Table of Contents

Введение: почему регулирование температуры Земли имеет значение

Климатическая система Земли функционирует как сложная сеть физических, химических и биологических процессов, которые поддерживают температуру планеты в узком, жизнеобеспечивающем диапазоне. Без этого естественного регулирования температура поверхности колеблется между крайностями - слишком холодной для жидкой воды или слишком горячей для сложных организмов. Понимание того, как работает эта система, помогает нам интерпретировать текущие изменения климата и оценивать последствия человеческой деятельности. Этот обзор разрушает основные компоненты, петли обратной связи и человеческие влияния, которые формируют регулирование температуры Земли.

Что такое климатическая система?

Климатическая система — это коллективное взаимодействие пяти основных сфер: атмосферы, гидросферы, криосферы, литосферы и биосферы.Эти компоненты обмениваются энергией, водой и газами в течение временных рамок от дней до тысячелетий.Система управляется в первую очередь солнечной энергией, но её поведение изменяется внутренними процессами и внешними воздействиями, такими как извержения вулканов или выбросы человека.

Пять компонентов в деталях

атмосфера

Атмосфера представляет собой тонкий слой газов, удерживаемых гравитацией, простирающийся примерно на 480 км над поверхностью. Она обеспечивает среду для погодных явлений, транспортирует тепло и влагу и защищает жизнь от вредного ультрафиолетового излучения. Состав атмосферы - особенно концентрация парниковых газов, таких как углекислый газ (CO2), метан (CH4) и водяной пар - определяет, сколько исходящего инфракрасного излучения захвачено, непосредственно влияя на глобальные температуры. Для справки, текущий уровень CO2 Земли превышает 420 ppm, по сравнению с доиндустриальными уровнями около 280 ppm.

гидросфера

Гидросфера включает в себя всю жидкую воду: океаны, моря, озера, реки и подземные воды. Океаны покрывают 71% поверхности Земли и поглощают около 90% избыточного тепла от глобального потепления. Они хранят огромное количество тепловой энергии, смягчая колебания температуры через течения, которые перераспределяют тепло от экватора к полюсам. Гидросфера также обменивается газами с атмосферой; например, океан поглощает примерно четверть выбрасываемого человеком CO2, хотя это приводит к окислению океана.

криосфера

Криосфера включает в себя замерзшую воду: ледяные щиты, ледники, морской лед, вечную мерзлоту и снежный покров. Эти яркие поверхности отражают поступающее солнечное излучение (процесс, называемый альбедо), помогающий охлаждать планету. По мере таяния льда из-за потепления подвергаются более темным океанским или наземным поверхностям, которые поглощают больше тепла - положительная обратная связь, которая усиливает потепление. Гренландский и антарктический ледяные щиты вместе удерживают достаточно пресной воды, чтобы поднять уровень моря более чем на 60 метров, если они должны были полностью таять.

Литосфера

Литосфера - жесткая внешняя оболочка Земли, включая кору и верхнюю мантию. Его роль в регулировании климата включает процессы выветривания, которые вытягивают CO2 из атмосферы в течение геологических временных масштабов. Извержения вулканов выделяют CO2 и диоксид серы, которые могут временно охлаждать климат, блокируя солнечный свет. Характеристики поверхности земли - подъем, склон, тип почвы - влияют на местные температуры и влажность, влияя на то, где экосистемы могут процветать.

Биосфера

Биосфера содержит все живые организмы — растения, животных, грибы и микробы. Благодаря фотосинтезу наземные растения и морской фитопланктон удаляют CO2 из атмосферы и хранят углерод в биомассе. Леса, особенно тропические тропические леса, действуют как основные поглотители углерода, в то время как океаны содержат огромные цветы фитопланктона, которые улавливают углерод. И наоборот, разложение и дыхание высвобождают CO2, а изменения в землепользовании человека (обезлесение, сельское хозяйство) нарушают эти естественные балансы.

Как Земля регулирует свою температуру

Температура Земли определяется энергетическим балансом между поступающим солнечным излучением (коротковолновым) и исходящим тепловым излучением (длинноволновым). Планета поглощает около 70% поступающего солнечного света; оставшиеся 30% отражаются обратно в космос облаками, льдом и другими яркими поверхностями. Для поддержания равновесия Земля должна излучать то же количество энергии, которое она поглощает. Этот баланс поддерживается посредством ряда физических процессов, механизмов обратной связи и парникового эффекта.

Солнечное излучение и парниковый эффект

Солнце излучает энергию в основном в видимых длинах волн. Около половины этой энергии достигает поверхности; остальное поглощается атмосферой или отражается. Поверхность нагревается, а затем излучает инфракрасную энергию вверх. Парниковые газы - в основном водяной пар, CO2, метан и закись азота - поглощают часть этого исходящего инфракрасного излучения и повторно излучают его во всех направлениях, нагревая нижнюю атмосферу и поверхность. Этот естественный парниковый эффект поддерживает среднюю температуру поверхности Земли около 15 ° C (59 ° F). Без него средняя температура была бы около -18 ° C (0 ° F).

Деятельность человека усилила парниковый эффект, увеличив концентрацию удерживающих тепло газов. Со времени промышленной революции уровень CO2 вырос почти на 50%, в основном за счет сжигания ископаемого топлива и обезлесения. Выбросы метана в результате сельского хозяйства и утечки природного газа способствуют еще одному мощному влиянию потепления, причем метан примерно в 28 раз эффективнее на молекулу при улавливании тепла в течение столетия, чем CO2.

Альбедо и баланс поверхностной энергии

Альбедо — это доля солнечного света, отраженного поверхностью. Свежий снег имеет альбедо 0,8—0,9 (отражено 80—90%), в то время как океан имеет низкое альбедо около 0,06 (отражено 6%). Когда лед тает, более темный океан или земля поглощает больше солнечной энергии, ускоряя потепление и дальнейшее таяние. Эта обратная связь ледяного альбедо является критическим усилителем изменения климата в полярных регионах. Изменения растительного покрова — такие как замена лесов пахотными угодьями — также изменяют местное альбедо, меняя количество энергии, поглощаемой или отражаемой.

Колеи обратной связи, которые усиливают или умеряют изменения

Климатические обратные связи могут усиливать (положительные) или ослаблять (отрицательные) начальные изменения температуры.

  • Отзывы о паре воды: Более теплый воздух содержит больше водяного пара, который сам по себе является мощным парниковым газом, улавливая дополнительное тепло.
  • Отзывы ледяного альбедо: Как описано выше, таяние льда снижает отражательную способность и увеличивает поглощение.
  • Оттаивание вечной мерзлоты: Оттаивание вечной мерзлоты высвобождает накопленный метан и CO2, добавляя больше парниковых газов в атмосферу.

Отрицательные обратные связи встречаются реже, но существуют. Например, увеличение CO2 может стимулировать рост растений, сокращая количество углерода. Однако общий чистый эффект обратных связей Земли в настоящее время усиливает потепление - климатическая система более чувствительна, чем предполагалось ранее.

Роль океанических течений в перераспределении тепла

Океанские течения — это система кровообращения планеты, перемещающая тепло из экваториальных регионов к полюсам. Без этого перераспределения тропики были бы еще жарче, а полюса — еще холоднее. Течения также влияют на характер осадков, морские экосистемы и поглощение углекислого газа.

Поверхностные токи: управляемые ветрами

Поверхностные течения, обычно простирающиеся на глубину около 400 м, приводятся в действие преобладающими ветрами (например, пассатами, западными ветрами) и изменяются эффектом Кориолиса. Основные поверхностные круги — Северная Атлантика, Южная Атлантика, Северная часть Тихого океана, Южная часть Тихого океана и Индийский океан — транспортируют теплую воду в сторону полюса и холодную воду в сторону экватора. Например, Гольфстрим переносит теплую воду из Карибского бассейна в северо-западную Европу, сохраняя зимний климат региона мягче, чем ожидалось для его широты.

Глубокие океанские течения: глобальный конвейерный пояс

Глубокие океанские течения, также известные как термохалинная циркуляция, обусловлены различиями в плотности воды, вызванными температурой и соленостью. Холодная соленая вода тонет в Северной Атлантике и Южном океане, затем медленно течет вдоль дна океана к Тихому океану. Эта циркуляция занимает столетия и отвечает за хранение огромного количества тепла и углерода. Климатические модели предполагают, что приток пресной воды из таяния гренландского льда может замедлить или нарушить эту циркуляцию, что имеет серьезные последствия для регионального климата и уровня моря.

Поглощение тепла в океане и повышение уровня моря

Океаны поглощают более 90% дополнительного тепла от воздействия парниковых газов с 1970-х годов. Это тепло приводит к расширению воды (тепловому расширению) и способствует примерно одной трети наблюдаемого повышения уровня моря. Остальная часть поступает от таяния ледников и ледяных щитов. По мере нагревания океана он также становится менее эффективным при поглощении CO2, уменьшая его способность смягчать изменение климата.

Характеристики поверхности суши и региональный климат

Физические и биологические свойства поверхностей суши изменяют местную погоду и климат.Такие факторы, как топография, влажность почвы, тип растительности и урбанизация, влияют на температуру, влажность, характер ветра и осадков.

Растительность и хранение углерода

Леса, луга и водно-болотные угодья играют различную роль в климатической системе. Деревья перерабатывают водяной пар, охлаждают воздух и способствуют образованию облаков. Здоровые леса действуют как поглотители углерода, улавливая CO2 в древесине и почве. Обезлесение, особенно в Амазонии и Юго-Восточной Азии, не только высвобождает накопленный углерод, но и уменьшает испарение, потенциально изменяя модели осадков как на местном уровне, так и на больших расстояниях. Сайт NASA по глобальному изменению климата предоставляет подробные данные о том, как изменения в землепользовании влияют на углеродный цикл.

Эффект острова тепла в городе

Городские районы — с бетоном, асфальтом и уменьшенной растительностью — поглощают больше солнечной радиации, чем природные ландшафты, повышая температуру на 1-5 ° C по сравнению с окружающими сельскими зонами. Этот эффект теплового острова усугубляет глобальное потепление, увеличивая спрос на энергию для охлаждения и ухудшая качество воздуха. Стратегии смягчения включают зеленые крыши, отражающие тротуары и расширенные городские леса, которые могут снизить температуру поверхности и уменьшить стоки ливневых вод.

Альбедо меняется в сельском хозяйстве

Преобразование лесов в пахотные земли обычно увеличивает альбедо (поскольку культуры отражают больше солнечного света, чем темные леса), что может произвести небольшой охлаждающий эффект на поверхности. Однако это часто компенсируется потерей накопления углерода и изменениями в эвапотранспирации. Чистое влияние сельского хозяйства на климат является сложным и регионально зависимым, как подробно описано в исследованиях из Шестого оценочного доклада МГЭИК .

Изменение климата: влияние и последствия

Деятельность человека стала доминирующей силой, приводящей к быстрым изменениям в климатической системе Земли. Сжигание ископаемого топлива, обезлесение, промышленное сельское хозяйство и производство цемента выделяют парниковые газы и изменяют поверхности земли беспрецедентными темпами. Результирующее изменение климата оказывает широкомасштабное воздействие на природные и человеческие системы.

Рост глобальной температуры

Глобальное среднее значение температуры поверхности уже поднялось примерно на 1,2 °C выше доиндустриального уровня. Это потепление не является однородным — Арктика нагревается в два-три раза быстрее, чем в среднем по миру (арктическое усиление). Тепловые волны стали более частыми и интенсивными, создавая прямые риски для здоровья человека, сельского хозяйства и инфраструктуры.

Изменение осадков и экстремальная погода

Более теплая атмосфера содержит больше влаги, что приводит к более тяжелым событиям осадков во многих регионах и повышенному риску засухи в других. Экстремальные погодные явления - ураганы, лесные пожары, наводнения - стали более разрушительными. По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) , частота миллиардных погодных бедствий в Соединенных Штатах резко возросла с 1980-х годов.

Таяние льда и подъем морей

Ледники по всему миру отступают, и ледяные щиты Гренландии и Антарктики теряют массу с ускорением. Спутниковые измерения показывают, что уровень моря с 1900 года поднялся примерно на 20 см, а скорость увеличивается. Прогнозы на 2100 год варьируются от 0,3 до 1,0 м, в зависимости от сценариев выбросов, которые будут угрожать прибрежным городам и экосистемам.

Влияние на экосистемы и биоразнообразие

Потепление океана и подкисление вызывают стресс у коралловых рифов, что приводит к широкомасштабным событиям обесцвечивания. Наземные виды перемещают свои ареалы в сторону более высоких широт или возвышенностей, а некоторые сталкиваются с исчезновением, если темпы адаптации не могут идти в ногу с изменением климата. Нарушение пищевых сетей и миграционных моделей оказывает каскадное воздействие на экосистемные услуги.

Смягчение и путь вперед

Решение проблемы изменения климата требует сокращения чистых выбросов парниковых газов до нуля, которые ученые называют «чистым нолем». Это включает переход к возобновляемым источникам энергии, повышение энергоэффективности, защиту и восстановление лесов и внедрение устойчивых методов землепользования. Технологии удаления углекислого газа, такие как прямой захват воздуха и усиленное выветривание, также могут играть роль, но они не могут заменить глубокие сокращения выбросов.

Международные рамки, такие как Парижское соглашение, направлены на ограничение потепления до уровня значительно ниже 2 ° C и в идеале до 1,5 ° C. Индивидуальные действия — сокращение потребления энергии, выбор растительных диет, поддержка климатически дружественной политики — в совокупности способствуют системным изменениям, необходимым.

Заключение

Климатическая система Земли является шедевром взаимосвязанных процессов - атмосферных, океанических, криосферных, литосферных и биологических - которые вместе поддерживают обитаемую планету. Однако деятельность человека нарушила этот баланс, стимулируя быстрое потепление и увеличивая частоту экстремальных явлений. Понимание основ регулирования температуры, от парникового эффекта до океанских течений и обратной связи с поверхностью суши, имеет важное значение для принятия обоснованных решений. Оценивая сложность и чувствительность климатической системы, мы можем лучше поддерживать усилия по смягчению последствий и создавать устойчивость к изменяющемуся миру.