Климатическая система Земли представляет собой сложную систему с пятью взаимодействующими компонентами: атмосферой (воздух), гидросферой (вода), криосферой (лед и вечная мерзлота), литосферой (верхний каменистый слой Земли) и биосферой ( живые существа). [1] Климат — это статистическая характеристика климатической системы, [2] представляющая среднюю погоду , обычно за период 30 лет, и определяется комбинацией процессов в климатической системе, таких как океанские течения и характер ветра. [3] [4] Циркуляция в атмосфере и океанах в основном обусловлена солнечной радиацией и переносит тепло из тропических регионов в регионы, которые получают меньше энергии от Солнца. Круговорот воды также перемещает энергию по всей климатической системе. Кроме того, разные химические элементы, необходимые для жизни, постоянно перерабатываются между разными компонентами.
Климатическая система может измениться из-за внутренней изменчивости и внешних воздействий . Эти внешние воздействия могут быть естественными, например, изменения интенсивности солнечной активности и извержения вулканов, или же вызваны деятельностью человека. Накопление удерживающих тепло парниковых газов , в основном выбрасываемых людьми, сжигающими ископаемое топливо , вызывает глобальное потепление . Человеческая деятельность также приводит к выбросу охлаждающих аэрозолей , но их суммарный эффект гораздо меньше, чем эффект от парниковых газов. [1] Изменения могут быть усилены процессами обратной связи в различных компонентах климатической системы.
Атмосфера окутывает Землю и простирается на сотни километров от поверхности. Он состоит в основном из инертного азота (78%), кислорода (21%) и аргона (0,9%). [5] Некоторые микроэлементы в атмосфере, такие как водяной пар и углекислый газ , являются газами, наиболее важными для работы климатической системы, поскольку они являются парниковыми газами , которые позволяют видимому свету Солнца проникать на поверхность, но блокировать часть инфракрасного излучения, которое излучает поверхность Земли, чтобы сбалансировать солнечное излучение. Это приводит к повышению температуры поверхности. [6]
Гидрологический цикл – это движение воды через климатическую систему. Гидрологический цикл не только определяет характер выпадения осадков , но и влияет на движение энергии во всей климатической системе. [7]
Собственно гидросфера содержит всю жидкую воду на Земле, большая часть которой содержится в Мировом океане. [8] Океан покрывает 71% поверхности Земли, средняя глубина составляет почти 4 километра (2,5 мили), [9] и содержание тепла в океане намного больше, чем тепло, удерживаемое атмосферой. [10] [11] Он содержит морскую воду с содержанием соли в среднем около 3,5%, но это количество варьируется в пространстве. [9] Солоноватая вода встречается в эстуариях и некоторых озерах, а большая часть пресной воды , 2,5% всей воды, содержится во льду и снеге. [12]
Криосфера содержит все части климатической системы, где вода находится в твердом состоянии. Сюда входят морской лед , ледяные щиты , вечная мерзлота и снежный покров . Поскольку в Северном полушарии больше земли по сравнению с Южным , большая часть этого полушария покрыта снегом. [13] Оба полушария имеют примерно одинаковое количество морского льда. Большая часть замороженной воды содержится в ледяных щитах Гренландии и Антарктиды , средняя высота которых составляет около 2 километров (1,2 мили). Эти ледяные щиты медленно текут к своим краям. [14]
Земная кора , особенно горы и долины, формирует глобальные схемы ветров: обширные горные хребты образуют барьер для ветров и влияют на то, где и сколько осадков идет. [15] [16] Земля ближе к открытому океану имеет более умеренный климат, чем земля дальше от океана. [17] В целях моделирования климата землю часто считают статичной, поскольку она меняется очень медленно по сравнению с другими элементами, составляющими климатическую систему. [18] Положение континентов определяет геометрию океанов и, следовательно, влияет на характер циркуляции океана. Расположение морей играет важную роль в контроле переноса тепла и влаги по земному шару и, следовательно, в определении глобального климата. [19]
Наконец, биосфера также взаимодействует с остальной частью климатической системы. Растительность часто темнее или светлее почвы под ней, поэтому большая или меньшая часть солнечного тепла улавливается участками с растительностью. [20] Растительность хорошо улавливает воду, которая затем поглощается ее корнями. Без растительности эта вода стекала бы в ближайшие реки или другие водоемы. Вместо этого вода, поглощаемая растениями, испаряется, внося свой вклад в гидрологический цикл. [21] Осадки и температура влияют на распределение различных растительных зон. [22] Усвоение углерода из морской воды за счет роста мелкого фитопланктона почти такое же, как и наземные растения из атмосферы. [23] Хотя люди технически являются частью биосферы , их часто рассматривают как отдельные компоненты климатической системы Земли, антропосферы , из -за большого воздействия человека на планету. [20]
Климатическая система получает энергию от Солнца и, в гораздо меньшей степени, от ядра Земли, а также приливную энергию от Луны. Земля отдает энергию в космическое пространство в двух формах: она непосредственно отражает часть излучения Солнца и испускает инфракрасное излучение как излучение черного тела . Баланс поступающей и исходящей энергии, а также прохождение энергии через климатическую систему определяют энергетический бюджет Земли . Когда общее количество поступающей энергии превышает исходящую, энергетический дисбаланс Земли положителен и климатическая система нагревается. Если больше энергии уходит, энергетический дисбаланс становится отрицательным, и Земля охлаждается. [25]
Больше энергии достигает тропиков, чем полярных регионов, и последующая разница температур приводит к глобальной циркуляции атмосферы и океанов . [26] Воздух поднимается при нагревании, течет к полюсам и снова опускается при охлаждении, возвращаясь к экватору. [27] Из-за сохранения углового момента вращение Земли отклоняет воздух вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии, образуя, таким образом, отдельные атмосферные ячейки. [28] Муссоны , сезонные изменения ветра и осадков, которые происходят в основном в тропиках, образуются из-за того, что суши нагреваются легче, чем океан. Разница температур вызывает разницу давления между сушей и океаном, вызывая устойчивый ветер. [29]
Океанская вода, в которой больше соли, имеет более высокую плотность , и различия в плотности играют важную роль в циркуляции океана . Термохалинная циркуляция переносит тепло из тропиков в полярные регионы. [30] Циркуляция океана дополнительно обусловлена взаимодействием с ветром. Солевой компонент также влияет на температуру точки замерзания . [31] Вертикальные движения могут поднять более холодную воду на поверхность в процессе, называемом апвеллингом , который охлаждает воздух над головой. [32]
Гидрологический цикл или круговорот воды описывает, как она постоянно перемещается между поверхностью Земли и атмосферой. [33] Растения испаряют испарение , а солнечный свет испаряет воду из океанов и других водоемов, оставляя после себя соль и другие минералы. Испаренная пресная вода позже попадает обратно на поверхность. [34] Осадки и испарение распределяются по земному шару неравномерно: в некоторых регионах, таких как тропики, выпадает больше осадков, чем испарение, а в других — больше испарений, чем осадков. [35] Испарение воды требует значительного количества энергии, тогда как при конденсации выделяется много тепла. Это скрытое тепло является основным источником энергии в атмосфере. [36]
Химические элементы, жизненно важные для жизни, постоянно циркулируют в различных компонентах климатической системы. Углеродный цикл имеет непосредственное значение для климата, поскольку он определяет концентрации двух важных парниковых газов в атмосфере: CO 2 и метана . [37] В быстрой части углеродного цикла растения поглощают углекислый газ из атмосферы с помощью фотосинтеза ; позже оно повторно излучается дыханием живых существ. [38] В рамках медленного углеродного цикла вулканы выделяют CO 2 в результате дегазации, выделяя углекислый газ из земной коры и мантии. [39] Поскольку CO 2 в атмосфере делает дождь немного кислым , этот дождь может медленно растворять некоторые камни — процесс, известный как выветривание . Высвобождаемые таким образом минералы, переносимые в море, используются живыми существами, останки которых могут образовывать осадочные породы , принося углерод обратно в литосферу. [40]
Азотный цикл описывает поток активного азота. Поскольку атмосферный азот инертен, микроорганизмам сначала приходится преобразовать его в активное соединение азота в процессе, называемом фиксацией азота , прежде чем его можно будет использовать в качестве строительного блока в биосфере. [41] Деятельность человека играет важную роль как в углеродном, так и в азотном циклах: сжигание ископаемого топлива привело к вытеснению углерода из литосферы в атмосферу, а использование удобрений значительно увеличило количество доступного фиксированного азота. [42]
Климат постоянно меняется во временных масштабах, которые варьируются от времен года до времени существования Земли. [43] Изменения, вызванные собственными компонентами и динамикой системы, называются внутренней изменчивостью климата . Система также может испытывать внешнее воздействие со стороны явлений за пределами системы (например, изменение орбиты Земли). [44] Более длительные изменения, обычно определяемые как изменения, которые сохраняются в течение как минимум 30 лет, называются изменениями климата , [45] хотя эта фраза обычно относится к текущему глобальному изменению климата . [46] Когда климат меняется, последствия могут накладываться друг на друга, каскадно распространяясь на другие части системы в виде серии климатических обратных связей (например, изменения альбедо ), вызывая множество различных эффектов (например, повышение уровня моря ). [47]
Компоненты климатической системы постоянно изменяются, даже без внешних толчков (внешнего воздействия). Одним из примеров в атмосфере является Североатлантическое колебание (САК), которое действует как качели атмосферного давления. На португальских Азорских островах давление обычно высокое, тогда как над Исландией часто бывает более низкое . [49] Разница в давлении колеблется, и это влияет на погодные условия по всему Североатлантическому региону вплоть до Центральной Евразии . [50] Например, в Гренландии и Канаде во время положительного САК погода холодная и сухая. [51] Различные фазы североатлантического колебания могут сохраняться в течение нескольких десятилетий. [52]
Океан и атмосфера также могут работать вместе, спонтанно создавая внутреннюю изменчивость климата, которая может сохраняться от нескольких лет до десятилетий. [53] [54] Примеры этого типа изменчивости включают Эль-Ниньо – Южное колебание , Тихоокеанское десятилетнее колебание и Атлантическое многодесятилетнее колебание . Эти изменения могут повлиять на среднюю глобальную приземную температуру за счет перераспределения тепла между глубинами океана и атмосферой; [55] [56] , но также и за счет изменения распределения облаков, водяного пара или морского льда, что может повлиять на общий энергетический баланс Земли. [57] [58]
Океанические аспекты этих колебаний могут вызывать изменчивость в столетних масштабах времени из-за того, что океан имеет массу в сотни раз больше, чем атмосфера , и, следовательно, очень высокую тепловую инерцию. Например, изменения в океанских процессах, таких как термохалинная циркуляция, играют ключевую роль в перераспределении тепла в мировом океане. Понимание внутренней изменчивости помогло ученым объяснить недавнее изменение климата парниковыми газами. [59]
В длительных временных масштабах климат определяется главным образом тем, сколько энергии находится в системе и куда она уходит. Когда меняется энергетический баланс Земли, меняется и климат. Изменение энергетического баланса называется воздействием, а когда изменение вызвано чем-то, находящимся за пределами пяти компонентов климатической системы, оно называется внешним воздействием . [60] Вулканы, например, возникают в результате глубоких процессов внутри Земли, которые не считаются частью климатической системы. Внепланетные изменения, такие как изменение солнечной активности и прибытие астероидов, также являются «внешними» по отношению к пяти компонентам климатической системы, как и действия человека. [61]
Основным значением для количественной оценки и сравнения климатических воздействий является радиационное воздействие .
Солнце является основным источником энергии, поступающей на Землю, и управляет атмосферной циркуляцией . [62] Количество энергии, поступающей от Солнца, варьируется в более коротких временных масштабах, включая 11-летний солнечный цикл [63] и в более долгосрочных временных масштабах. [64] Хотя солнечный цикл слишком мал, чтобы напрямую нагревать и охлаждать поверхность Земли, он напрямую влияет на более высокий слой атмосферы, стратосферу , что может оказывать влияние на атмосферу вблизи поверхности. [65]
Небольшие изменения в движении Земли могут вызвать большие изменения в сезонном распределении солнечного света, достигающего поверхности Земли, и в том, как он распределяется по земному шару, но не по сравнению с глобальным и среднегодовым солнечным светом. Три типа кинематических изменений — это изменения эксцентриситета Земли , изменения угла наклона оси вращения Земли и прецессия оси Земли. Вместе они создают циклы Миланковича , которые влияют на климат и отличаются своей корреляцией с ледниковыми и межледниковыми периодами . [66]
Парниковые газы удерживают тепло в нижней части атмосферы, поглощая длинноволновое излучение. В прошлом на Земле многие процессы способствовали изменениям концентрации парниковых газов. В настоящее время выбросы человека являются причиной увеличения концентрации некоторых парниковых газов, таких как CO 2 , метан и N 2 O . [67] Основной вклад в парниковый эффект вносит водяной пар (~50%), при этом важную роль также играют облака (~25%) и CO 2 (~20%). Когда концентрации долгоживущих парниковых газов, таких как CO 2 , увеличиваются, а температура повышается, количество водяного пара также увеличивается, так что водяной пар и облака рассматриваются не как внешнее воздействие, а как обратная связь. [68] Выветривание карбонатов и силикатов удаляет углерод из атмосферы. [69]
Жидкие и твердые частицы в атмосфере, называемые аэрозолями , оказывают разнообразное воздействие на климат. Некоторые из них в первую очередь рассеивают солнечный свет и тем самым охлаждают планету, а другие поглощают солнечный свет и нагревают атмосферу. [70] Косвенные эффекты включают тот факт, что аэрозоли могут действовать как ядра конденсации облаков , стимулируя образование облаков. [71] Природные источники аэрозолей включают морские брызги , минеральную пыль , метеориты и вулканы , но люди также вносят свой вклад [70] , поскольку человеческая деятельность, такая как сжигание биомассы или ископаемого топлива, приводит к выбросу аэрозолей в атмосферу. Аэрозоли нейтрализуют часть потепления, вызванного выбросами парниковых газов, но только до тех пор, пока они не упадут обратно на поверхность через несколько лет или меньше. [72]
Хотя вулканы технически являются частью литосферы, которая сама является частью климатической системы, вулканизм определяется как внешний фактор воздействия. [73] В среднем за столетие происходит всего несколько извержений вулканов , которые влияют на климат Земли дольше года, выбрасывая тонны SO 2 в стратосферу . [74] [75] Диоксид серы химически преобразуется в аэрозоли, которые вызывают охлаждение, блокируя часть солнечного света на поверхности Земли. Небольшие извержения влияют на атмосферу лишь незначительно. [74]
Изменения земного покрова, такие как изменение водного покрова (например , повышение уровня моря , высыхание озер и прорывные паводки ) или вырубка лесов , особенно в результате использования земли человеком, могут повлиять на климат. Отражательная способность области может измениться, в результате чего область захватит больше или меньше солнечного света. Кроме того, растительность взаимодействует с гидрологическим циклом, поэтому на осадки также влияют. [76] Ландшафтные пожары выбрасывают в атмосферу парниковые газы и черный углерод , который затемняет снег и облегчает его таяние. [77] [78]
Различные элементы климатической системы по-разному реагируют на внешнее воздействие. Одним из важных различий между компонентами является скорость, с которой они реагируют на воздействие. Атмосфера обычно реагирует в течение нескольких часов или недель, в то время как глубокому океану и ледяным щитам требуются столетия или тысячелетия, чтобы достичь нового равновесия. [82]
Первоначальная реакция компонента на внешнее воздействие может быть ослаблена отрицательной обратной связью и усилена положительной обратной связью . Например, значительное снижение интенсивности солнечной активности быстро приведет к снижению температуры на Земле, что затем позволит расшириться ледяному и снежному покрову. Дополнительный снег и лед имеют более высокое альбедо или отражательную способность и, следовательно, отражают большую часть солнечного излучения обратно в космос, прежде чем оно сможет быть поглощено климатической системой в целом; это, в свою очередь, приводит к дальнейшему охлаждению Земли. [83]