Изменения климата 2

Лёд, СО2 и время • Библиотека

Я могу рассматривать сегодняшние изменения климата только с точки зрения того, что я знаю о климатах прошлого; я реконструирую природные обстановки последней геологической системы четвертичного периода, чей возраст чуть меньше трех миллионов лет. Такие знания оказались необычайно полезными в последнее время. Неожиданно выяснилось, что не только «Настоящее — ключ к пониманию прошлого»*, но и прошлое — ключ к пониманию настоящего и даже будущего. //  elementy.ru

 

На сегодняшний день ледниковые периоды сменяются межледниковыми, т. е. климат Земли меняется радикально раз в 100 тыс. лет по той причине, что Земля в результате совокупного положения всех трех орбитальных изменений получает большее количество солнечной радиации на свою поверхность.

Мы живем не так долго. Что-то должно объяснить и наши мелкие проблемы с климатом.
2. События Дансгаарда — Эшгера и новое понимание роли CO2

В то время как форсирующие оледенения орбитальные циклы имеют синусоидальные колебания, циклы ледниковых и межледниковых периодов не являются простыми синусоидами. Ледниковые периоды, наоборот, резко заканчиваются, а начинаются постепенно, что указывает на сложные обратные связи между этими процессами.

После того как впервые были получены и исследованы ледяные керны из Гренландских колонок с очень высоким временным разрешением, стало очевидно, что в климате происходят резкие кратковременные изменения в течение 100–10 000 лет. Таким образом, на фоне орбитальных изменений климата существуют и кратковременные, которые для жизни человека гораздо важнее.

 

Первоначальное предположение о том, почему произошли события Дансгаарда — Эшгера, предложено Валли Брокером [6] и оно остается преобладающим мнением до сих пор. Это конвейер, являющийся частью крупномасштабной циркуляции океана, регулируемый глобальным градиентом плотности, создаваемым температурой поверхности океана и приносом пресной воды. Он отвечает за крупномасштабный перенос водных масс в океане, включая перенос кислорода в глубокие слои океана. Весь круговорот занимает ∼2000 лет [7].

Этого графика, без которого теперь вы не найдете ни одного учебника по любым наукам о Земле, не существовало всего 30 лет назад! Мы все знали со школьной скамьи о существовании Гольфстрима, но мы не знали, что это всего лишь часть глобального «конвейерного пояса» течений и что симметрично поверхностным течениям, переносимым ветром, существует придонные холодные течения, регулируемые разницей в температуре, солености и плотности океанической воды в разных широтах планеты. Но открытие Брокера было не в том, что существуют придонные течения (это выяснялось постепенно с усовершенствованием методов исследования океана), а в том, что этот конвейер имеет свойство заглушаться при резких потеплениях на поверхности Земли. И возобновляться при похолоданиях.

 

Третий механизм климатических изменений: «закрытие» опрокидывающейся термохалинной циркуляции, вызванное потеплением и сопровождающееся последующим резким похолоданием.

Итак, мы поняли, что циркуляция атмосферы и океана, сложным, но всё же понятным переносом вещества и энергии может изменять климат Земли, если не в такой же степени, как орбитальные циклы Миланковича, но в очень значительной, и гораздо быстрее! Эти изменения, в отличие от орбитальных циклов, происходят резко и не вполне регулярно, и они всегда сопровождаются параллельным ростом и падением концентрации углекислого газа в атмосфере, что нам доказывают многообразные палеоклиматические данные.

Но и это еще не всё.

3. Событие Хайнриха

 

Самый важный вывод из этой работы, как в дальнейшем показал В. Брокер [9], Х-событие, заглушает Атлантическую меридиональную термохалинную циркуляцию (АМТЦ) в Северной Атлантике и приводит к резкому похолоданию на Европейском континенте и даже сказывается глобально на всей планете! Это заключение заставило по-новому посмотреть на Д—Э-события, и после многолетних исследований было установлено, что каждое из них сопровождалось ослаблением, но не полной остановкой АМТЦ.

Также выяснилось, что Антарктические ледяные колонки очень слабо или никак не проявляют Д—Э-события [10]. Еще годы исследований. И вот научное сообщество приходит к выводу, что события Д—Э отчетливо проявляются только в Северном полушарии, а события Хайнриха глобальны [11]. Их периодичность 6–10 тыс. лет. Как можно видеть (рис. 5), цикл событий Д—Э во время ослабления завершается пиком события Хайнриха.

Теперь мы знаем, что наряду с «тысячелетними» изменениями климата Д—Э, вызванными обратной связью системы АОС, существуют 7–10-тысячелетние Х-события, которые приводят к резкому изменению термохалинной циркуляции, а именно ее ослаблению или полному закрытию. Особенно важно знать, что все эти события неизменно сопровождаются соответственным ростом или падением СО2 в атмосфере. И как мы ниже увидим, не только в ней.

Итак, в долгосрочной перспективе изменения объема ледников и ледяных щитов, а значит, и климат Земли контролируются астрономическим воздействием солнечной инсоляции. Однако на коротких тысячелетних отрезках времени обратные связи в атмосфере, океане и на суше существенно трансформируют эту взаимосвязь. К счастью, мы учимся ее понимать.

 

Революционное открытие Хайнриха и Брокера: небольшое потепление может привести к закрытию глобальной океанической циркуляции и резкому похолоданию.

Мы не можем остановить тектонический термостат Земли, но мы можем его поломать.

Углекислый газ не оседает в атмосфере, достигая концентрации на изотерме 270 K, как вода, а продолжает насыщать собою атмосферу, поднимаясь всё выше и достигая уровня 220 К, продолжая отражать инфракрасное излучение от поверхности. Это делает углекислый газ исключительным.

 

Космическая диагностика климатической системы Земли • Библиотека

После того как 60 лет назад был запущен первый искусственный спутник Земли (юбилей советского прорыва в космос отмечается в октябре), открылись новые возможности изучения нашей планеты с околоземных орбит. Параметры, определяемые со спутников в интересах наук о Земле, относятся к числу так называемых климатоформирующих. //  elementy.ru

 

Наиболее совершенные модели с хорошей точностью воспроизводят основные черты атмосферной циркуляции. Вместе с тем практически всем им свойственны систематические ошибки в представлении климатической картины. К числу существенных трудностей численного моделирования относится задача учета процессов взаимодействия океана и атмосферы, источником неопределенностей остаются и биосферные процессы. В качестве основы для полной теории климата, которую еще предстоит создать, рассматриваются модели общей воздушно-водной циркуляции с учетом суши и морского льда. Но уже сегодня совместные модели циркуляции атмосферы и океана находят применение в качестве инструмента для сезонных прогнозов погоды.

 

Когда альбедо, или отражающая способность, возрастает, больше приходящей солнечной радиации возвращается в космос. Снижение альбедо приводит к увеличению нагрева. Изменение нагрева всего на 1% дает радиационный эффект 3,4 Вт/м2, сопоставимый по результату с удвоением содержания CO2. Как показали исследования с использованием измерений со спутников Terra, Aqua, SuomiNPP, отступление льдов в Северном Ледовитом океане значительнее, чем ожидалось, уменьшает альбедо Земли. Между 1979 и 2011 гг. альбедо Арктики уменьшилось с 52 до 48%. Снег и лед хорошо отражают свет [2], но, когда они тают, альбедо понижается. Леса имеют более низкое альбедо, чем открытое пространство, поэтому сведение лесов приводит к повышению отражения. Аэрозоли влияют на альбедо двояким образом. Прямое влияние состоит в отражении света в космос. Косвенный эффект заключается в том, что частицы аэрозолей служат центрами конденсации влаги и участвуют в формировании и динамике облачности. Облака же, с одной стороны, отражая солнечный свет, охлаждают Землю, а с другой — удерживая уходящее собственное тепловое излучение Земли, дают эффект нагрева.

Без привлечения спутников альбедо можно измерить с помощью так называемого пепельного света Луны. Это свет, сначала отраженный Землей, а затем посланный Луной обратно к Земле. В каждом наблюдении рассматривается примерно треть планеты, некоторые области остаются невидимыми. Подобные наблюдения выполняются в узком диапазоне длин волн 0,4–0,7 мкм и проводятся лишь изредка.

С запуском в феврале 2015 г. космического аппарата DSCOVR (Deep Space Climate Discovery) в интересах НАСА, NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) и Военно-воздушных сил США измерения альбедо Земли перенесены в глубокий космос и ведутся на постоянной основе.

 

Перенос энергии океаном от низких широт к высоким осуществляется потоком теплых вод в поверхностных слоях, тогда как потоки холодных и соленых вод у дна океана направлены к экватору. Отдельные бассейны Мирового океана различаются по температуре и солености, что вызывает межокеанскую циркуляцию, играющую значительную роль в тепловой машине Земли. Поэтому первостепенное значение в наблюдениях климата имеет глобальная система мониторинга Мирового океана. Сочетая спутниковые и прямые средства, она служит как фундаментальным научным, так и прикладным целям.

 

Изучение процессов в криосфере как комплексного индикатора изменений природной среды — один из приоритетов наук о Земле. Площадь льдов, покрывающих Арктику, уменьшилась за 1979–2011 гг. на 40%. По данным Института мерзлотоведения СО РАН, высота горных ледников Якутии сократилась за последние 60 лет на 70%, а их площадь съежилась почти на 40% [7]. Одно из самых холодных мест Северного полушария — север Янского плоскогорья в Якутии с сухим и резко континентальным климатом. И тем не менее в 1967–2010 гг. здесь более чем на 1° увеличилась средняя летняя температура воздуха, а средняя зимняя возросла еще сильнее, на 2 с лишним градуса. Увеличилось поступление летних атмосферных осадков и сократилось поступление зимних. Изменение климата вызвало усиление термоденудации — криогенного разрушения горных пород с переносом продуктов разрушения в пониженные участки.

 

Заметное изменение условий взаимодействия в системе «воздух — вода — лед» влияет на характеристики поля волнения в прибрежных морях, эрозию берегов, условия судоходства и вместе с тем на проектные требования к судам и добывающим платформам.

Понижение альбедо подстилающей поверхности, обусловленное таянием морского, ледяного и снежного покрова, а также ледников на суше приводит к усилению потепления в Арктике за счет обратной связи: чем меньше отражение, тем большая часть солнечного излучения поглощается поверхностью, что усиливает таяние и провоцирует дальнейшее падение альбедо.

Вклад в подъем уровня Мирового океана от таяния льда в Гренландии и Антарктиде с большой неопределенностью оценивается в 0,35 мм/год (что составляет 10% наблюдаемой среднегодовой скорости подъема океанического уровня), точность оценок существенно возросла благодаря спутниковым измерениям вариаций гравитационного поля Земли (об этом чуть ниже), а также дистанционным наблюдениям за изменениями высоты поверхности ледового покрова (рис. 3). Основная часть подъема уровня океана приходится на тепловое расширение воды. Прямые измерения повышения температуры океана на глубине до 2000 м объясняют около 32% наблюдаемой среднегодовой скорости подъема океанического уровня. Незатронутыми потеплением климата остаются глубины океана (в силу огромной тепловой инерции и отсутствия сильных течений).

 

kosmicheskaya_diagnostika_03_703.jpg @ elementy.ru [кеш]

Вообще изучение влажности почвы и ее замерзания — оттаивания в глобальном масштабе — важнейшее направление исследования Земли. В 2010 г. влажность почвы была признана существенной климатообразующей переменной. Влагосодержание почвы — характеристика водообмена между атмосферой, почвой и грунтовыми водами — один из определяющих факторов круговорота воды в природе.

 

Соленость поверхностного слоя океана наряду с температурой определяет плотность воды и сказывается на глубине циркуляции и меридиональном переносе тепла. Поля солености, их сезонная и межгодовая изменчивость, — один из факторов, влияющих на поглощение и выделение двуокиси углерода и тем самым контролирующих цикл углерода в океанических районах Земли. И следовательно, они имеют прямое отношение к глобальному потеплению.

 

Вопрос о динамике СО2 в атмосфере остается основным в проблеме глобального потепления и оценке вклада человеческой деятельности в изменения климата.

2 июля 2014 г. был выведен на солнечно-синхронную орбиту с периодом повторения трасс 16 сут космический аппарат ОСО-2 (Orbiting Carbon Observatory). Эта миссия НАСА, предназначенная для изучения СО2 в атмосфере, позволит получить по возможности полную картину природных и технических источников углекислого газа и мест, где он покидает атмосферу. От измерительной аппаратуры космического аппарата требуется высокая точность, поскольку концентрация углекислого газа в атмосфере в региональном и континентальном масштабе меняется менее чем на 2%, а локальные вариации могут составлять и треть процента.

 

Кроме «фотоохоты» на углекислый газ эта обсерватория, наблюдая солнечно-индуцированную флуоресценцию, связанную с фотосинтезом, отслеживает сезонные изменения поглощения CO2 растениями.

 

Аппаратура ОСО-2 позволяет различать отдельные источники диоксида углерода (такие, как города), отслеживать сезонные вариации его содержания и перенос в атмосфере [10].

 

Арктические снегопады станут дождями к 2060 году

Предыдущий прогноз указывал переход на два десятилетия позднее //  nplus1.ru

 

Моделирование в рамках шестого этапа Международного проекта Coupled Model Intercomparison Project показало на переход осадков в Арктике от снега к дождю к 2060 году. Ранее стабильные дожди прогнозировались на 2080 год. Исследование опубликовано в Nature Communications и прогнозирует экологический кризис для животных Арктики.

Арктика испытывает серьезные климатические изменения, которые развиваются быстрее, чем в остальных точках планеты. В этом году 14 августа на самой высокой точке Гренландии выпал дождь — впервые за всю историю наблюдений. Кроме того, дожди уже наблюдаются в секторе Атлантики, поэтому вместе с новым случаем это свидетельствует о начале масштабного перехода осадков Арктики от снега к дождю.

Ранее на пятом этапе международного проекта Coupled Model Intercomparison Project (CMIP), который изучает и моделирует глобальные климатические процессы, ученые спрогнозировали появление регулярных дождей в Арктике в 2080 году. Но с появлением более точных и сложных моделей шестого поколения, этот переход обнаруживается на два десятилетия раньше.

 

Обе модели показывают на постоянное увеличение количества осадков во всех сезонах. В конце века (2100 год) по сравнению с 2000 годом зимой наблюдается увеличение количества осадков CMIP6 на 422 процента по сравнению с 260 процентами в CMIP5; соответствующие значения составляют 261 процент и 141 процент весной, 71 процент и 51 процент летом и 268 процентов и 192 процента осенью.
Летом и осенью увеличение количества осадков сопровождается уменьшением снегопадов и увеличением процента дождей. Зимой, однако, снегопады продолжают увеличиваться и остаются доминирующим типом осадков в конце столетия на большей части Арктики. По мнению авторов это может частично компенсировать дождливые лето и осень. Весной на протяжении всего столетия количество снегопадов практически не меняется.

 

Разработка квантовых батарей может привести к революции в сфере хранения энергии. Суть заключается в том, что чем больше батарея, тем быстрее она заряжается. Это происходит за счёт принципа сверхпоглощения — квантового коллективного эффекта, позволяющего объединённым молекулам поглощать свет более эффективно, чем если бы каждая молекула действовала по отдельности.



Квантовая батарея

Для подтверждения этой теории учёные Аделаидского университета в Австралии провели ряд экспериментов. Они создали тестовое устройство, поместив активный слой светопоглощающих молекул в микрополость между двумя зеркалами. Для разработки зеркал использовали метод чередующихся слоёв диэлектрических металлов. Это позволило отражать гораздо больше света, чем в случае с обычным зеркалом.

Чтобы измерить, как светопоглощающие молекулы накапливают энергию и как быстро заряжается всё устройство, испытатели применили сверхбыструю спектроскопию нестационарного поглощения. Во время эксперимента было зафиксировано, что при увеличении размера микрополости и количества молекул время зарядки уменьшалось.

Это испытание может проложить путь к разработке первых квантовых батарей, что откроет путь к появлению быстрозаряжающихся электромобилей или других устройств, нуждающихся в питании.

До создания полноценной квантовой батареи ещё далеко. Учёным предстоит выяснить, как выявленный эффект можно интегрировать с другими способами хранения и передачи энергии, чтобы разработка стала практически полезной. По оценкам исследователей, на создание прототипа у них уйдёт около 3-5 лет.