3.1 Естественные изменения климата

В результате изучения материалов метеорологических наблюдений, выполняемых вол всех районах земного шара, установлено, что климат не является постоянным, а подвержен определенным изменениям. В частности, выяснилось, что в конце ХІХ в. началось потепление, которое особенно усилилось в 20-30-х годах ХХ века. В 40-х годах потепление закончилось и началось медленное похолодание, которое в 60-х годах прекратилось и, сменилось новым потеплением. Глобальное потепление продолжается и в наши дни.

Исследования палеогеографов и геологов, изучавших осадочные отложения земной коры, показали, что в прошедшие эпохи происходили гораздо больше изменения климата. В этих исследованиях было установлено. что в течение последних нескольких сот миллионов лет климат резко отличался от современного. В то же время разница температур между экватором и высокими широтами была сравнительно невелика. При этом температура в средних и высоких широтах была гораздо выше наблюдаемой в наше время.

Такое положение начало изменяться в третичный период - несколько десятков лет тому назад, когда температура в высоких широтах стала снижаться и возникли первые, сначала сравнительно небольшие, полярные ледяные покровы. В четвертичный период, в течение последнего миллиона лет, эти оледенения были подвержены значительным колебаниям, в ходе которых они несколько раз увеличивались, достигая средних широт, а затем опять отступали в высокие широты. Последнее наступление ледников закончилось около 10 тыс. лет тому назад, после чего постоянный ледяной покров в северном полушарии сохранился главным образом в Северном Ледовитом океане, а в южном полушарии - в Антарктиде и прилегающих к ней морях.

Для объяснения изменений климата, происходивших в прошлом, было предложено много гипотез, которые. однако, ранее не были подтверждены достаточно подробными исследованиями общепланетарного характера.

В последние годы для изучения вопроса о причинах изменений климата в работах ряда отечественных и зарубежных ученых были широко использованы методы физической климатологии. В этих исследованиях были выяснены многие закономерности изменений климата.

К числу факторов, которые существенно влияют на климат Земли, принадлежит размещение континентов и океанов на земной поверхности.

Установлено, что в том случае, когда океаны простираются на пространствах, охватывающих высокие и низкие широты, в них развиваются мощные течения, которые переносят много тепла из тропических широт к полюсам Земли. Это способствует поддержанию высоких температур в полярных районах. В противоположном случае, когда континенты занимают полярные области или окружают их, ограничивая приток теплых океанических вод к полюсам, температура в высоких широтах падает, что способствует образованию полярных льдов.

Большое влияние на климат оказывают колебания концентрации атмосферного углекислого газа (СО2), от которых зависит парниковый эффект атмосферы и, следовательно, температура нижнего слоя воздуха. Учеными установлено, что в геологическом прошлом количество углекислого газа в атмосферном воздухе заметно изменялось. На рисунке 9 представлены данные о количестве углекислого газа для различных интервалов времени в течение фанерозоя, т.е. последних 570 млн. лет. На этом же рисунке изображены колебания уровня вулканической активности, которые характеризуются изменениями количества изверженных пород в осадочных отложениях, образованных за единицу времени. Видно, что в эпохи максимумов вулканической активности количество СО2 в атмосфере возрастало. Это объясняется тем, что при извержении вулканов в атмосферу поступает много углекислого газа.

Рис. 9. Изменение концентрации СО2 и массы вулканических пород в геологическом прошлом

Начиная с конца мезозойской эры преобладала тенденция к понижению концентрации атмосферного углекислого газа, в связи с чем в современную эпоху эта концентрация составляет всего около 0,03 % от объема атмосферы. Это значение в несколько раз ниже среднего количества углекислого газа в атмосфере фанерозоя.

Так как углекислый газ практически прозрачен для солнечной радиации и существенно уменьшает длинноволновое излучение, уходящее от земной поверхности, увеличение количества СО2 приводит к усилению парникового эффекта и повышению температуры нижнего слоя воздуха. Есть основания считать, что уменьшение концентрации углекислого газа на протяжении кайнозойской эры было главной причиной изменения климата в сторону похолодания и появления в высоких широтах ледниковых покровов.

В исследованиях последних лет доказано, что полярные льды. возникшие в результате глобального похолодания, способствуют дополнительному понижению температуры воздуха в занимаемой ими зоне.

Льды обладают большой отражающей способностью для солнечной радиации, из-за этого при возникновении льдов количество поглощаемой радиации уменьшается, и температура воздуха падает. Таким образом, льды являются не только следствием похолодания климата, но и в некоторой мере его причиной.

Для объяснения особенностей климата, который существует последний миллион лет, большое значение имеет вопрос о причинах перемещений ледяного покрова, который в холодные, ледниковые эпохи спускался до широты Москвы, а в теплые, межледниковые эпохи отступал далеко к северу, в полярные широты.

Следует отметить, что в отдаленном прошлом, когда полярных льдов не было или они были сравнительно малы, периодические колебания количества солнечной радиации, получаемой в высоких широтах, не могли вызвать заметных изменений климата, т. е. ледниковые эпохи возникали в значительной мере в результате тенденции крупных ледяных покровов к саморазвитию.

На климатические условия влияют также колебания прозрачности атмосферы. В атмосфере содержатся разнообразные жидкие и твердые частицы - аэрозоли, количество которых в некоторые периоды возрастает, а в другие - уменьшается. Основная причина увеличения количества аэрозолей - вулканические извержения. При усилении вулканизма прозрачность атмосферы уменьшается, в связи с чем уменьшается количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, и температура нижних слоев воздуха падает. В периоды с ослабленным вулканизмом атмосфера очищается от аэрозолей и температура воздуха растет. Это явление имеет существенное значение для современных изменений климата.

Рис. 10. Изменение солнечной радиации и средней температуры воздуха в Северном полушарии

Представления об этих изменениях можно получить из данных, изображенных на рисунке 10, где пунктиром охарактеризовано отклонение средней температуры воздуха в северном полушарии от нормы. Видно, что с конца ХІХ века до 30-х годов ХХ века температура воздуха повысилась приблизительно на 0,60С. После 30-х годов потепление сменилось похолоданием, в ходе которого к 60-м годам температура снизилась примерно на 0,3 0С, затем началось новое потепление.

Естественные колебания термического режима в современную эпоху сами по себе оказывали сравнительно небольшое влияние на природные условия и хозяйственную деятельность. Это влияние было более заметным в высоких широтах, где изменения температуры значительно больше их средних планетарных значений. В связи с этим естественные изменения температуры воздуха приводили к некоторому увеличению или уменьшению площади морских полярных льдов.

Наибольшее значение для хозяйственной деятельности имели связанные с естественными колебаниями температуры воздуха изменения режима атмосферной циркуляции, приводящие к росту или уменьшению выпадающих осадков. При этом во внутриконтинентальных районах средних широт наблюдалась тенденция к увеличению количества осадков при похолодании и к уменьшению осадков при потеплении. Хотя зависимость режима осадков от естественных колебаний температуры в современную эпоху отчетливо проявляется только в ограниченных районах, эти районы. включающие, в частности, степные и лесостепные зоны, имеют большое значение для сельского хозяйства. В результате этого при потеплении заметно увеличивается частота засух, охватывающих большие пространства в зонах недостаточного увлажнения и наносящих значительный ущерб сельскому хозяйству.

Гораздо большие естественные изменения климата происходили за периоды в десятки и сотни тысяч лет, когда на протяжении четвертичного периода ледниковые эпохи сменялись межледниковыми. Исследования этих изменений климата показали, что средняя температура у поверхности Земли при переходе от межледниковых эпох к ледниковым изменялась на величину в несколько градусов. При переходе от сравнительно теплого климата конца третичного периода к гораздо более холодному климату плейстоцена средняя температура у земной поверхности также изменялась на несколько градусов. Если учесть, что эти изменения климата приводили к перестройке природных условий на большей части поверхности Земли, то очевидно, что колебания климата такого масштаба могут оказать очень большое влияние на хозяйственную деятельность.

Установлено, однако, периодичность колебаний климата, чередование более дождливых и засушливых, более жарки и холодных периодов. Известны вековые колебания: примерно через каждые 100 лет наблюдается потепление, сменяющееся затем похолоданием. В среднегодовом балансе эти изменения выражаются всего долями градуса, в тропических и умеренных странах практически мало заметны. Зато в полярных странах в последние 30-35 лет наступило заметное потепление: отступила мерзлота, уменьшилось количество льда. В Антарктиде появились "оазисы" - участки, свободные ото льда. В умеренных широтах в течение последних десятилетий заметно сократилась продолжительность залегания снегового покрова и замерзания рек. Установлены также 35-летний и особенно хорошо выраженный 11-летний периоды колебания климата.

Все эти изменения связаны с колебаниями активности процессов, происходящих на Солнце. В периоды наиболее активной деятельности Солнца особенно сильно проявляются все геофизические процессы.

Однако геофизические колебания не свидетельствуют об изменениях климата. В результате этих колебаний отдельные годы по метеорологическим условиям не похожи один на другой.