КРАТКА ТЕОРИЯ НА ЗЕМНАТА КЛИМАТИЧНА СИСТЕМА, ПО-ОСОБЕНО В КОНТЕКСТА НА КЛИМАТНИТЕ ПРОМЕНИ *

тема

Кратки бележки към теорията за климатичната система на Земята и връзките с изменението на климата

(* Проф. RNDr. Milan Lapin, CSc., Промяна на встъпителната лекция на професора от 20.IX.2004 г.)

Под термина климат и климатични условия или условия те разбират в други области относително широк кръг от въпроси. Според Световната метеорологична организация (WMO) климатът или климатът е дългосрочен метеорологичен режим. WMO счита, че периодът е поне с 30 години по-дълъг, докато периодът 1961-1990 г. сега е стандартният нормален период (характеристиките на климата от този период се използват за международни сравнения на климатичните условия на Земята). Климатът също е статистически набор от държави на цялостната климатична система на Земята (KSZ), през които преминава през дълги периоди. KSZ се състои от атмосферата, хидросферата (водата на Земята), криосферата (сняг и лед на Земята), литосферата (горните слоеве на земната кора), биосферата (живи организми на Земята) и ноосферата (човешки дейности) . Това се отнася само за компонентите на горните подсистеми KSZ, които по някакъв начин са свързани с климата (по-долу:.

Климатология е наука за контекста и причините за определени климатични условия или условия и техните изменения, въздействието на климата върху обектите на човешката дейност и обратно. Познаването на теорията за функционирането на KSZ е необходимо условие за научен анализ на климатичните условия. Под научен анализ имаме предвид предимно правилната физическа и статистическа интерпретация. Метеорология е предимно наука за текущото състояние на KSZ, в противен случай също наука за процесите в земната атмосфера, една от нейните задачи е да прогнозира времето за период до 10 дни, но решава много често срещани проблеми с климатологията.

Относно климатичните условия ние говорим, когато става въпрос за общите климатични характеристики на дадено населено място или територия. Когато имаме предвид връзката на климата с обект на човешка дейност или с екосистеми, ние използваме термина климатични условия.

Понятия и факти, свързани с изменението на климата и променливостта те често излизат на преден план, особено в периоди с различни краткосрочни метеорологични аномалии в сравнение с дългосрочните средни стойности. Поради факта, че непрофесионалната (понякога дори професионална) публика няма общ преглед на наличните дългосрочни климатични средни стойности и характеристиките на климатичната променливост, понякога крайностите се считат за метеорологични събития с относително честа средна честота (дори по-често отколкото веднъж на всеки 10 години). Измененията на климата в дългите геоложки периоди на Земята (в продължение на хиляди до милиони години) често се смесват заедно с промени през кратки (по-малко от 30 години) периоди, които имат различни причини. Ролята на професионалните метеоролози и климатолози е да предоставят и разпространяват такава информация за изменението на климата и променливостта, която се основава предимно на статистическа статистическа основа и е правилно интерпретирана климатологично.

Екосистемни общности и накрая човешки дейности през последните 10 хиляди години (от края на последната ледникова епоха) са се приспособили към определени климатични условия (както средни, така и променливост). Всяка промяна в климата означава нова адаптация за екосистемите и хората. Ако промяната е по-бърза в сравнение с промените в миналото (ако екосистемите не я имат в генетичната си памет), те стават нестабилни. Нов баланс в екосистемите може да се създаде дори след няколко века. Опитът показва, че човешките дейности също бавно се адаптират към новия климат. Това се дължи и на факта, че някои процеси на адаптация са много взискателни по отношение на време и пари (например: храна и жилища, но също така промени в земеделието, горското стопанство и управлението на водите, наводненията и напоителните системи трябва да бъдат разпределени в продължение на няколко десетилетия).

Изменението на климата - този термин е бил използван в миналото за всички промени, свързани с климата (сега само за природни промени в климата). Климатичните промени от естествен характер са предимно промени през миналите геоложки времена на Земята (милиони до стотици милиони години), ледникови периоди (десетки хиляди до милиони години), други промени (стотици години), понякога ниско- честотни колебания на климата (десетки години).

Променливост на климата - Климатичните условия се характеризират с централни, дисперсионни, тенденционни и циклични характеристики. Характеристиките на дисперсията представляват променливост на климата (стандартно отклонение, други характеристики на кривата на разпределение (вероятност за превишаване за 10, 50, 100 години), променливост на последователността (в рамките на деня, междугодишно) и т.н.). Променливостта на климата може също да бъде изчислена за по-дълги периоди от една година, както и с използване на различно по-дълги периоди от време за стойностите на входните данни за обработка (от 10 минути до 30 години).

Колебания на климата - естествените колебания в климатичните характеристики се дължат главно на слънчевата радиация (годишен цикъл, 11-годишен цикъл,), други цикли са свързани с цикличността на някои климатични процеси (например QBO (около 2 години), ENSO, El Niño 2 и 2) - Северноатлантическо трептене), с изключение на едногодишния пробег, всички ние сме много слабо изразени, цикълът на кватернерните ледникови епохи има период от около 100 хиляди. години, циклите с ниска честота се считат за колебания с период по-дълъг от 11 години. Всички по-дълги цикли са трудни за идентифициране във времевия ред на наблюденията.

Под термина "изменение на климата" разбираме само онези промени в климатичните условия, които са свързани с антропогенно обусловения растеж на стъкления ефект на атмосферата от началото на индустриалната революция (около 1750 г. сл. н. е., ако могат да бъдат разграничени от естествените промени). От края на последната ледникова епоха до 1750 г. концентрацията на т.нар парникови газове (парникови газове) в атмосферата само леко, тъй като нарастването на всички парникови газове в атмосферата с изключение на водните пари (H2O) се е ускорило. Напълно новите парникови газове са фреуни и халони (след 1930 г.). Под термина парников ефект на атмосферата разбираме сумата от последиците от парникови газове (иначе също радиационно активни газове) в атмосферата, които поглъщат топлинното излъчване на Земята, загряват частта от атмосферата, където се намират и променят баланса на топлинното излъчване на повърхността на повърхността от по-силното обратно излъчване на атмосферата. Това стабилизира определена средна температура на въздуха в земния слой на Земята (сега тя е около +15 ° C, естественият стъклен ефект на атмосферата представлява повишаване на температурата на земния слой на атмосферата на Земята с 33 ° C, без които бихме имали -18 ° C).

В миналото се предполагаше, че метеорологичните процеси, включително климатичните условия, са почти изключително свързани със земната атмосфера. Днес учените допускат около 50% от атмосферата, 20% от хидросферата и 30% остават за останалите подсистеми. Следователно най-новите учебници по теоретична климатология обръщат специално внимание на взаимодействието между атмосферата и хидросферата. Предполага се също така, че климатичните условия се влияят предимно от астрономически и географски фактори. Според последните резултати от научните изследвания влиянието на циркулаторните и антропогенните фактори също е много значително.

Съвсем накратко за някои интересни характеристики на подсистемите KSZ

Други подсистеми KSZ - Литосфера е горната част на земната кора, която по някакъв начин допринася за формирането на климатични условия. Това е както повърхността на сушата, така и морското дъно с променлива дълбочина в зависимост от местните условия. Тази подсистема е добре да се оцени заедно с Биосфера, т.е. всички живи организми на тази Земя, включително техните карбонатни и други вкаменелости, растителни и животински останки. Докато литосферата се счита за повече или по-малко дългосрочна постоянна подсистема, биосферата може да се разглежда като такава просто, ако говорим за природни и антропогенно незасегнати екосистеми. Човек със своите социално-икономически дейности понякога може частично да бъде включен в биосферата - понякога се нарича тази подсистема Ноосфера или Антропогенна сфера. В този момент е необходимо да се подчертае не само бързият и експоненциален растеж на населението на Земята (преди около 5 милиона преди 12 хиляди години, преди около 500 милиона преди 500 години и 6000 милиона през 2002), но и много бързият растеж на енергията, потребление на суровини и стоки, което се проявява в значително влияние върху естествената среда на Земята. Функцията на тези подсистеми в KSZ ще бъде разгледана по-нататък в текста.

Сега няколко думи за системите

Тъй като всички предишни теории на KSZ се основаваха на условията за оценка на атмосферата като термохидродинамична система, такива процедури обикновено се прилагат за останалите й компоненти. Ето характеристиките на системите, които могат да бъдат приложени към KSZ. Всяка система трябва да се характеризира най-малко със състава, термодинамичното и механичното състояние. Сложността на цялостната система (също KSZ) се дължи главно на нелинейността на взаимодействията на нейните компоненти. Тъй като ще разгледаме външни и вътрешни фактори, формиращи климата, е необходимо да разделим цялото пространство на две части - KSZ и околностите му.

Почти всички подсистеми в пълна KSZ имат характер на отворени и произволно колебаещи се системи, т.е. с турбулентен (хаотичен) режим и с повече или по-малко стабилни гранични условия. Такива системи преминават през много и различни физически състояния. На пръв поглед не изглежда да сме в състояние да решаваме физически процеси в такива системи. Факт е обаче, че съществуват реални възможности за правилен анализ с помощта на средствата на математическата статистика и статистическата физика. Разбира се, в такива случаи не се занимаваме отделно с процесите на отделни случаи, това са дълги времеви редове или множество набори от данни, които имат необходимите свойства от гледна точка на статистическия анализ. Важни са: независим произволен подбор, достатъчен брой, проверено качество и представителност на наблюдаваните или измерените данни.

Слънчева радиация

Регионални различия в радиационния и енергийния баланс на Земята те имат решаващ принос за генезиса на типовете климат и за динамиката на развитието на климата. Поради разпределението на облаците, албедата и повърхностната температура на сушата, моретата и океаните са създадени трудни условия за цялостния радиационен баланс. Повече от 80% от енергията от общия радиационен баланс се получава от тропическата зона между тропиците (40% от повърхността на Земята), повърхността на океаните тук получава около 2 пъти повече енергия от Слънцето от земната повърхност на единица площ. Още по-сериозен е фактът, че повече от 90% от общия радиационен баланс се използва за изпаряване в тропическите океани. Ясно е, че адвекцията (трансферът) на енергия от корпуса чрез атмосферната и морска циркулация е изключително важна.

В допълнение към добре познатите регионални специфики на радиационния и енергийния баланс, нека направим пауза дори с по-рядко представени констатации. Стабилизирането на средната стойност и променливостта на атмосферната температура в приземния слой на въздуха (2 м над земната повърхност) зависи главно от промените в режима на атмосферната химия, общия радиационен баланс, атмосферната и морската циркулация. Всички тези процеси са свързани със значителни обратни връзки, които обикновено намаляват възникналите колебания.

Радиационно активни (стъклени) газове

Ефектът от нарастващата концентрация на парникови газове върху стабилизирането на по-високата средна температура в приземния слой на атмосферата често се нарича "Радиационно усилване" (радиационно принуждаване). От друга страна, увеличаването на концентрациите на някои аерозоли може да има обратен ефект, т.е. "Радиационно затихване". През 2000 г. стойността на радиационното усилване се изчислява на 2,43 W.m -2 (+0,3 W.m -2 увеличена слънчева радиация) и затихване на радиацията от 0 до 2 W.m -2. Въпреки че подобно сравнение е само хипотетично, в крайна сметка то има същото значение, както ако потокът на постъпващата слънчева светлина се засили. Трябва да се подчертае, че радиационният прираст през 2000 г. е бил около 8 пъти по-голям от увеличаването на входящата слънчева светлина до горната граница на атмосферата за 350 години. Радиационното затихване поради антропогенни аерозоли никъде на Земята не е надвишило 50% от радиационното усилване поради нарастването на парниковите газове в по-големия регион.

Динамика на атмосферата и океана

д S = 0,02%. При по-големи дълбочини на океаните ролята на измененията на налягането е по-важна от температурните промени.

Взаимодействия и обратна връзка

Взаимодействията и обратните връзки между подсистемите на цялостен KSZ се осъществяват чрез известни климатични процеси, но тяхната динамика не е напълно известна. Въпреки че по-голямата част от тези процеси вече могат да бъдат добре описани чрез системи от диференциални уравнения и можем да ги считаме за повече или по-малко детерминирани (това е така наречената принудителна променливост на климата), някои процеси протичат непредсказуемо с очевиден дял от разликата нестабилност и обратни връзки, водещи до нелинейни взаимодействия между различни компоненти на KSZ). Въз основа на тези знания метеорологът и климатологът Е.Н. Лоренц теория на хаоса.

Външните фактори, които определят поведението на KSZ, са предимно астрономически (слънчева константа, орбитални параметри на Земята, въртене на Земята) и земни (атмосферен състав, вулканични изригвания, човешки дейности, използване на земята, геотектика, тектоника). Някои от тези фактори са повече или по-малко стабилни в дългосрочен план, други са обект на определени редовни или нередовни промени. Вътрешните фактори за формиране на климата в KSZ са свързани главно с механизма на положителни и отрицателни обратни връзки и други взаимодействия между елементите на цялостен KSZ. Тези фактори могат да инициират процеси, водещи до нестабилност или колебания на цялата система, докато те могат да бъдат внедрени напълно независимо от външните фактори, или могат да бъдат значително модифицирани. Като пример можем да посочим годишния и дневния ход на климатичните елементи, които очевидно водят началото си от външни астрономически фактори. В KSZ обаче има редица други цикли (от 12 часа до 100 000 години или дори повече), които отчасти могат да бъдат отнесени към външни и отчасти вътрешни фактори в KSZ. Интерактивният и нелинеен характер на процесите в KSZ прави изключително трудно интерпретирането.

Учените отдавна са убедени в голямата стабилност на химичния състав на атмосферата, защото има ефективни отрицателни обратни връзки, които не позволяват значителни отклонения. Дори случайни значителни вулканични изригвания и големи промени в земеползването през Средновековието не успяха значително да променят квазипостоянството на атмосферната химия. Анализът на консервирани проби от въздух от кухини в ледниците (и другаде) потвърди, че през последните милиони години това е било само през ледниковите епохи, когато концентрацията на въглероден диоксид и метан (CO2 и CH4) в атмосферата е леко променена. През последните 10 000 години до 1750 г. няма почти никакви промени. Вярно е, че в ранните етапи от развитието на Земята (преди милиард години) имаше относително големи разлики в концентрацията на CO2, O2, O3 (озон), H2O, CH4 и други газове в сравнение с настоящето. Това обаче не играе съществена роля в анализа на KSZ сега.

Стъкленият ефект на атмосферата е истинска физическа система с добре познати размери на процеса. Някои несигурности възникват от възможното развитие на отрицателни обратни връзки (облаци, фотосинтеза, ледници, аерозоли, по-дълбоки океански слоеве). Революционни промени във въглеродния цикъл на Земята (появата на нови растителни и животински видове с голям и бърз растеж на улавянето на CO2 от атмосферата, такава промяна в циркулацията на океана,). Съществува и противоречиво разглеждане на възможните отрицателни ефекти на обратна връзка поради бързото увеличаване на концентрацията на някои аерозоли в атмосферата и облачната покривка. По-скоро изглежда вероятно след размразяването на вечната лед и някои ледници да има допълнителни емисии на CO2 и CH4, уловени в тази среда преди милиони години.

Въпреки че в Словакия не се занимаваме с моделиране на климатични процеси в глобален мащаб, ние използваме тези резултати за регионална интерпретация и е необходимо нашите експерти да са проучили подробно този въпрос. В Словакия също се опитваме да приложим последните констатации от оценката на възможните последици от изменението на климата върху социално-икономическата сфера и от приемането на мерки за адаптиране и смекчаване на последиците. Някои други подробности са на страниците: www.dmc.fmph.uniba.sk, www.ipcc.ch, www.wmo.ch и също.

Проф. RNDr. Милан Лапин, CSc.

Авторът е гарант за изучаването на метеорология и климатология във Факултета по математика, физика и информатика на Университета Коменски и дългогодишен председател на Националната програма за климата на Словашката република.

Доброволски, С.Г .: Стохастична климатична теория: модели и приложения. Спрингър. Берлин, Хайделберг, Ню Йорк, Барселона, Хонконг, Лондон, Милано, Париж, Сингапур, Токио 2000, 282 стр.

IPCC, TAR, 2001: Изменение на климата 2001: Научната основа. Принос на работна група I към третия доклад за оценка на IPCC. Cambridge Univ. Press, Великобритания, 944 стр. (www.ipcc.ch)

Лапин, М., Томлейн, Дж .: Обща и регионална климатология. Вид. Великобритания Братислава, 2001, 184 с. (университетски учебник).

Лоренц, Е. Н.: Природата и теорията на общата циркулация на атмосферата. Публикация на WMO No. 218, Женева 1967, 167 стр.

Педлоски, Дж.: Теория за циркулацията на океана. Спрингер, Берлин 1998, 455 стр.