"ВОДА ЖЕ УСИЛИВАЛАСЬ И УМНОЖАЛАСЬ НА ЗЕМЛЕ..."

Актуальные публикации по вопросам экологии и природопользования.

NEW ЭКОЛОГИЯ

Все свежие публикации

Меню для авторов

ЭКОЛОГИЯ: экспорт материалов
Скачать бесплатно! Научная работа на тему "ВОДА ЖЕ УСИЛИВАЛАСЬ И УМНОЖАЛАСЬ НА ЗЕМЛЕ...". Аудитория: ученые, педагоги, деятели науки, работники образования, студенты (18-50). Minsk, Belarus. Research paper. Agreement.

Полезные ссылки

BIBLIOTEKA.BY Беларусь глазами птиц HIT.BY! Звёздная жизнь KAHANNE.COM Мы в Инстаграме
Система Orphus

Автор(ы):
Публикатор:

Опубликовано в библиотеке: 2013-12-16
Источник: http://portalus.ru

Человечество так обеспокоено резким потеплением климата Земли, вызванным, как считают, парниковым эффектом, что пытается ограничить промышленные выбросы диоксида углерода в атмосферу. Но станет ли от этого на планете холоднее? По-видимому, нет: ведь парниковый эффект - всего лишь следствие, а не причина глобального потепления.

ПРИРОДНЫЕ ИНДИКАТОРЫ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ

Революционное воздействие новых идей термодинамической теории необратимых процессов, теории нелинейных динамических систем и классической механики на различные области естествознания заставило ученых осознать: столь сложная и неоднородная система, как наша планета, развивается по нелинейным законам. Это в полной мере относится и к ее водной оболочке. Авторы статьи предлагают новую концепцию глобального потепления климата, в которой главную роль играет возрастающая сейчас влажность суши.

Последние 10-15 лет оказались самым теплым и влажным периодом не только в минувшем столетии, но и тысячелетии. Реакцию на столь резкое потепление демонстрируют самые различные природные объекты. Так, доктор технических наук И. И. Борзенкова (Государственный гидрологический институт Росгидромета), проанализировав разнообразные эмпирические данные по климату, убедительно показала: воды в жидкой фазе на Земле становится больше. Самыми влажными годами за весь период инструментальных наблюдений были 80-90-е годы. Тогда статистически значимо увеличились осадки в виде ливневых дождей, особенно в Северной Америке, Восточной и Западной Европе, Австралии. Стремительно отступают горные ледники в Центральной Европе, Азии, тропической Африке, Исландии. Сократились площади морских льдов в Арктическом бассейне и шельфовых ледников в Антарктиде.

Анализируя столетние ряды дат вскрытия и замерзания наиболее крупных рек России, специалисты установили: существует статистически значимый тренд изменения этих дат за последние годы. В речных бассейнах европейской территории страны продолжительность ледового периода за последние 100 лет сократилась на 15 дней и более, а в бассейне Дона даже на 20-25 дней. На сибирских реках Белой, Оби и Иртыше он стал короче на 9- 14 дней. В Северном полушарии раньше наступает весна и увеличилась продолжительность вегетационного периода.

Самым теплым за столетие оказался 1998 г. - средняя температура воздуха на Земле составила тогда 16,6 С. В Москве, вопреки устрашающим прогнозам Гидрометцентра, он оказался теплее на 1 С, а осадков выпало на 37% больше нормы. На всей территории Северо-Западной Европы из-за Исландского суперциклона (области пониженного давления с центром между Северной Атлантикой и Южной Гренландией) выпали обильные осадки, на север Европейского континента поступило огромное количество тепла из Атлантики. Во многих регионах мира участились наводнения.

Каковы же причины этих явлений?

ТРИ ПЕРЕМЕННЫЕ ОДНОЙ МОДЕЛИ

Около 30 лет назад английский метеоролог Э. Н. Лоренц поднял фундаментальный вопрос: устойчив ли климат Земли? Но особую актуальность он приобрел сейчас, когда его крупномасштабные аномалии достигли кульминации.

На наш взгляд, предварительный ответ на этот вопрос должны дать самые простые модели, учитывающие глобальный тепловой и водный баланс планеты. Но в ранее разработанных их типах, предложенных американцами В. Селлерсом и Б. Зальцманом, а также академиком М. И. Будыко, динамика водного баланса не учитывалась. И потому с их помощью нельзя было решить проблему устойчивости.

Мы разработали модель глобального климата Земли, содержащую три переменные: температуру приземного слоя атмосферы, влагозапас суши и речной сток в Мировой океан. Модель состоит, соответственно, из трех нелинейных уравнений: двух - динамики теплового и водного баланса Земли и еще одного - динамики глобального речного стока в Мировой океан. Предположение, что количество воды на планете постоянно, позволило исключить из модели водный баланс океана.

Рассмотрим сначала тепловой баланс Земли. Давно доказано: значительную часть получаемой от Солнца энергии она отражает обратно в космическое пространство - иначе наша планета давно бы сгорела. Эта отраженная энергия - сильно меняющаяся величина, так как зависит от состояния поверхности Земли. Общая масса льда и снега на суше и облаков в небе, площадь океана, степень увлажненности суши и характер ее растительности - все это влияет на величину уходящей в космос солнечной энергии. Решение проблемы климата, на наш взгляд, заключается в разгадке механизма отражательной способности земной поверхности, которая характеризуется величиной альбедо (от лат. albus - белый) - отношением величины отраженной энергии к падающей.

Наша планета устроена так, что из всех природных веществ вода имеет максимальную теплоемкость и наибольшую способность к поглощению солнечной энергии. Скажем, теплоемкость пустынь равна 0,8-1, океана - 4,18 Дж/г ? град; альбедо пустынь - 0,28, океана - 0,06. Наибольшим альбедо обладают ледники, наименьшим - океаны; у облаков эта характеристика колеблется в широких пределах - от 0,29 до 0,86.

Таким образом, альбедо суши - один из важнейших параметров климатической системы Земли, показывающий, какое количество солнечной энергии поглощает ее поверхность. Эта величина существенно зависит от типа почвы, ее цвета и структуры, влажности и растительного покрова. Например, альбедо дерново- слабоподзолистой суперпесчаной почвы составляет 0,18-0,24, влажной - 0,16- 0,18, мокрой - 0,11-0,16, сильно пропитанной водой - 0,08-0,11. О влиянии растительного покрова говорят следующие цифры: альбедо тундры (0,15), степи (0,20) больше, чем хвойных лесов (0,14); альбедо хлопковых полей (0,2-0,25) превышает эту характеристику у полей с рожью и пшеницей (0,1-0,2).

Можно примерно оценить, как влияет изменение альбедо суши на тепловой баланс планеты и ее глобальную температуру. На материках при современных климатических условиях влажность почвы в двухметровом слое мала и составляет в среднем 10%, т.е. в нем содержится слой воды толщиной 0,2 м. Допустим, влажность почвенного покрова Земли (его площадь - 82 млн. км 2 ), а также аридных и полуаридных территорий (31,3 млн. км 2 ) увеличилась на 0,1 м. Тогда альбедо системы "Земля - атмосфера" уменьшится на 0,01-0,02, что приведет к росту глобальной температуры на 2,3-4,6 С. На самом деле эта оценка даже занижена: ведь с повышением температуры увеличивается концентрация водяного пара и диоксида углерода, которые хорошо задерживают тепловое излучение земной поверхности и способствуют еще большему ее нагреву.

Заметим: если влажность мала, альбедо суши меняется наиболее резко, так что даже незначительные колебания увлажненности материков должны вызывать существенные перепады альбедо и температуры. Глобальное же повышение температуры воздуха ведет к росту содержания в нем влаги (в теплой атмосфере больше водяного пара) и к усиливающемуся испарению воды с поверхности Мирового океана, что, в свою очередь, способствует выпадению осадков на суше. При дальнейшем повышении температуры и увлажненности материков начинают усиленно развиваться растительные покровы (для сравнения: продуктивность влажно-тропических лесов Таиланда - 320 ц сухой массы на гектар, тогда как в пустынных степях Монголии она составляет всего 24 ц). Подобная тенденция ведет к еще большему уменьшению альбедо суши, количество поглощенной солнечной энергии увеличивается, что вызывает дальнейший рост температуры и увлажненности.

Однако влагозапас суши можно определить из уравнения глобального водного баланса Земли, входящего в нашу модель. Таким образом, сильная зависимость альбедо суши от ее влагозапасов делает тепловой баланс Земли незамкнутым и приводит к необходимости рассматривать водный баланс (второе уравнение модели). Он же, в свою очередь, зависит от динамики речного стока в Мировой океан, и следовательно, для описания этого процесса необходимо третье уравнение предложенной модели. В основе его лежит закон изменения энергии: мощность, развиваемая силой тяжести, при перемещении вод суши в океан расходуется на преодоление сил трения и увеличение кинетической энергии речного стока.

Состоящая из трех указанных уравнений, эта простейшая модель климата принадлежит к классу нелинейных динамических систем. Мы проанализировали устойчивость ее решений, которые оказались очень сложными и неустойчивыми. Объясняется это тем, что скорость накопления влагозапасов суши благодаря осадкам превосходит скорость их уменьшения за счет речного стока, а повышение увлажненности суши, как уже говорилось, снижает альбедо Земли. Далее реализуется положительная обратная связь, что ведет к неустойчивости климата. По существу это означает: наша планета либо постоянно переохлаждается (ледниковые эпохи, похолодание климата), либо перегревается (потепление и увлажнение, усиленное развитие растительного покрова - режим "влажной и зеленой" Земли).

Неустойчивость климата возникает, когда планетарное альбедо и испарение уменьшаются с ростом влажности, а осадки увеличиваются с повышением температуры. Другие тепловые обратные связи могут только снизить критический порог неустойчивости, но не отменяют ее. Стабилизировать ситуацию способны водные обратные связи: например, рост испарения и речного стока снижает влагозапас в почве и препятствует дальнейшему уменьшению альбедо.

В связи с этим возникает интересный вопрос: как будет работать гипотеза о неоправданности "тепловой угрозы" для Земли, предложенная доктором физико-математических наук О. Г. Сорохтиным (Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН)*, если ее дополнить водными обратными связями? В самом деле, рост испарения увеличивает количество облаков, а значит, и планетарное альбедо, что способствует понижению температуры. В то же время больше облаков - больше осадков, а это увеличивает влажность почвы, уменьшает альбедо и ведет к повышению температуры...

Впрочем, причиной неустойчивости современного климата может стать и зависимость испаряемости от влагозапасов. Здесь реализуется положительная обратная связь: уменьшение континентальности климата ведет к холодному лету, а это ослабляет испарение и способствует накоплению влаги на материках, что еще больше демпфирует температурные колебания. По-видимому, такой механизм обратной связи характерен для Европы, Северной и Южной Америки, где осадки превышают испаряемость и суша хорошо увлажнена.

МЕХАНИЗМЫ ЦИКЛИЧНОСТИ

Кстати, предложенная модель климата не только демонстрирует его неустойчивость, но и указывает на сложные колебания (с периодом в сотни лет) с небольшой амплитудой изменения температуры (1-2С), влагозапаса суши и речного стока. Другими словами, согласно нашей модели, возможно не только глобальное потепление, но и глобальное похолодание, объясняемые совершенно естественными природными процессами. Быть может, именно эти циклы проявлялись в изменениях климата Земли за последние 420 тыс. лет, что установили проведенные в 80-90-х годах российско-французско-американские исследования ледового керна, добытого из сверхглубокой (3623 м) скважины на антарктической станции "Восток"(*).

Физический механизм возникновения цикличности можно описать следующим образом. Как уже говорилось, увлажнение суши ведет к уменьшению альбедо Земли и росту среднегодовой температуры воздуха за счет большего поглощения солнечного излучения. Детальные расчеты (с учетом общей циркуляции атмосферы) показали: глобальное потепление на 1С увеличивает среднее количество атмосферных осадков на 1,6- 2,6%, или на 2-3 см/год, причем связь между изменениями средних величин температуры и количеством осадков существенно нелинейна.

--------------------------------------------------------------------------------
* См.: Прогнозы о "тепловой угрозе" не оправданы? - Наука в России, 1999, N 3.

* См.: В. М. Котляков. Антарктида дарит открытия. - Наука в России, 1997, N 1.
--------------------------------------------------------------------------------
Итак, возникает механизм мощной положительной связи: рост увлажненности материков сопровождается уменьшением планетарного альбедо Земли, что в среднем повышает температуру воздуха и испарение с поверхности Мирового океана. Так как последний - основной для суши источник влаги, то указанный механизм ведет к увеличению осадков и дальнейшей увлажненности материков. Однако влагозапас суши не может возрастать неограниченно: его избыток быстро переходит в речной сток, и суша перестает увлажняться.

Далее процесс идет в обратном порядке - начинается глобальное похолодание климата. Материки отражают больше солнечной энергии, температура атмосферного воздуха и осадки уменьшаются - на планете наступает холодная и сухая эпоха с более заметным контрастом между температурами в экваториальной и полярной областях. Но уменьшившееся количество осадков начинает хорошо задерживать суша, испарение и речной сток ослабляются, влагозапас растет, альбедо падает - климат становится мягким с относительно небольшой разницей температур на экваторе и полюсах. Затем весь цикл повторяется. На наш взгляд, именно этот нелинейный механизм не дает климатической системе перейти к состоянию "белой Земли" (когда ее поверхность целиком покрыта льдом и снегом). Конечно, теоретически это возможно, но его никогда еще не переживала наша планета за миллиарды лет существования.

Укажем нелинейные механизмы, которые ограничивают рост влагозапаса на суше и глобальной температуры земной поверхности и тем самым стабилизируют климатическую систему. Например, повышение температуры приводит к увеличению потока уходящей в космическое пространство тепловой энергии, что может прекратить рост температуры. Или другое: рост влагозапасов способствует насыщению альбедной зависимости (в самом деле, при любом варианте развития событий альбедо суши не может быть меньше, чем океана) и далее эффект его уменьшения перестает действовать.

Однако существуют нелинейные механизмы, помогающие процессу глобального потепления. Скажем, рост концентрации в атмосфере водяного пара и диоксида углерода способствует более интенсивному поглощению теплового излучения Земли и, следовательно, ее разогреву. Еще один механизм: при потеплении климата на планете неизбежно сокращается площадь снежно-ледникового покрова (рост температуры на 1С уменьшает его на 3 млн. км 2 ), резко понижается планетарное альбедо и соответственно возрастает температура.

Перечисленные механизмы, с нашей точки зрения, могут действовать совместно (синергетически). Следовательно, происходящие одновременно уменьшение планетарного альбедо (из-за увеличения влажности почвы, развития растительности и сокращения площади снежно-ледникового покрова) и рост концентрации основных парниковых газов (водяного пара и диоксида углерода) чреваты быстрым таянием континентальных ледниковых щитов. Значит, находит объяснение феномен чрезвычайно резких потеплений, которые, по данным палеоклиматологов, многократно происходили в далеком прошлом. Например, тщательные расчеты альбедо суши, проведенные для раннего плиоцена (около 6 млн. лет назад), показали: в Северном полушарии оно тогда было на 0,06 меньше современного. Как свидетельствуют палеоданные, климат той эпохи был теплее и влажнее; в средних и высоких широтах Евразии и Северной Америки растительный покров отличался более богатым видовым составом, леса занимали обширные территории, распространяясь до северных побережий континентов и южнее границы современной лесной зоны.

СЛИШКОМ МНОГО ВОДЫ

Исследования, выполненные в Государственном гидрологическом институте Госкомгидромета, свидетельствуют: в настоящее время увеличивается водность обширной территории, охватывающей европейскую часть бывшего СССР и Западную Сибирь. Для выявления причины современных изменений водного режима рек и детального анализа процессов гидрологического цикла использовалась информация семи водобалансовых станций. Расположенные в лесной и лесостепной зонах Восточно-Европейской равнины, они ведут наблюдения за всеми элементами гидрологического цикла уже около 50 лет. Изучение процессов влагооборота по их данным позволило сделать пять выводов.

Во-первых, в последние 10-15 лет значительно увеличились годовые суммы осадков (до 50-120 мм), причем наиболее существенно -в летне-осенний период.

Во-вторых, рост осадков происходит на фоне повышения температуры в холодный период года и некоторого снижения в летний сезон.

В-третьих, вследствие увеличения увлажненности влагозапасы почвогрунта в метровом слое возросли на 10-30 мм.

В-четвертых, в результате сложившейся ситуации возникли благоприятные условия для инфильтрационного питания подземных вод, а уровни основных водоносных горизонтов повысились на 50-100 см.

В-пятых, увеличение запасов подземных вод привело к возрастанию подземного питания рек.

Еще ранее было установлено, что в бассейнах Волги, Днепра, Урала и Оби увеличение подземного стока в 1978-1990 гг. достигло 20-40% от нормы. Тогда стремительно стал подниматься и уровень Каспийского моря.

Ключевыми индикаторами водного механизма глобального потепления климата являются следующие процессы: повышение испарения с поверхности Мирового океана, увеличение осадков на суше, а также рост объемов подземных вод и влагосодержание почвы. И действительно, в последние годы на 4% возросло испарение с поверхности океана, на столько же - количество атмосферных осадков на суше, а объем подземных вод в 1985-90 гг. повышался со скоростью 593 куб.км/год. Что же касается влагосодержания почвы, то, по данным Государственного гидрологического института, на европейской территории России в метровом ее слое оно увеличивается со скоростью от 1 до 3 см за 10 лет.

НЕКОТОРЫЕ ГИПОТЕЗЫ

Обнаруженный теплофизический механизм неустойчивости теплового и водного баланса Земли позволяет предложить следующие достаточно правдоподобные гипотезы, объясняющие некоторые климатические явления:

- наблюдаемое глобальное потепление климата Земли - следствие роста поглощенной солнечной энергии, т.е. прогрессирующего ослабления альбедо суши;

- уменьшение годовых значений приповерхностной температуры воздуха, особенно в средних и субполярных широтах, происходит при потеплении за счет увеличения влагозапасов и теплоемкости суши, поэтому летом она слабее нагревается, а зимой меньше остывает, и континентальность климата Земли уменьшается;

- безледниковое, теплое и влажное состояние биосферы, которым отличался меловой период, определялось пониженным альбедо планеты - благодаря развитию растительного покрова и увеличению влажности почвы;

- преобладание безледникового периода в истории Земли объясняется его большей устойчивостью по сравнению с ледниковым, для которого характерны резкие изменения планетарного альбедо;

- и наконец, концентрация углекислого газа в атмосфере увеличивается за счет разогрева земной поверхности (теплый океан хуже поглощает газ, чем холодный).

Итак, угроза глобального потепления климата Земли реальна. Однако, согласно нашей модели, она - следствие естественных природных процессов, а не результат сжигания углеводородного топлива, как сейчас принято считать. Снижение антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу, к чему призывают ученые, едва ли приведет к заметному снижению глобальных температур воздуха.

Работа финансирована РФФИ (грант N 99-05-64905) и программой поддержки ведущих научных школ РФ (руководитель - академик М. Г. Хубларян, грант N 96-15-98355).

Комментируем публикацию: "ВОДА ЖЕ УСИЛИВАЛАСЬ И УМНОЖАЛАСЬ НА ЗЕМЛЕ..."


подняться наверх ↑

Новые поступления

Выбор редактора LIBRARY.BY:

Популярные материалы:

подняться наверх ↑

ДАЛЕЕ выбор читателей

Загрузка...
подняться наверх ↑

ОБРАТНО В РУБРИКУ

ЭКОЛОГИЯ НА LIBRARY.BY


Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY на Ютубе, в VK, в FB, Одноклассниках и Инстаграме чтобы быстро узнавать о лучших публикациях и важнейших событиях дня.