SCURTĂ CU TEORIA SISTEMULUI CLIMATIC PĂMÂNTAL, ÎN PARTICULAR ÎN CONTEXTUL SCHIMBĂRII CLIMATICE *
Observații scurte despre teoria sistemului climatic al Pământului și conexiunile asupra schimbărilor climatice
(* Prof. RNDr. Milan Lapin, CSc., Modificarea prelegerii inaugurale a profesorului din 20.IX.2004)
Sub termenul clima și condițiile sau condițiile climatice înțeleg în alte domenii o gamă relativ largă de probleme. Potrivit Organizației Meteorologice Mondiale (OMM), clima sau clima este un regim meteo pe termen lung. OMM consideră că perioada este cu cel puțin 30 de ani mai lungă, în timp ce perioada 1961-1990 este acum perioada normală normală (caracteristicile climatice din această perioadă sunt utilizate pentru comparații internaționale ale condițiilor climatice de pe Pământ). Clima este, de asemenea, un set statistic de state a sistemului climatic complet al Pământului (KSZ), prin care trece pe perioade lungi. KSZ constă din atmosferă, hidrosferă (apă pe Pământ), criosferă (zăpadă și gheață pe Pământ), litosferă (straturile superioare ale scoarței terestre), biosferă (organisme vii de pe Pământ) și noosferă (activități umane) . Acest lucru se aplică numai acelor componente ale subsistemelor KSZ de mai sus care sunt într-un fel sau altul legate de climă (în continuare:.
Climatologie este știința contextului și a cauzelor anumitor condiții sau condiții climatice și a schimbărilor acestora, efectele climatului asupra obiectelor activității umane și invers. Cunoașterea teoriei funcționării KSZ este o condiție necesară pentru analiza științifică a condițiilor climatice. Prin analiza științifică înțelegem în primul rând interpretarea fizică și statistică corectă. Meteorologie este în cea mai mare parte știința stării actuale a KSZ, altfel și știința proceselor din atmosfera Pământului, una dintre sarcinile sale este prognoza meteo pentru o perioadă de până la 10 zile, dar rezolvă multe probleme comune cu climatologia.
Despre condițiile climatice vorbim când vine vorba de caracteristicile climatice generale ale unei localități sau teritorii date. Când ne referim la relația climatului cu un obiect al activității umane sau cu ecosistemele, folosim termenul condiții climatice.
Concepte și fapte legate de schimbări climatice și variabilitate ele vin deseori în prim plan, mai ales în perioadele cu anomalii meteo diferite pe termen scurt comparativ cu mediile pe termen lung. Datorită faptului că publicul laic (uneori chiar profesionist) nu are o imagine de ansamblu asupra mediilor climatice disponibile pe termen lung și a caracteristicilor variabilității climatice, extremele sunt uneori considerate a fi evenimente meteorologice cu o apariție medie relativ frecventă (chiar mai des decât o dată la 10 ani). Schimbările climatice din lunile perioade geologice ale Pământului (peste mii până la milioane de ani) sunt adesea amestecate împreună cu schimbări pe perioade scurte (mai puțin de 30 de ani) care au cauze diferite. Rolul meteorologilor și climatologilor profesioniști este de a furniza și disemina astfel de informații despre schimbările climatice și variabilitatea, care se bazează în principal pe o bază statistică statistică și este corect interpretată climatologic.
Comunitățile ecosistemice și, în sfârșit activitati umane în ultimele 10 mii ani (de la sfârșitul ultimei ere glaciare) s-au adaptat la anumite condiții climatice (atât medii, cât și variabile). Fiecare schimbare climatică înseamnă o nouă adaptare pentru ecosisteme și oameni. Dacă schimbarea este mai rapidă în comparație cu schimbările din trecut (dacă ecosistemele nu o au în memoria lor genetică), ele devin instabile. Un nou echilibru în ecosisteme poate fi creat chiar și după câteva secole. Experiența sugerează că activitățile umane se adaptează doar încet la noul climat. Acest lucru se datorează și faptului că unele procese de adaptare sunt foarte solicitante atât din punct de vedere al timpului, cât și al banilor (de exemplu: alimente și locuințe, dar și schimbările din agricultură, silvicultură și gestionarea apei, sistemele de inundații și irigații trebuie răspândite pe parcursul mai multor decenii ).
Schimbarea climei - acest termen a fost folosit în trecut pentru toate schimbările legate de climă (acum doar pentru schimbările climatice naturale). Schimbările climatice de natură naturală sunt în principal schimbări în vremurile geologice trecute ale Pământului (milioane până la sute de milioane de ani), epocile glaciare (zeci de mii până la milioane de ani), alte schimbări (sute de ani), uneori reduse fluctuațiile climatice de frecvență (zeci de ani).
Variabilitatea climei - Condițiile climatice se caracterizează prin caracteristici centrale, de dispersie, tendință și ciclice. Caracteristicile dispersiei reprezintă variabilitatea climatică (deviația standard, alte caracteristici ale curbei de distribuție (probabilitatea de a depăși în 10, 50, 100 de ani), variabilitatea intersecvenței (intraday, interanual.), Etc.). Variabilitatea climatică poate fi, de asemenea, calculată pentru perioade mai lungi de timp decât un an, precum și utilizarea unor perioade de timp diferit mai lungi pentru valorile datelor de procesare a intrărilor (de la 10 minute la 30 de ani).
Fluctuațiile climatice - fluctuațiile naturale ale caracteristicilor climatice se datorează în principal radiației solare (cursă anuală, ciclu de 11 ani), alte cicluri sunt legate de ciclicitatea unor procese de formare a climei (de exemplu QBO (aproximativ 2 ani), ENSO, El Niño 2 și 2) - Oscilația nord-atlantică), în afară de cursa anuală, toți suntem foarte slab exprimați, ciclul epocilor glaciare cuaternare are o perioadă de aproximativ 100 mii. ani, ciclurile de frecvență joasă sunt considerate a fi fluctuații cu o perioadă mai mare de 11 ani. Toate ciclurile mai lungi sunt dificil de identificat în seria de timp a observațiilor.
Sub termenul „schimbări climatice” înțelegem doar acele modificări ale condițiilor climatice care sunt legate de creșterea condiționată antropogen a efectului de sticlă al atmosferei de la începutul revoluției industriale (în jurul anului 1750 d.Hr., dacă se pot distinge de schimbările naturale). De la sfârșitul ultimei ere glaciare până în 1750, concentrația așa-numitei gazele cu efect de seră (GES) din atmosferă doar ușor, de atunci creșterea tuturor GES-urilor din atmosferă, cu excepția vaporilor de apă (H2O), s-a accelerat. GES complet noi sunt freune și haloni (după 1930). Sub termenul de efect de seră al atmosferei înțelegem suma consecințelor GES-urilor (altfel și a gazelor active cu radiații) în atmosferă, care absorb radiația de căldură a Pământului, încălzesc partea atmosferei în care se află și schimbă echilibrul radiației de căldură de la suprafață a suprafeței prin radiația din spate a atmosferei mai puternică. Aceasta stabilizează o anumită temperatură medie a aerului în stratul de pământ al Pământului (acum este de aproximativ +15 ° C, efectul natural de sticlă al atmosferei reprezintă o creștere a temperaturii stratului de pământ al atmosferei pe Pământ cu 33 ° C, fără de care am avea -18 ° C).
În trecut, se presupunea că procesele meteorologice, inclusiv condițiile climatice, sunt aproape exclusiv legate de atmosfera Pământului. Astăzi, oamenii de știință admit aproximativ 50% din atmosferă, 20% din hidrosferă și 30% rămân pentru celelalte subsisteme. Cele mai recente manuale de climatologie teoretică acordă, prin urmare, o atenție specială interacțiunii dintre atmosferă și hidrosferă. De asemenea, s-a presupus că condițiile climatice sunt influențate predominant de factori astronomici și geografici. Conform ultimelor rezultate ale cercetărilor științifice, influența factorilor circulatori și antropici este, de asemenea, foarte semnificativă.
Foarte pe scurt despre câteva caracteristici interesante ale subsistemelor KSZ
Alte subsisteme KSZ - Litosferă este partea superioară a scoarței terestre, care contribuie în orice mod la formarea condițiilor climatice. Este atât suprafața terenului, cât și fundul mării la o adâncime variabilă în funcție de condițiile locale. Acest subsistem este bine de evaluat împreună cu Biosferă, adică toate organismele vii de pe acest Pământ, inclusiv carbonatul și alte fosile, resturi vegetale și animale. În timp ce litosfera este considerată un subsistem constant mai mult sau mai puțin pe termen lung, biosfera poate fi considerată ca atare pur și simplu dacă vorbim despre ecosisteme naturale și neafectate antropogen. O persoană cu activitățile sale socio-economice poate fi uneori inclusă parțial în biosferă - uneori se numește acest subsistem Noosfera sau Sferă antropică. În acest moment, este necesar să subliniem nu numai creșterea rapidă și exponențială a populației Pământului (acum aproximativ 5 milioane acum 12 mii de ani, acum aproximativ 500 milioane acum 500 de ani și 6000 milioane în 2002), ci și creșterea foarte rapidă a energiei, consumul de materii prime și bunuri, care s-a manifestat printr-o influență semnificativă asupra mediului natural al Pământului. Funcția acestor subsisteme în KSZ va fi discutată mai târziu în text.
Acum câteva cuvinte despre sisteme
Deoarece toate teoriile anterioare ale KSZ s-au bazat pe condițiile de evaluare a atmosferei ca sistem termo-hidrodinamic, astfel de proceduri se aplică de obicei celorlalte componente ale sale. Iată caracteristicile sistemelor care pot fi aplicate KSZ. Fiecare sistem trebuie să fie caracterizat de cel puțin compoziția, starea termodinamică și mecanică. Complexitatea sistemului complet (de asemenea, KSZ) rezultă în principal din neliniaritatea interacțiunilor componentelor sale. Deoarece vom evalua factorii externi și interni de formare a climei, este necesar să împărțim întregul spațiu în două părți - KSZ și împrejurimile sale.
Aproape toate subsistemele dintr-un KSZ complet au caracterul de sisteme deschise și fluctuante aleatoriu, adică cu un regim turbulent (haotic) și cu condiții limită mai mult sau mai puțin stabile. Astfel de sisteme trec prin multe și diferite stări fizice. La prima vedere, nu pare să putem rezolva procesele fizice din astfel de sisteme. Faptul este, totuși, că există posibilități reale de analiză corectă folosind mijloacele statistice matematice și fizica statistică. Desigur, în astfel de cazuri nu ne ocupăm separat de procesele de cazuri individuale, sunt serii de timp îndelungate sau seturi multiple de date care au proprietățile necesare din punct de vedere al analizei statistice. Important sunt: selecție aleatorie independentă, număr suficient, calitate verificată și reprezentativitate a datelor observate sau măsurate.
Radiatie solara
Diferențe regionale în balanța de radiații și energie a Pământului, acestea contribuie decisiv la geneza tipurilor climatice și la dinamica dezvoltării climatice. Datorită distribuției norilor, albedei și a temperaturii de suprafață a pământului, a mărilor și oceanelor, au fost create condiții dificile pentru echilibrul global al radiațiilor. Mai mult de 80% din energia din bilanțul total de radiații este obținută de zona tropicală dintre tropice (40% din suprafața Pământului), suprafața oceanelor de aici primește de 2 ori mai multă energie de la Soare decât suprafața terestră pe suprafața unității. Și mai grav este faptul că peste 90% din echilibrul total al radiațiilor este utilizat pentru evaporare în oceanele tropicale. Este clar că advecția (transferul) de energie din corpurile navei prin circulația atmosferică și marină este extrem de importantă.
În plus față de specificul regional bine-cunoscut al radiației și al echilibrului energetic, să ne oprim chiar și cu constatările prezentate mai rar. Stabilizarea mediei și variabilitatea temperaturii atmosferice în stratul de aer de la sol (2 m deasupra suprafeței pământului) depinde în principal de modificările din regimul chimiei atmosferice, de echilibrul total al radiațiilor, de circulația atmosferică și marină. Toate aceste procese sunt asociate cu feedback-uri semnificative, care de obicei diminuează fluctuațiile care au apărut.
Radiații active (sticlă) gaze
Efectul creșterii concentrației de GES asupra stabilizării temperaturii medii mai ridicate în stratul de sol al atmosferei este adesea menționat ca "Amplificarea radiației" (forțare radiativă). Pe de altă parte, creșterea concentrațiilor unor aerosoli poate avea efectul opus, adică „Atenuarea radiațiilor”. În 2000, valoarea amplificării radiației este estimată la 2,43 W.m -2 (+0,3 W.m -2 radiație solară crescută) și atenuarea radiației la 0 la 2 W.m -2. Deși o astfel de comparație este doar ipotetică, în cele din urmă are aceeași semnificație ca și cum fluxul luminii solare primite ar fi intensificat. Trebuie subliniat faptul că câștigul de radiație din 2000 a fost de aproximativ 8 ori mai mare decât creșterea luminii solare primite până la limita superioară a atmosferei în 350 de ani. Atenuarea radiațiilor datorită aerosolilor antropici nicăieri pe Pământ nu a depășit 50% din intensificarea radiației datorită creșterii GES-urilor în regiunea mai mare.
Dinamica atmosferică și oceanică
D S = 0,02%. La adâncimi mai mari ale oceanelor, rolul schimbărilor de presiune este mai important decât schimbările de temperatură.
Interacțiuni și feedback
Interacțiunile și feedback-urile dintre subsistemele unui KSZ complet au loc prin procese climatice cunoscute, dar dinamica lor nu este pe deplin cunoscută. Deși marea majoritate a acestor procese pot fi deja bine descrise de sisteme de ecuații diferențiale și le putem considera mai mult sau mai puțin deterministe (aceasta este așa-numita variabilitate climatică forțată), unele procese au loc imprevizibil cu o pondere evidentă a diferenței instabilitate și feedback-uri care conduc la interacțiuni neliniare între diferite componente ale KSZ). Pe baza acestor cunoștințe, meteorologul și climatologul E.N. Lorenz teoria haosului.
Factorii externi care determină comportamentul KSZ sunt în principal astronomici (constanta solară, parametrii orbitali ai Pământului, rotația Pământului) și terestre (compoziția atmosferică, erupțiile vulcanice, activitățile umane, utilizarea terenului, geotectica, tectonica). Unii dintre acești factori sunt mai mult sau mai puțin stabili pe termen lung, alții sunt supuși anumitor modificări regulate sau neregulate. Factorii interni de formare a climatului din KSZ sunt în principal legați de mecanismul feedback-urilor pozitive și negative și de alte interacțiuni între elementele unui KSZ complet. Acești factori pot iniția procese care duc la instabilitate sau oscilații ale întregului sistem, în timp ce pot fi implementați complet independent de factorii externi sau pot fi modificați semnificativ. De exemplu, putem cita cursul anual și zilnic al elementelor climatice, care își au în mod clar originea în factori astronomici externi. Cu toate acestea, în KSZ există o serie de alte cicluri (de la 12 ore la 100.000 de ani sau chiar mai mult), care pot fi parțial atribuite factorilor externi și parțial interni din KSZ. Natura interactivă și neliniară a proceselor din KSZ face extrem de dificilă interpretarea.
Oamenii de știință sunt convinși de multă vreme de marea stabilitate a compoziției chimice a atmosferei, deoarece există reacții negative eficiente care nu permit abateri semnificative. Chiar și erupții vulcanice semnificative ocazionale și schimbări majore în utilizarea terenului în Evul Mediu nu au reușit să schimbe semnificativ cvasiconstanța chimiei atmosferice. Analiza eșantioanelor de aer conservate din cavități din ghețari (și din alte părți) a confirmat că în ultimele milioane de ani a fost doar în perioada glaciară, când concentrația de dioxid de carbon și metan (CO2 și CH4) din atmosferă s-a modificat ușor. Aproape nici o schimbare nu a avut loc în ultimii 10.000 de ani până în 1750. Este adevărat că în primele etape ale dezvoltării Pământului (acum un miliard de ani) au existat diferențe relativ mari în concentrația de CO2, O2, O3 (ozon), H2O, CH4 și alte gaze comparativ cu prezentul. Cu toate acestea, acest lucru nu joacă un rol semnificativ în analiza KSZ acum.
Efectul de sticlă al atmosferei este un sistem fizic real cu dimensiuni de proces bine cunoscute. Unele incertitudini apar din posibila dezvoltare a feedback-urilor negative (nori, fotosinteză, ghețari, aerosoli, straturi oceanice mai adânci). Modificări revoluționare ale ciclului carbonului pe Pământ (apariția de noi specii de plante și animale cu o creștere mare și rapidă a captării CO2 din atmosferă, o astfel de schimbare în circulația oceanului). Există, de asemenea, luarea în considerare controversată a posibilelor efecte negative de feedback datorate creșterii rapide a concentrației unor aerosoli în atmosferă și acoperirea cu nori. Mai degrabă, se pare că, după dezghețarea permafrostului și a unor ghețari, vor apărea emisii suplimentare de CO2 și CH4 captate în acest mediu cu milioane de ani în urmă.
Deși în Slovacia nu ne ocupăm de modelarea proceselor de formare a climei la scară globală, folosim aceste rezultate pentru interpretarea regională și este necesar ca experții noștri să fi studiat această problemă în detaliu. În Slovacia, încercăm, de asemenea, să aplicăm cele mai recente constatări din estimarea posibilelor consecințe ale schimbărilor climatice asupra sferei socio-economice și din adoptarea măsurilor de adaptare și atenuare. Câteva detalii suplimentare sunt pe paginile: www.dmc.fmph.uniba.sk, www.ipcc.ch, www.wmo.ch și, de asemenea,.
Prof. RNDr. Milan Lapin, CSc.
Autorul este garantul studiului meteorologiei și climatologiei la Facultatea de Matematică, Fizică și Informatică a Universității Comenius și președinte pe termen lung al Programului Național Climatic al Republicii Slovace.
Dobrovolski, S.G.: Teoria climatică stochastică: modele și aplicații. Springer. Berlin, Heidelberg, New York, Barcelona, Hong Kong, Londra, Milano, Paris, Singapore, Tokyo 2000, 282 pp.
IPCC, TAR, 2001: Schimbările climatice 2001: baza științifică. Contribuția Grupului de lucru I la cel de-al treilea raport de evaluare al IPCC. Cambridge Univ. Presă, Marea Britanie, 944 p. (www.ipcc.ch)
Lapin, M., Tomlain, J.: Climatologie generală și regională. Vyd. Regatul Unit Bratislava, 2001, 184 p. (manual universitar).
Lorenz, E.N.: Natura și teoria circulației generale a atmosferei. Publicația OMM nr. 218, Geneva 1967, 167 pp.
Pedlosky, J.: Teoria circulației oceanului. Springer, Berlin 1998, 455 pp.