающее солнечное излучение, что приводит к поверхностному охлаждению, которое обычно длится от одного до трех лет. Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году является ярким примером, вызывающим глобальное снижение температуры примерно на 0,5 ° C (0,9 ° F) в течение примерно двух лет.

Более редкие и катастрофические «суперизвержения» могут вызывать длительное охлаждение, длящееся десятилетиями или дольше. Вулканическое воздействие таким образом действует как естественное возмущение, которое помогает ученым понять чувствительность климатической системы и обратную связь. Эти события могут временно замаскировать основную тенденцию потепления из-за парниковых газов, усложняя краткосрочный анализ климата.

Взаимодействие океан-атмосфера: ENSO, PDO и AMO

Океаны хранят огромное количество тепла и углерода, что делает взаимодействия океана и атмосферы основным источником естественной изменчивости климата. Эль-Ниньо-южное колебание (ENSO) является наиболее известным из этих явлений, характеризующихся периодическим потеплением (El Niño) и охлаждением (La Niña) центральной и восточной тропической части Тихого океана. События ENSO глубоко влияют на глобальные погодные условия, влияя на осадки, засухи и температурные аномалии во всем мире.

В более длительных временных рамках два других океанических колебания - Тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO) и Атлантическое многовековое колебание (AMO) - меняют температурные модели океана в течение десятилетий. PDO влияет на климатические условия в основном в северной части Тихого океана и прилегающих земельных районах, влияя на рыболовство, частоту засухи и риск лесных пожаров. AMO изменяет температуру поверхности моря в Северной Атлантике, модулируя активность ураганов и осадки в Северной Америке, Европе и частях Африки. Эти колебания могут либо усиливать, либо ослаблять региональные климатические тенденции и играть важную роль в изменчивости температуры и осадков в течение десятилетних периодов.

Внутренние механизмы обратной связи с климатом

Естественная изменчивость далее формируется процессами обратной связи в климатической системе, которые могут либо усиливать (положительная обратная связь) или ослаблять (отрицательная обратная связь) климатические реакции. Классическим примером является обратная связь лед-альбедо: по мере повышения глобальной температуры таяние льда подвергает более темные поверхности суши или океана, которые поглощают больше солнечного излучения, что еще больше усиливает потепление. И наоборот, увеличенный облачный покров может отражать солнечный свет и охлаждать поверхность, хотя обратная связь с облаком остается одной из самых больших неопределенностей в науке о климате.

Изменения в растительности также способствуют обратной связи, изменяя отражательную способность поверхности, скорость эвапотранспирации и хранение углерода.Врожденная сложность и хаотический характер этих обратных связей означают, что климатическая система естественным образом проявляет изменчивость даже при отсутствии внешнего воздействия, что добавляет к проблеме интерпретации наблюдаемых изменений климата.

Сроки естественной изменчивости климата

Естественная изменчивость климата действует в широком спектре временных рамок, каждая из которых характеризуется различными механизмами и воздействиями на окружающую среду и общество. Понимание этих временных рамок имеет важное значение для учета недавних изменений климата в контексте и улучшения прогнозных возможностей.

  • Годовые (1-10 лет): Доминируют такие явления, как ENSO, извержения вулканов и сезонные колебания погоды. Эти краткосрочные колебания сильно влияют на производительность сельского хозяйства, водные ресурсы и риск бедствий во всем мире.
  • Декадальный (10-30 лет): Характеризуется колебаниями, такими как PDO и AMO, которые модулируют температуру, осадки и штормовые модели в течение длительных периодов и больших географических районах.
  • Столетие к тысячелетию (100-1000 лет): Движимые комбинациями солнечной изменчивости, кластеров вулканической активности и медленных изменений циркуляции океана. Известные примеры включают Средневековый теплый период (~950-1250 н.э.) и Малый ледниковый период (~1300-1850 н.э.), которые сформировали исторические человеческие общества и экосистемы.
  • Орбитальные временные рамки (10 000–100 000 лет): Циклы Миланковича — изменения эксцентриситета орбиты Земли, осевого наклона и прецессии — контролируют сроки ледниковых периодов и межледниковых периодов. Эти медленные циклы лежат в основе основных ледниково-межледниковых климатических сдвигов планеты, но слишком постепенны, чтобы объяснить недавние тенденции быстрого потепления.

Современные реконструкции палеоклимата с использованием ледяных кернов, древесных колец, слоев осадков и коралловых записей показывают, что нынешние темпы глобального потепления беспрецедентны по крайней мере за последние 2000 лет, что намного превышает диапазон естественной изменчивости, наблюдаемой в течение этого периода. Это подчеркивает доминирующее влияние антропогенных выбросов парниковых газов в движущей силе современного изменения климата.

Долгосрочное воздействие природной изменчивости климата на экосистемы и человеческие общества

На протяжении всей истории Земли естественная изменчивость климата оказала глубокое влияние на экосистемы, биоразнообразие и человеческую цивилизацию. Эти прошлые колебания дают ценную информацию о потенциальных реакциях и уязвимости, с которыми сталкиваются общества в нынешних и будущих климатических условиях.

Сдвиги биоразнообразия и миграция видов

Долгосрочные естественные изменения климата неоднократно меняли распределение видов и структуру биоразнообразия.В теплые межледниковые периоды леса расширялись в сторону полюса и до более высоких высот, в то время как более холодные ледниковые периоды заставляли многие виды выживать в изолированных рефугиях, где они выживали в более благоприятных микроклиматах.Этот динамический процесс приводил к видообразованию, вымиранию и реорганизации экосистем.

В более короткие сроки такие события, как ENSO, вызывают быстрые экологические реакции. Например, условия Эль-Ниньо часто приводят к снижению продуктивности морской среды, вызывая вымирание морских птиц и обрушение рыболовства. Наземные растения могут изменять свое время цветения и темпы роста в ответ на изменение моделей осадков и температуры. Однако беспрецедентная скорость современного изменения климата создает серьезные проблемы для способности многих видов мигрировать или адаптироваться, особенно в фрагментированных ландшафтах, затронутых развитием человека. Поэтому усилия по сохранению должны учитывать комбинированные эффекты естественной изменчивости и антропогенного давления.

Сельское хозяйство и продовольственная безопасность

Историческая изменчивость климата всегда влияла на производительность сельского хозяйства и продовольственную безопасность.Средневековый теплый период позволил земледелию в северных регионах Европы в настоящее время слишком холодным для выращивания, в то время как Малый ледниковый период принес более прохладные температуры и более короткие вегетационные периоды, которые способствовали голоду и социальным потрясениям.

Сегодня межгодовая изменчивость, обусловленная ENSO, существенно влияет на урожайность во всем мире: Эль-Ниньо часто вызывает засухи в Юго-Восточной Азии и Австралии, принося сильные дожди в части Южной Америки. Эти колебания бросают вызов фермерам, которые должны адаптировать даты посадки, сорта сельскохозяйственных культур и методы орошения, чтобы минимизировать потери. Портал NAA Climate.gov подчеркивает, как взаимодействие естественной изменчивости и долгосрочного потепления создает новые сельскохозяйственные риски, которые требуют инновационных подходов к управлению и политике.

Водные ресурсы и гидрологические циклы

Климатическая изменчивость сильно влияет на характер осадков, потоки рек и подпитку подземных вод, непосредственно влияя на доступность воды. Например, циклы засухи на американском Западе модулируются PDO: его положительная фаза имеет тенденцию к сокращению осадков на юго-западе Соединенных Штатов, усиливая условия засухи. Аналогичным образом, AMO влияет на десятилетнюю изменчивость осадков в регионе Сахеля Африки, где сдвиги между влажными и сухими периодами имеют глубокие последствия для водоснабжения и сельского хозяйства.

Поэтому эффективное управление водными ресурсами должно включать в себя знание этих природных колебаний наряду с прогнозами антропогенного изменения климата, которое, как ожидается, увеличит частоту и тяжесть как засух, так и наводнений во многих регионах.

Экстремальные погодные условия

Естественная изменчивость климата существенно влияет на частоту, интенсивность и распределение экстремальных погодных явлений. Например, Эль-Ниньо имеет тенденцию увеличивать вероятность сильных осадков и наводнений в некоторых частях Южной Америки, одновременно способствуя засухе в Австралии и Юго-Восточной Азии. События Ла-Нинья обычно усиливают активность атлантических ураганов, увеличивая риск разрушительных штормов в Карибском бассейне и юго-восточной части Соединенных Штатов.

Извержения вулканов могут нарушить муссонный режим и временно снизить активность тропических циклонов. Хотя достижения в области атрибуции позволяют исследователям связывать некоторые экстремальные явления с антропогенным изменением климата, естественная изменчивость остается доминирующим влиянием на годичные экстремальные явления. Улучшение сезонного прогнозирования этих колебаний имеет решающее значение для готовности к стихийным бедствиям и усилий по укреплению устойчивости во всем мире.

Изменения в климатических зонах за тысячелетие

На протяжении веков и тысячелетий естественная изменчивость климата может привести к тому, что целые климатические зоны мигрируют географически. Во время климатического максимума голоцена (~ 9000-5000 лет назад) пустыня Сахара была пышным зеленым регионом, усеянным озерами и лугопастбищами, поддерживающими различные человеческие культуры. Орбитальные изменения солнечной инсоляции и обратные связи постепенно изменили эту озеленение, что привело к засушливому пустынному ландшафту, признанному сегодня.

В настоящее время антропогенное потепление ведет климатические зоны к полюсу со скоростью, потенциально превышающей естественные скорости миграции, угрожая экосистемам и человеческим сообществам, адаптированным к стабильному климату. Понимание прошлых сдвигов климатической зоны обеспечивает существенный контекст для прогнозирования будущих изменений окружающей среды и руководящих стратегий сохранения и адаптации.

Проблемы атрибуции: разделение естественного и человеческого влияния

Привлечение наблюдаемых изменений климата и конкретных экстремальных явлений к естественной изменчивости по сравнению с человеческими причинами остается крупным научным предприятием.Перекрывающиеся эффекты внутренних колебаний, внешних естественных воздействий и антропогенных выбросов создают сложный сигнал, который требует сложных статистических методов, климатических моделей и данных наблюдений.

Климатологи используют исследования по выявлению и атрибуции для количественной оценки относительного вклада природных и человеческих факторов. Эти исследования применяют климатические модели для моделирования сценариев с человеческим влиянием и без него, сравнивая результаты с наблюдаемыми тенденциями. В то время как естественная изменчивость может объяснить краткосрочные колебания и региональные аномалии, подавляющее большинство согласны с тем, что устойчивая тенденция глобального потепления и увеличение частоты многих экстремальных явлений в основном вызваны деятельностью человека.

Дальнейшее совершенствование мониторинга климата, реконструкции палеоклимата и разрешения моделей повысит нашу способность отличать естественную изменчивость от антропогенных изменений, поддерживая более точные прогнозы и обоснованные политические решения.

Вывод: Важность понимания естественной изменчивости климата

Естественная изменчивость климата является неотъемлемой чертой климатической системы Земли, возникающей из множества внутренних процессов и внешних воздействий, которые действуют в широком диапазоне временных рамок.Признание и понимание этих естественных колебаний имеет важное значение для включения недавних и будущих изменений климата в контекст, улучшения прогнозных моделей и разработки эффективных стратегий адаптации и смягчения последствий.

Хотя естественная изменчивость может временно маскировать или усиливать тенденции потепления, вызванные деятельностью человека, она не отрицает убедительных доказательств того, что антропогенные выбросы парниковых газов приводят к беспрецедентным изменениям климата сегодня. Продвигая наши знания о природных климатических факторах, их механизмах и их воздействии на экосистемы и общества, мы можем лучше ориентироваться в сложных проблемах, связанных с изменением климата, и повышать устойчивость к будущим.