Кліматична система

 

1.6 Еволюція глобального клімату. 

 

        Розглянемо цікаву проблему про причини кліматичних змін на нашій планеті. Описані в даному огляді еволюційні етапи зміни хімічного та фізичного складу атмосфери дають можливість передбачити в загальних рисах еволюцію клімату Землі . Клімат визначається станом нижніх шарів атмосфери , де відбуваються метеорологічні процеси : вітер, дощ і снігопад , спека і холод , туман і так далі.

Багато вчених роблять спроби передбачити глобальні зміни клімату Землі на тисячоліття вперед , використовуючи для цього дані 200-300 річної давності. Їх прогнози є повністю помилковими , тому що динаміку зміни клімату Землі на такій короткій ділянці часу не можна виявити . Найправдивіший прогноз зміни клімату Землі випливає з аналізу змін протягом усього її існування , тобто - протягом 5 мільярдів років!

Головна причина зміни клімату Землі складається в динамічній зміні теплового режиму на поверхні планети. Існують два генератора тепла , що нагрівають поверхневий шар літосфери і атмосфери Землі. Зовнішнім джерелом є Сонце , сонячне випромінювання , а внутрішнім - радіоактивний розпад елементів в надрах планети. Тепловий режим на поверхні планети змінюється і залежно від сезону , часу доби , від прозорості атмосфери для сонячних променів , теплоємності різних ландшафтів ( континентів і океанів , гір і рівнин , лісів і піщаних пустель ) . Вітер - це швидке переміщення повітряних мас. Вітер зароджується з причини різниці розігріву окремих територій планети і завдяки швидкому обертанню Землі навколо своєї осі. Дощі і снігопади виникають внаслідок випаровування води з поверхні океанів , морів і річок , що також відбувається під дією сонячного тепла.

Отже, щоб точно прогнозувати клімат на планеті , треба вивчити еволюційні зміни глобальних джерел тепла.

За час існування Землі ( в минулому і в майбутньому) можна виділити три періоди глобальних кліматичних змін.

 

1 ) Клімат Землі в минулому. Стадія  формування клімату завдяки внутрішній теплоті планети. Всі планети Сонячної системи , в тому числі і Земля , протягом 4 мільярдів років мала не прозору , щільну і товсту атмосферу. Наприклад , 3 мільярди років тому вплив сонячних теплових променів на поверхню планети було мінімальним за щільної і непроникною атмосфери Землі. Основним джерелом тепла було радіоактивне тепло надр. У період 0,5-4,5 мільярдів років тому клімат на всій поверхні Землі був субтропічний. Температура грунту досягала 30 º - 50 º С. У цей час відбувався активний процес випаровування води в атмосферу. Зливові дощі і грози відрізнялися великою інтенсивністю. На горах і на полюсах не було снігу і льоду. Не існувало температурної різниці між літом і зимою , між нічний і денний половинами доби. Сонячна енергія давала в сумі тепла в сотні разів менше , ніж величина власного , радіоактивного тепла планети.

2 ) Що зараз робить вплив на  клімат Землі ? Сонячна стадія  формування клімату. Літосфера Землі  поступово остигає. У наш час  теплота на поверхні планети  в основному підтримується за рахунок сонячного тепла. Щорічно радіоактивні надра Землі виділяють на поверхню теплову енергію в кількості 1,9 · 1027 ерг , а від Сонця приходить теплова енергія 1,5 · 1031 ерг , що майже в 8000 разів вище. Але потік сонячного випромінювання ( тепла) також зменшується на 0015 % на рік.

Сонячна стадія формування клімату має багато закономірностей і правил. У цей період виникли сезонні (річні) коливання температур , добові коливання і так далі. Цікаво , що 500 мільйонів років тому на планеті не існувало сезонів року. Не існувало ні літа , ні осені , ні весни , ні зими . Не було дощових сезонів року і посушливих . Дощі кожні 2-3 діб випадали і в Антарктиді , і в Африці. Вночі було тепло , як удень. Приблизно 100 мільйонів років тому річне коливання температури становило 3 ° , а добове 0,5 °. Близько 3 мільйони років тому річне коливання температури становило вже 20 ° , добове 10 ° С. Зараз денна та нічна температури можуть відрізнятися на 20 °. Зима і літо в Якутії мають різницю температур в 100 ° , так як взимку температура сягає мінус 60 ° , а влітку - плюс 40 ° за Цельсієм.

Отже , у міру охолодження атмосфери і поверхні Землі посилюються добові і річні температурні контрасти , виникають сухі і дощові сезони року.

Охолодження всієї поверхні Землі одночасно може мати місце тільки тоді її еволюції , коли планета ще має досить протяжної і масивної атмосферою. Коли майже зникає атмосфера , виникає температурний контраст - виникає сильне нагрівання планети з денного боку і сильне охолодження з нічного боку . Саме такий період геологічного розвитку почався на Землі 70 мільйонів років тому і триває досі . Весь цей час відбувається процес нерівномірного планетарного охолодження на денний і нічний боці планети .

        Кліматична система може реагувати на зміни зовнішніх чинників. Зовнішні чинники можуть «спрямувати» клімат до потепління або охолодження. До зовнішніх чинників відносяться, наприклад, зміни складу атмосфери (збільшення концентрації парникових газів), сонячна світність, виверження вулканів, та коливання орбіти Землі навколо Сонця.Орбітальні цикли змінюються повільно протягом десятків тисяч років, та на даний час підпорядковані загальній тенденції охолодження, яка б, у свою чергу, призвела до Льодовикового періоду, але, як свідчить апаратне вимірювання температурних показників у 20 столітті, навпаки маємо стрімке підвищення глобальної температури.

Для визначення ролі сонця в останній зміні клімату використали кліматичне моделювання. Якщо враховувати тільки коливання сонячної радіації та вулканічну активність, то моделі не відтворюють швидкого потепління, яке спостерігається в останні десятиліття. Однак моделі  відтворюють зміни в температурі, що спостерігались в 20 столітті, при врахуванні усіх найбільш вагомих зовнішніх чинників, включаючи антропогенну дію та природні чинники.

Інший доказ того, що не сонце є причиною недавньої зміни клімату, полягає у спостереженнях за змінами температури на різних рівнях атмосфери Землі. Моделювання та спостереження показують, що потепління через парниковий ефект спричинило потепління нижніх шарів атмосфери (тропосфери), але відбулося охолодження верхніх шарів атмосфери (стратосфери). Виснаження озонового шару внаслідок застосування хімічних холодоагентів також призвело до потужного охолоджуючого ефекту в стратосфері. Якщо б це сонце було причиною даного потепління, то ми б мали потепління, як в тропосфері, так і в стратосфері.

 

1.7 Клімат минулого. 

 

      1.7.1Клімат Землі на ранній стадії її формування

 

Геологічні дані показують, що зміни клімату в минулому Землі були дуже глибокими. Це легко зрозуміти, так як ці зміни охоплювали сотні мільйонів років. Протягом цього часу докорінно змінювалось положення на Землі: розміщення суходолу і моря, орфографія, розподілення океанічних течій, вулканічна діяльність, склад атмосфери тощо. З іншого боку могли змінюватись і космічні впливи на Землю. Розглядаючи органічні і неорганічні викопні рештки як ознаки кліматів минулого, виходять з положення, що в минулому існувала така ж залежність флори і фауни, вивітрювання і ґрунтоутворення та ін. від клімату, які існують і тепер.Відносно кліматів на ранній стадії формування Землі, особливо архейської ери, чітких уявлень немає, бо появлялись вони в умовах більш щільної атмосфери, яка вміщувала багато парів води, СО2, Н3СН4, позбавленої кисню, і при майже повній відсутності кисню. Шари докембрію вивчені в окремих місцях. Знайдені рештки організмів віком 3,8 млрд. років. Вапнякові утворення синьо-зелених водоростей, за залягають пластами на дні морському, утворились на мілководді тодішніх морів і створювали рифи.Наявні також перші червоноколірні товщі зола листів, стрічкоподібні мергелі з річного і сезонного шаруватіста органічних решток мало через сильну метаморфізацію порід, а також в результаті слабкого розвитку органічного життя знайдені також морено подібні відклади (тиліти).Але це є свідченням того, що довготривалі та істотні зміни в залежній атмосфері завершились різким посиленням ролі сонячної радіації у всіх земних процесах. З’явилась неоднорідність у всьому географічному розподілу кліматичних умов – поєднання жарки і відносно прохолодних, вологих і посушливих областей. Бо виявлення, наприклад, значних і потужних товщ морських відкладів і коралових рифів в середніх широтах свідчить про існування більш теплого клімату, що існував у цих широтах в давню епоху розвитку Землі, яка охоплює 6/7 геологічної історії.

1.7.2 Зародження зональності клімату в кембрії

 

З викопних свідоцтв клімату цього періоду найбільш широко представлені морські відклади нижнього кембрію, що відповідають періоду великих морських трансгресій, коли більша частина сучасних матеріалів була вкрита теплими морями з багатою фауною. На основі фаціального аналізу припускають, що для морів Сибіру в ранньому кембрії, наприклад, температура води не опускалася нижче +25°С. В середньому ж кембрії спостерігались значні скорочення морських басейнів, що продовжувалось і на початку пізнього кембрію. Очевидно, що в середньому і пізньому кембрії відбувалась більш суттєва, ніж в ранньому кембрії кліматична диференціація, що призвела до утворення біогеографічних пропозицій. Клімат пізнього палеозою був ізотермічним. Широтна зональність з тропічними і кореальними (південними і північними) областями тільки почала позначатись. Широке розповсюдження вапняків і доломітів, червоноколірні пісковики і сланці, а також поклади кам’яної солі та гіпсів є цінними індикаторами того, що кембрійському періоду притаманна сукупність теплих і вологих, а також жарких і посушливих кліматичних областей. На клімат цього періоду також припадають одні з головних аридних фаз.

1.7.3 Клімат фанерозою

 

Клімат цього періоду характеризуються широкою різноманітністю, що є наслідком їх докорінних змін. Коливання кліматів палеозойської ери відбувались на фоні значно високих температур повітря аж до кам’яновугільного періоду. Як вже зазначалося вище клімат кембрію поєднував у собі чергування теплих і вологих та жарких і посушливих кліматичних областей. В ордовіцькому періоді клімат продовжував залишатись жарким з невеличкими термічними відмінностями і значними контрастами зволоження, викопними свідченнями що є значні товщі вапняків і доломітів, а також залишки теплолюбивої фауни і морських водоростей. В силурійський період великі площі займали теплі вологі області, але разом з цим існували райони з аридним кліматом. Сприятливі для життя кліматичні умови були причиною широкого розповсюдження і різноманіття тваринного і рослинного світу. Різке посилення континентальності і посушливості клімату на великих материках відбулося після каледонсього орогенезу на стику силура і девона. Аридізації піддалися значні простори землі. На кінець девону клімат пом’якшав, посилились риси океанічності. Різноманіття кліматичних умов на початку періоду поступово завершилось вирівнюванням контрастів клімату у верхньодевонський час. Все це супроводжувалося значними коливаннями зволоження і відбувалося на фоні різкого збільшення площі суходолу в першій і океанічності в другій половині девона. З викопних залишків, що підтверджують знайдені поклади солі і гіпсів, пісковиків і вапняків, доломітів і відомі промислові поклади кам’яного вугілля (Китай, Шпіцберген) з залишками теплолюбивої флори і рослинності помірного поясу. Разом з цим присутні валунні льодовикові відклади. Термічні контрасти кам’яновугільного періоду незначні: вологі і теплі області займали великі площі земної кулі. Між ними – вузька, локалізована посушлива зона. На кінець цього періоду значна частина суходолу була охоплена зледенінням. Відомі найбільші поклади кам’яного вугілля цього періоду з багаточисельними рештками рослинності різного видового і морфологічного складу. Місцями добре виражена сезонність наслойень (річні кільця росту утворення великих гірських систем (герцинський орогенез) та різке збільшення площі суходолу пермського періоду, супроводжувалось загальним посиленням аридності клімату. Разом з цим простежуються багаточисельні ознаки зональності клімату, подібної попередньому періоду. 30 км зорієнтовані з північного заходу на південний схід (в північній півкулі). Зміни клімату мезозойської ери були також пов’язані головним чином з коливаннями вологості і проявлялись в чергуванні аридних і гумідних фаз. Головні аридні фази припадають на тріас, пізню юру – ранню крейду, кінець крейди – першу половину палеогену, навіть середній міоцил кайнозойської ери. Великими ж гумідними фазами мезозою була ранньоюрська. Все це супроводжувалося розширенням зони помірного клімату, але до полярних областей, про що свідчать знайдені органічні рештки велетенських плазунів. Атмосфера Землі з кожною геологічною епохою змінювала свій склад – зменшувався вміст водяної пари і СО2, збільшувалась відносна роль кисню. У зв’язку з цим змінювався її "парниковий ефект", посилювались термічні контрасти між полюсами і екватором, що сприяло розвитку між широтної циркуляції атмосфери. В ранньому палеоліті кайнозойської ери переважає теплий і вологий клімат з північною межею субтропіків до 55-60° пн. ш. З другої половини олігоцену наступає прогресивне похолодання з різким поширенням континентальності клімату, що охопило високі широти обох півкуль з найбільшим проявом в приполярних областях, де склалися спочатку помірний, а потім арктичний типи кліматів, з перебігом часу посилювалась сезонність клімату, скорочувалась загальна кількість атмосферних опадів. В анторопогені похолодання посилилось. Неодноразові коливання темперу три і вологості призвели до чергування льодовикових і міжльодовикових епох в високих широтах і пмовіальних і ксеротермічних кліматів в низьких широтах. В голоцені відбувається від ступання льодовиків з помірних широт в полярні. Спостерігається загальне потепління клімату помірних і високих широт при значних коливаннях температури і зволоження. Та в цілому голоцен – холодний період в історії Землі. З другої ж половини ХІХ століття намітився новий, досить крутий поворот в кліматичних умов – почалось сучасне потепління клімату.

    Отже, в далекому минулому на різних ділянках земної кулі холодні клімати змінювалися жаркими, сухі – вологими внаслідок впливу різноманітних факторів. І ці зміни клімату мають місце і в історичний час, аж до сьогодення.

 

 1.8 Зміни у кліматичній системі.

1.8.1 Фактори, що впливають на зміну клімату. Дані спостережень, на додаток до коливань, що відбувалися в минулому, і зміни у кліматі Землі, свідчать також про зміни, що відбувалися у факторах, які можуть викликати зміну клімату. Найбільш значимими серед цих факторів є збільшення концентрацій парникових газів і аерозолів (що знаходяться в повітрі мікроскопічних часток і точок) в атмосфері і коливання сонячної активності, обоє з яких можуть змінити радіаційний баланс Землі і, відповідно, клімат. Ці зареєстровані дані спостережень про фактори, що впливають на клімат, є частиною внеску, необхідного для розуміння змін клімату в минулому, що відзначено в попередньому розділі, і, що дуже важливо, для прогнозування тих змін, що можуть відбутися в кліматі в майбутньому. Як і дані про зміни клімату в минулому, комплекти даних про фактори, що впливають, мають різну тривалість і якість. Прямі виміри сонячного випромінювання проводяться протягом лише приблизно двох десятиліть. Постійний прямий моніторинг концентрацій двоокису вуглецю в атмосфері був розпочатий приблизно в середині ХХ сторіччя, а у відношенні інших добре перемішаних газів, таких, як метан, лише в останні роки. Палеодані про атмосферу, отримані при дослідженні кернів льоду, свідчать про те, що в більш ранні тисячоріччя концентрації деяких парникових газів змінювалися. На противагу цьому, тимчасові ряди даних вимірювань речовин, що впливають, для яких характерні порівняно більш короткі періоди збереження в атмосфері (наприклад аерозолі), отримані в більш пізній час і є менш повними, оскільки ці речовини сутужніше вимірювати і просторово вони неоднорідні. Комплекти сучасних даних свідчать про те, що протягом останньої частини минулого тисячоріччя діяльність людини впливала на концентрацію в атмосфері парникових газів (які довго зберігаються), так і на недовго існуючих речовин, що впливають. Зміна в енергії, що існує в глобальній системі «Земля-атмосфера», унаслідок змін у цих факторах, що впливають, називається радіаційним впливом кліматичної системи. Визначений в такий спосіб радіаційний вплив зміни клімату являє собою показник відносних глобальних середніх впливів на систему «поверхня-тропосфера», викликаних різними природними й антропогенними причинами.