Кліматична система

                                      Теоретична частина

1.1 Параметри кліматичної системи

           Кліматична  система Землі охоплює атмосферу, океан, сушу, кріосферу (лід і сніг) і біосферу. Ця комплексна система описується рядом параметрів, частина з них очевидна: температура, атмосферні опади, вологість повітря і ґрунтів, стан сніжного і льодового покриву, рівень моря. Також кліматична система описується і більш складними характеристиками: динамікою великомасштабної циркуляції атмосфери й океану, частотою і силою екстремальних метеорологічних явищ, границями середовища існування рослин і тварин. Часто при малій мінливості “простих” параметрів відбуваються значні зміни “складних”, що в основному й означає зміну клімату.

           Атмосфера та гідросфера мають також різну теплоємність та теплопровідність. Питома теплоємність води наближено в 4 рази більша, ніж теплоємність повітря. Теплопровідність води наближено в 20 разів більша. Тому вода світового океану є добрим акумулятором сонячної енергії протягом літа. Це тепло поступово протягом зими надходить в атмосферу. Просторові та часові зміни параметрів атмосфери значно більші, ніж гідросфери. Атмосфера – найрухливіше середовище. Швидкість вітру біля земної поверхні становить кілька метрів за секунду, а у вільній атмосфері – кілька десятків метрів за секунду. Середня ж швидкість океанічних течій близько 3,5 см/с. Отже, швидкість перемішування повітря на два порядки більша, ніж води. Але у порівнянні з іншими ланками кліматичної системи гідросферу слід вважати дуже рухливою. Тим більше, що в океанах відкрито вихори подібні до атмосферних циклонів та антициклонів, вихороподібні кільцеві структури (“ринги„) з діаметром до 100 км, які мають водні маси з іншими властивостями. Виявлені також глибинні течії.           

 Кріосфера включає морську  кригу та кригу льодовиків  на суходолі, а також сніговий  покрив. Об’єм криги земної кулі  становить 24?106 км3. За дослідженнями із космосу крига та сніг займають близько 10% поверхні Землі тобто 59?106 км2, у тому числі крига материків займає 16?106 км2. 90% площі цієї криги припадає на Антарктиду, 8% − на Арктику та 2% − на гірські райони суходолу.          

 Морська крига займає 26?106 км2, але залежно від сезону площа морської криги дуже змінюється. Так, в Арктиці влітку морська крига займає 8?106 км2, а зимою ця площа збільшується до 18?106 км2. Навколо Антарктиди влітку крига займає близько 2?106 км2, а взимку площа збільшується майже в 10 разів. Протягом року значно змінюються і межі розповсюдження криги. Зимою в окремі роки в атлантичних та індійських водах південної півкулі морська крига може розповсюджуватись до 60-550 пд. ш.          

 Великі площі займає також  сніговий покрив – близько 17?106 км2. Найбільші його площі спостерігаються у північній півкулі у лютому. Тут він поширюється на значній частині Євразії та Північної Америки. Південна межа снігового покриву постійно змінюється у великих межах.          

 Літосфера в кліматичній  системі є найконсервативнішим  компонентом. Основні фізичні характеристики  її поверхневого або діяльного шару змінюються порівняно мало під впливом ґрунтотворних процесів, вітрової та водної ерозії, висушування та зміни лісистості тощо. Деякі властивості поверхні суходолу інколи змінюються досить швидко. Так, альбедо та теплопровідність ґрунту суттєво змінюється при зволоженні та при обробці ґрунту для сільськогосподарського виробництва.          

 Властивості біосфери визначаються  переважно рослинністю. Умови засвоєння  сонячної радіації, тепло- та вологообмін  з атмосферою, поверхневий стік, і відповідно вологообмін суходолу з океаном, визначають площі рослин, їх види, періоди вегетації. В умовах сільськогосподарського виробництва межі рослинного покриву безперервно змінюються. Крім того, вони змінюються в результаті вирубування лісів, особливо у тропічних широтах. До цього ж призводить випасання худоби, особливо в посушливих районах, що призводить  до збільшення площ пустель, особливо помітно в Африці, де південна межа Сахари невпинно поширюється далі до екватора.           

 Компоненти кліматичної системи постійно взаємодіють, вони мають складні прямі та зворотні нелінійні зв’язки  і обумовлюють одна одну. Прикладів такої складної взаємодії багато. Так, незважаючи на порівняно малу масу атмосфери, обмін кількістю руху її з океаном викликає більшу частину руху води Світового океану. Через океанічні течії відбувається міжширотний обмін теплом в океані, тобто з тропічних широт у високі переноситься велика маса теплої води. В холодну частину року тепло з водної поверхні переноситься в атмосферу. Отже, океан відіграє значну роль у формуванні особливостей поля температури в атмосфері і через це особливостей її циркуляції. Циркуляція атмосфери у свою чергу є механізмом для обміну теплом, вологою і кількістю руху між океаном і суходолом, між атмосферою і суходолом. Обмін вологою безпосередньо між суходолом та океаном відбувається через стік річок і льодовиків.

1.2 Фактори , що зумовлюють формування клімату.

Існує три основних кліматотворних фактора, а крім них- ще додаткові фактори, які можуть впливати на клімат. Але основні чинники визначають клімат будь-якої точки земної кулі.

Основні фактори клімату 
До основних факторів клімату відносять рельєф місцевості, сонячну радіацію і циркуляцію атмосфери. Рельєф місцевості якісно змінює вплив інших факторів на клімат.

Це пов’язано з тим, що у гірських хребтів і підняттів специфічний температурний режим, а також режим опадів. Схили і хребти можуть відображати значну кількість сонячної енергії і за рахунок цього створюються величезні затінені гірські райони.

Існують високі гірські вершини, які повністю покриті сніжниками і льодами, незалежно від пори року. Також гори виступають в ролі перешкод для руху повітряних фронтів і мас, і з цієї причини найчастіше стають кордонами кліматичних областей.

На поверхні нашої планети є багато районів, де випадання опадів дуже часте і велике, а є області, де опадів дуже мало. Наприклад, Центральна Азія вважається сухий областю, так як по окраїнах цього регіону підносяться гірські системи.

Сонячна радіація 
Це фактор, який визначає надходження сонячної енергії на різні поверхні землі. Географічна широта обумовлює кількість тепла. Це вкрай важливий фактор, оскільки саме завдяки певній кількості тепла функціонує майже всі життєві процеси на планеті.

І інші показники клімату безпосередньо залежать від сонячної радіації- це хмарність та тиск, циркуляція атмосфери і опади.

Циркуляція атмосфери 
Як фактор освіти клімату, циркуляція атмосфери зумовлює рух повітряних мас по земній поверхні і по вертикалі. І межшіротний обмін повітря здійснюється саме завдяки цьому процесу. Маси повітря переносять хмари, які в свою чергу визначають опади.

Вони перерозподіляють тиск, вологість і температуру повітря і утворюють потоки вітру. Умови клімату міняються із зміною висоти, виразно це відчувається в горах- із збільшенням висоти температура знижується, убуває вологість, зростає кількість опадів і падає атмосферний тиск.

Ці зміни дозволяють виділяти кліматичні пояси для гір. Рівнинні поверхні суші і поверхня Світового океану не робить істотного впливу і прямого впливу на основні кліматоутворюючі фактори. Вони не спотворюють руху повітряних мас, їх швидкість і напрямки.

Кліматоутворюючі фактори в різних регіонах 
Є чинники, що впливають на вид клімату, які притаманні тільки певним регіонам планети. Наприклад, віддаленість тієї чи іншої території від морів і океанів, загальний розподіл моря і суші.

Є відмінність між морськими повітряними масами, яка є континентальними, залежно від того, наскільки вглиб материків вони просуваються. Від цього залежить і кількість опадів.

Виділяють ще два підтипи кліматів- континентальний і морський, так як клімат змінюється залежно від наближеності території до моря.

1.3  Зв'язок між компонентами кліматичної системи.

         Глобальні кліматичні, біологічні, геологічні і хімічні процеси і природні екосистеми тісно пов'язані між собою. Зміни в одному з процесів можуть позначитися на інші, причому вторинні ефекти можуть по силі перевершувати первинні. Позитивні для життя людини зміни в одній зі сфер можуть перекриватися викликаними ними вторинними змінами, згубними для життя людей, тварин і рослин. Гази й аерозольні частки, що людство викидає в атмосферу з початку промислової революції, змінюють не тільки склад атмосфери, але й енергетичний баланс. Це, у свою чергу, впливає на взаємодію між атмосферою й океаном – головним генератором екстремальних погодних явищ. Океан займає велику частину планети і саме течії і циркуляція вод визначають клімат багатьох густонаселених регіонів світу. Потенційно дуже небезпечна зміна циркуляції океанських вод, наприклад, Гольфстріму, під дією глобальної зміни клімату.

1.4 Механізми зворотного зв'язку. 

       До кліматичної системи входить ряд зворотних реакцій, які змінюють відповідь системи в залежності від змін у зовнішніх чинниках. Позитивні зворотні реакції посилюють відповідь кліматичної системи на внутрішні чинники, у той час, як негативні зворотні реакції послаблюють відповідь кліматичної системи на внутрішні чинники.

       Існує цілий  ряд зворотних реакцій кліматичної  системи, такі як: водяна пара, зміна льодового альбедо (сніговий та льодовий покрив впливає на здатність Земної поверхні поглинати або відбивати сонячне світло), хмари, та зміни у вуглецевому циклі Землі (наприклад, вивільнення вуглецю з ґрунту). Головною негативною зворотною реакцією є енергія, яка випромінюється Земною поверхнею у космос у вигляді інфрачервоного випромінювання. За законом Стефана-Больцмана, якщо температура подвоюється, то випромінювання енергії зростає на коефіцієнт 16 (від 2 до 4-й потужності).

        Зворотні реакції  відіграють важливу роль у  визначенні чутливості кліматичної системи до збільшення концентрації парникових газів в атмосфері. За інших рівних умов, більш висока чутливість клімату означає, що при даному збільшенні чинників утворення парникових газів відбуватиметься ще більше потепління. Невизначеність зворотних реакцій є однією з основних причин, чому різні кліматичні моделі прогнозують різні темпи потепління за даних чинників. Для кліматичних прогнозів необхідні додаткові дослідження, щоб зрозуміти роль хмар та вуглецевого циклу.  Між компонентами кліматичної системи часто мається зворотний зв'язок, - посилення вторинного ефекту викликає і посилення первинного і т.д. У цьому випадку зміни наростають з усе більшою швидкістю. Наприклад, скорочення сніжного покриву через підвищення температури зменшує альбедо - відбивання сонячної радіації назад в атмосферу - і підвищує кількість енергії поглиненою Землею, а це, у свою чергу, підвищує температуру і веде до ще більш активного танення снігу і льодів. Це приклад позитивного зворотного зв'язку. У кліматичній системі маються і негативні зворотні зв'язки. Наприклад, посилення хмарності, викликане більш інтенсивним випаром при великих температурах, зменшує інтенсивність сонячної радіації, і, у кінцевому рахунку, знижує температуру в поверхні землі.

1.5 Кліматичні моделі.

Кліматична модель являє собою комп'ютерну реконструкцію п'яти складових кліматичної системи: атмосфери, гідросфери, кріосфери, суші та біосфери. Такі моделі проектуються за допомогою наукових дисциплін, таких як гідродинаміка, термодинаміка, а також на основі фізичних процесів, як перенесення випромінювання. В моделях враховуються різні компоненти, такі як: місцевий рух повітря, температура, хмари та інші атмосферні властивості; температура океану, вміст солі, течії; льодовий покрив суші й моря; переміщення тепла та вологи з ґрунту і рослин в атмосферу; хімічні та біологічні процеси; сонячна активність та інше.

І хоча дослідники намагаються включити якомога більше процесів, спрощення даної моделі кліматичної системи неминуче внаслідок обмеження наявної обчислювальної потужності та знань про кліматичну систему. Результати моделювання також можуть варіювати в залежності від даних щодо кількості парникових газів та кліматичної чутливості моделі. Наприклад, невизначеність в прогнозах  МГЕЗК 2007 року обумовлена ​​використанням декількох моделей з різною чутливістю до концентрації парникових газів;  використанням різних припущень щодо кількості викидів парникових газів через людську діяльність у майбутньому; будь-якими додатковими викидами спричиненими кліматичними зворотними реакціями, які не були включені в моделі МГЕЗК, наприклад вивільнення парникових газів з вічної мерзлоти.

В моделях не передбачається потепління клімату внаслідок збільшення концентрації парникових газів. Натомість в моделях передбачається яким чином парникові гази будуть взаємодіяти з переміщенням випромінювання та іншими фізичними процесами. Одним з математичних результатів цих складних рівнянь є передбачення того, що буде відбуватися: потепління або охолодження.

Останні дослідження акцентують увагу на необхідності доопрацювання моделей, які б враховували хмари та вуглецевий цикл.

Також моделювання використовується для вивчення причин останніх змін клімату, порівнюючи спостережувані зміни зі змінами, які прогнозуються в моделях враховуючи різні чинники, як природні, так і антропогенні. І хоча, моделі неоднозначно визначають причини потепління 1910–1945 рр., яке могло відбуватися або внаслідок природніх коливань, або через людську діяльність, вони досить впевнено вказують на те, що потепління починаючи з 1970 р. спричинено викидами парникових газів в більшості випадків внаслідок діяльності людини.

Фізична реалістичність моделей перевіряється шляхом вивчення їх здатності імітувати сучасний або клімат у минулому. За допомогою кліматичних моделей досить зручно спостерігати за змінами глобальної температури протягом останнього століття, але вони не відтворюють усі аспекти клімату. Не всі наслідки глобального потепління точно передбачені в кліматичних моделях МГЕЗК. Спостережуване зменшення льодового покрову в Арктиці відбувається швидше, ніж прогнозувалося. Кількість опадів зросла пропорційно вологості повітря, і, отже, значно швидше, ніж пророкують глобальні кліматичні моделі.

Прогнози МГЕЗК охоплюють діапазон ймовірностей (згідно експертних думок, понад 66% ймовірності) для обраних сценаріїв викидів. Однак прогнози МГЕЗК не враховують увесь діапазон невизначеності. Нижня межа, здається, краще визначена, ніж верхня межа діапазону ймовірностей.