Глобальное потепление: причины, наблюдаемые изменения и прогнозы Межправительственной группы экспертов по изменению климата

Термин «глобальное потепление» обычно относится к явлению резкого повышения температуры на планете в течение последнего столетия, тогда как более широкий термин «изменение климата» охватывает долгосрочные изменения климатических моделей. Большинство учёных полагают, что вклад человека в изменение климата достиг критического уровня по мере индустриализации мира. Ключевые сведения о краткосрочных климатических изменениях обобщены в докладе «Изменение климата 2007: основы физической науки», опубликованном Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) — международным коллективом из сотен учёных, проанализировавших все доступные данные. Эта группа оценила причины недавних краткосрочных изменений глобального климата и сделала прогнозы на будущее, причём большая часть информации основана непосредственно на выводах МГЭИК.

Одиннадцать из двенадцати лет в период с 1996 по 2006 год оказались самыми тёплыми за всю историю инструментальных наблюдений, ведущихся с 1850 года. Повышение температуры ускоряется, причём полярные регионы пострадали сильнее экваториальных. Уровень моря также повышается всё более быстрыми темпами: с 1961 по 1993 год глобальный уровень рос на 0,13–0,23 см/год, а с 1993 года — на 0,24–0,28 см/год. Этот рост частично обусловлен таянием ледников, ледяных шапок и снега, а частично — термическим расширением океанской воды при нагревании. Ледники сокращаются в обоих полушариях, а ледяные шапки Северного Ледовитого океана и некоторых районов Антарктиды быстро уменьшаются.

Глобальные закономерности выпадения осадков заметно меняются: на большей части восточной части Северной и Южной Америки, в Северной Европе и Северной и Центральной Азии количество осадков увеличивается. Напротив, в таких регионах, как Сахель, Средиземноморье, южная Африка и Южная Азия, количество осадков сокращается. В глобальном масштабе районы, испытывающие засуху или уменьшение осадков, превышают по площади территории с увеличением осадков.

Колебания температуры за последние 1000 лет. Понимание изменений климата Земли за последние 100–200 лет или за период с последнего ледникового максимума основывается на нескольких типах данных. Инструментальные данные о климате доступны примерно с 1850 года, когда регистрирующие устройства получили широкое распространение. Длинные ледяные керны, добытые в Гренландии и других местах, используются для измерения прошлых климатических условий на протяжении примерно 650 000 лет.

В ноябре 2007 года МГЭИК опубликовала заявление: «Потепление климатической системы не вызывает сомнений, что очевидно из наблюдений за повышением средней глобальной температуры воздуха и океана, повсеместным таянием снега и льда и повышением среднего глобального уровня моря». С 1750 года глобальные концентрации парниковых газов в атмосфере заметно возросли в результате деятельности человека и значительно превышают доиндустриальный уровень. Глобальное увеличение концентрации углекислого газа связано прежде всего с использованием ископаемого топлива и изменениями в землепользовании, тогда как рост концентрации метана и закиси азота связан преимущественно с сельским хозяйством.

Мать-белая медведица и её детёныш, которым угрожает глобальное потепление

Это смелое заявление основано на анализе данных за последние 1000 лет, который показал, что температура оставалась довольно стабильной (примерно на 0–0,5 °C ниже среднего значения 1990 года) в период с 1000 по 1910 год. Затем температура начала резко повышаться, кратковременно выровнялась в 1950‑х годах и снова резко пошла вверх примерно с 1976 года. Сейчас температура примерно на 0,5–1,0 °C выше значения 1990 года и, как ожидается, поднимется на 2–5 °C выше этого значения к 2100 году.

Для измерения средних глобальных температур такие организации, как Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и Глобальная система наблюдения за климатом (ГСНК), поддерживают множество точек наблюдения на континентах, которые затем распределяются по сетке на равные области. Спутниковые наблюдения широко используются там, где локальные измерения недоступны, а также для калибровки моделей, учитывающих локальные эффекты (например, «остров тепла» в городах). Благодаря быстрому совершенствованию компьютерного моделирования стало возможным создавать всё более детальные и точные климатические модели.

График среднемировых колебаний температуры на планете за последние 1000 лет и прогнозируемая температура к 2100 году по различным моделям. Все модели показывают прогнозируемое повышение температуры в диапазоне от 1,5 до 5,5 °C. (Данные МГЭИК за 2007 год)

Наблюдаемые краткосрочные изменения климата и их последствия. Данные приборов и ледяных кернов показывают, что концентрация парниковых газов (особенно CO₂) резко возросла с 1850 года, что привело к усилению поглощения атмосферой исходящей радиации и потеплению. Количество аэрозолей — микроскопических частиц в воздухе — также увеличилось; они отражают и поглощают поступающую солнечную радиацию. Период с 1995 по 2006 год считается одним из самых жарких за всю историю наблюдений, включая 11 из 12 зарегистрированных самых тёплых лет. Общее повышение температуры с 1850 года, по оценкам МГЭИК, составило 0,76 °C (1,4 °F). Измерения содержания водяного пара в атмосфере, проводимые с середины 1980‑х годов, показывают его увеличение с ростом температуры.

Уровень моря повышается примерно на 0,18 см/год с 1961 года и на 0,31 см/год с 1993 года. Температура океанов на глубине до 3 км повышается по крайней мере с 1961 года, причём морская вода поглощает около 80 % тепловой энергии, связанной с глобальным потеплением. Это расширение воды способствует повышению уровня моря, наряду с таянием горных ледников в обоих полушариях. Ледяные шапки Гренландии и Антарктиды значительно истончаются, и их таяние, скорее всего, также вносит вклад в измеренный подъём уровня моря.

В Арктике температура поверхности за последние 100 лет повышалась примерно вдвое быстрее, чем в среднем по миру. Морской лёд Северного Ледовитого океана становится тоньше и занимает меньшую площадь; с 1978 года его протяжённость сокращается на 2,7 % каждое десятилетие. В арктических регионах вечная мерзлота прогревается на 3 °C (4–5 °F), а общее сокращение её площади с 1900 года оценивается примерно в 7 %. МГЭИК выражает опасение, что таяние вечной мерзлоты может привести к выбросу большого количества углерода в атмосферу. Состояние морского льда вокруг Антарктиды демонстрирует большие межгодовые колебания, и долгосрочные тенденции пока не прослеживаются.

Характер осадков меняется: с 1900 по 2007 год наблюдается длительное высыхание и потенциальное опустынивание в некоторых районах Сахеля, Средиземноморья, Южной Азии и большей части юга Африки. С 1970‑х годов на обширных территориях отмечаются более глубокие и продолжительные засухи, связанные с изменениями температуры океана, характера ветра и потери снежного покрова. С 1960‑х годов западные ветры в средних широтах усилились в обоих полушариях. Экстремальные погодные явления (обильные осадки, сильная жара) наблюдаются всё чаще. Многие исследования подтверждают усиление активности тропических циклонов над Северной Атлантикой с 1970‑х годов, связывая это с повышением температуры поверхности моря.

Графики средней глобальной температуры, уровня моря и снежного покрова за последние 160 лет (данные МГЭИК за 2007 год)

Причины краткосрочного изменения климата. В докладах «Изменение климата 2007» МГЭИК указывает, что концентрация парниковых газов резко возросла в результате деятельности человека, начиная с ранней промышленной революции (около 1750 года) и ускоряясь к её концу (около 1850 года). Наиболее значительное увеличение наблюдается для диоксида углерода (CO₂), метана (CH₄) и закиси азота (N₂O). CO₂, наиболее значимый антропогенный парниковый газ, образуется главным образом при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, бензин).

Концентрация CO₂ в атмосфере возросла с доиндустриального уровня 280 ppm до 379 ppm (2005 год), что намного превышает естественный диапазон 180–300 ppm за последние 650 000 лет. Хотя в геологическом прошлом уровни CO₂ были выше из‑за вулканизма и суперконтинентальных циклов, темпы увеличения концентрации за последние 10 лет ускорились. Концентрация метана выросла с 715 ppb (доиндустриальный) до 1774 ppb (2005 год), что также значительно превышает естественный диапазон 320–790 ppb. Закись азота выросла с 270 ppb до 319 ppb за тот же период.

Учёные МГЭИК оценивают, что общее увеличение нагрева атмосферы из‑за антропогенных выбросов парниковых газов с 1750 года превышает другие воздействия, и темпы потепления сейчас выше, чем когда‑либо за последние 10 000 лет. Радиационное воздействие — чистое изменение интенсивности излучения в тропопаузе — для CO₂ в период 1995–2005 годов составляет около 20 %, что является самым большим показателем за последние 200 лет. Часть потепления может компенсироваться увеличением количества аэрозолей (сульфаты, органический углерод, сажа, нитраты, пыль), которые оказывают охлаждающее действие. По мере потепления климата больше пыли поднимается из засушливых регионов (окраины пустынь Гоби и Сахара), где она может находиться в атмосфере длительное время.

Ель, уничтоженная еловым короедом близ Гомера, Аляска

Парниковый эффект. Термин «парниковый эффект» относится к чувствительности климата Земли к концентрации определённых газов в атмосфере. Концепция впервые предложена французским физиком Эдме Мариоттом (1620–1684) в 1681 году, который отметил, что свет и тепло от Солнца легко проходят через стекло, а тепло от свечей — нет. Затем Жозеф Фурье в 1824 году распространил эту концепцию на атмосферу, отметив, что тепло от Солнца проходит через атмосферу, но тепло, излучаемое обратно с Земли, может задерживаться некоторыми атмосферными газами.

В 1861 году ирландский физик Джон Тиндалл (1820–1893) определил, что молекулы воды (H₂O) и углекислого газа (CO₂) в основном ответственны за поглощение тепла, излучаемого Землёй, тогда как азот и кислород не играют роли в этом эффекте. Тиндалл отметил, что изменения концентраций CO₂ и H₂O могут попеременно охлаждать и нагревать атмосферу, вызывая «все изменения климата, которые выявляют исследования геологов». Следующий шаг сделал шведский физик Сванте Аррениус (1896 г.), который подсчитал, что 40‑процентное изменение концентрации CO₂ может вызвать наступление или отступление континентальных ледников, формируя ледниковые и межледниковые периоды. Позже это подтвердилось по ледяным кернам Гренландии.

Современная концепция связи выбросов парниковых газов со сжиганием ископаемого топлива была сформулирована британским инженером и метеорологом-любителем Гаем Стюартом Каллендаром (1898–1964) в 1938 году. Он подсчитал, что удвоение CO₂ в атмосфере приведёт к повышению средней глобальной температуры примерно на 2 °C (3 °F), причём на полюсах будет теплее, и предсказал, что «основным результатом станет постепенное повышение средней температуры в более холодных регионах Земли». Эти прогнозы впервые подтвердились в 1947 году, когда Альман сообщил о повышении средней температуры в североатлантическом секторе Арктики на 1,3 °C.

Сравнение краткосрочных изменений климата с палеоклиматическими данными. Отделить последствия антропогенных изменений климата от естественных колебаний сложно. Современное глобальное потепление необычно для данных за последние 1300 лет, но оно имеет аналоги, вызванные естественными причинами около 125 000 лет назад. В последний раз, когда климат потеплел так значительно, как сейчас (примерно 125 000 лет назад), таяние полярных льдов привело к повышению уровня моря на 4–6 м (13–20 футов), что говорит об опасности перемещения береговых линий. Данные ледяных кернов показывают, что температура в Гренландии была на 3–5 °C выше, чем сейчас, — уровень, которого многие модели ожидают к концу этого столетия. Последние 50 лет были самыми жаркими за последние 1300 лет.

Измеренное увеличение антропогенных выбросов парниковых газов может с лихвой объяснить измеренное повышение температуры поверхности за последние 50–100 лет. Меньшее, чем ожидалось, потепление, вероятно, связано с охлаждающим эффектом аэрозолей от вулканических извержений и пустынной пыли. Эти измерения убедительно свидетельствуют, что современное глобальное потепление вызвано антропогенными выбросами, а не долгосрочными климатическими механизмами прошлого. Поверхностное потепление имеет почти глобальный масштаб, за исключением Антарктиды, которая защищена от частей глобальной системы атмосфера–океан. Существуют локальные «дыры потепления», где локальные атмосферные воздействия сильнее глобальных.

Изменения уровня моря. Уровень мирового океана повышается из‑за таяния ледяных щитов Гренландии и Антарктики и теплового расширения воды. Земля находится в межледниковой стадии ледникового периода, и уровень моря поднялся почти на 130 м (400 футов) со времени последнего ледникового максимума 20 000 лет назад и примерно на 15 см за последние 100 лет. Темпы повышения ускоряются и могут составлять до 2,5 см каждые 8–10 лет. Если бы весь лёд на обоих щитах растаял, уровень моря поднялся бы на 70 м (230 футов), затопив большинство крупных городов и значительные части континентов.

Около 100 миллионов человек живут в пределах 1 м от современного уровня моря. Быстрое и значительное повышение уровня моря приведёт к экономической и социальной катастрофе: постоянному затоплению, усилению эрозии пляжей и повышению уровня грунтовых вод. Ледяные щиты Гренландии и Антарктики различаются по реакции на изменения температуры. Антарктический щит примерно в 10 раз больше Гренландского, и из‑за расположения на Южном полюсе у него свой климат: большая часть талой воды просачивается в снег и замерзает. Климат Гренландии находится под влиянием тёплых североатлантических течений, что даёт значительное летнее таяние и обильные снегопады.

Гренландский ледяной щит быстро истончается по краям, потеряв за последнее десятилетие в среднем 4,5–6 м (15–20 футов). Около половины потерь происходит из‑за поверхностного таяния, а половина — из‑за откалывания выводных ледников и таяния у оснований шельфовых ледников. Если растает только Гренландский щит, уровень моря поднимется ещё на 7 м (23 фута) — до уровня, невиданного с 125 000 лет назад. Таким образом, Гренландия в большей степени способствует быстрым краткосрочным колебаниям уровня моря, тогда как Антарктида — постепенному долгосрочному повышению. Данные МГЭИК (2007) показывают, что нынешнее таяние ледников — результат потепления за последние 100 лет из‑за парникового эффекта.

Измерение эвстатического (глобального) изменения уровня моря затруднено из‑за множества факторов: эпейрогенные движения континентов (тектоника плит) вызывают относительные изменения, но они медленны по сравнению с глобальным потеплением. Устойчивые ветры и течения могут временно нагонять воду у определённой береговой линии (например, явление Эль-Ниньо–Южное колебание, ЭНСО). Современные спутниковые радиолокационные технологии (радиолокационная альтиметрия) позволяют измерять высоту поверхности моря с субдюймовой точностью по всему миру и подтверждают повышение уровня моря примерно на 0,25 см за десятилетие.

Дополнительная литература: Абрахамс, А. Д. и А. Дж. Парсонс. Геоморфология окружающей среды пустынь. Норвелл, Массачусетс: Kluwer Academic Publishers для Чапмена и Холла, 1994.
Аренс, К. Д. Метеорология сегодня: введение в погоду, климат и окружающую среду. 6-е изд. Пасифик-Гроув, Калифорния: Брукс/Коул, 2000.

Боткин, Д. и Э. Келлер. Наука об окружающей среде. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2003.
Брайсон, Р. и Т. Мюррей. Климат голода. Канберра: Издательство Австралийского национального университета, 1977.
Каллитон, Томас Дж., Морин А. Уоррен, Тимоти Р. Гудспид, Давида Г. Ремер, Кэрол М. Блэкуэлл и Джон Макдоноу III. *Пятьдесят лет роста населения вдоль побережья страны, 1960-2010*. Роквилл, Мэриленд: Национальное управление океанических и атмосферных исследований, 1990.

Доусон А. Г. Ледниковый период Земли. Лондон: Ратледж, 1992.
Дуглас Б., М. Кирни и С. Лезерман. Повышение уровня моря: история и последствия. Сан-Диего, Калифорния: Academic Press, Международная серия по геофизике, том 75, 2000.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.