25138 (Характеристика климатической системы древней Земли)

Реферат

"Характеристика климатической системы древней Земли"

Для понимания причин изменения климата исключительно важно знать его эволюцию на протяжении всей истории развития нашей планеты, которая оценивается периодом примерно в 4,6 млрд. лет. Наибольший интерес представляет климат эпохи, получивший название "голоцен". Он начался 15-18 тыс. лет назад и продолжается по настоящее время. Именно с ним связано развитие современной цивилизации.

Изменения климата Земли зависят от взаимодействия основных компонентов климатической системы: наиболее подвижной и ответственной за условия существования жизни - атмосферы, менее подвижных - океана и криосферы, т.е. воды в замерзшем состоянии (континентального и морского льда, снега), а также поверхности суши и биосферы, включающей растительный, животный мир и самого человека.

Весьма характерно, и это является, по-видимому, особенностью климата нашей планеты, что биосфера, влияя на другие компоненты климатической системы, в свою очередь полностью зависит от них. Из-за сложности взаимодействия компонентов климатической системы современные исследования эволюции и истории климата основываются не только на анализе эмпирических данных, но и на физических, физико-химических, астрофизических и математических методах анализа, на изучении биохимических циклов, протекающих в климатической системе с учетом сложных обратных связей.

Лишь в середине текущего столетия наука начала переходить от стадии статистического описания хронологии климата к стадии его объяснения на основе физических теорий.

К настоящему времени известно несколько десятков определений понятия "климат". Сам термин, буквально означающий "наклонение солнечных лучей", был предложен древнегреческим астрономом Гиппархом (190-150 гг. до н.э.). Затем это понятие развивалось древнегреческими учеными.

Примерно до конца XVIII в. господствовало мнение, что климат определяется высотой Солнца над горизонтом. Согласно этому представлению, существовало девять климатов. Первый охватывал полосу в 12° шириной к северу и югу от экватора, остальные климаты разделялись кругами широт через 5°30'. Все, что было севернее 50° с.ш., относилось к девятому климату, в то время считавшемуся необитаемым. Южное полушарие, о котором тогда ничего не было известно, вообще ни к какому климату не причислялось.

В дальнейшем было принято другое деление. Земля делилась на 36 климатов по обе стороны от экватора. Район вблизи экватора, где разность между самым продолжительным и коротким днем в году составляла менее 1 часа, относился к первому климату. Там, где эта разность была 1-2 часа, - ко второму и т.д. до 24-го климата. Кроме того, между полюсом и полярным кругом размещалось еще 12 климатов. Там, где Солнце не заходит до одного, полутора, двух, двух с половиной месяцев, полагали 26-29-й климаты вплоть до 36-го у полюса, где Солнце не заходит шесть месяцев.

В скором времени люди, однако, убедились, что средние условия погоды в этих так называемых одинаковых климатических зонах разные, и начали искать тому объяснение. Появились новые определения климата. Наиболее полное было дано А. Гумбольдтом, который считал, что слово "климат" прежде всего обозначает "специфическое свойство атмосферы, которое зависит от непрерывного совместного действия подвижной поверхности моря, изборожденной течениями противоположных температур, излучающей тепло суши, которая определяет громадное разнообразие в отношении своей орографии, окраски и состояния покрова". Это определение, однако, продержалось недолго. С 70-х гг. XIX в. климат трактуется уже "как общее состояние погоды в определенном месте или в определенной стране, или, точнее говоря, совокупность средних величин и свойств всех метеорологических элементов есть не что иное, как то, что называют климатом какого-либо места".

В 20-30-х и в конце 40-х - начале 50-х гг. нашего столетия вновь разгорелись дискуссии по климату. Лишь в 70-х гг. было предложено определение понятия климата как совокупности статистических свойств климатической системы за достаточно длительный, но ограниченный промежуток времени. Большинство исследователей сходятся на том, что период осреднения должен быть от нескольких лет до 10 и даже 30 лет. Имеются серьезные основания относить к климату все то, что не может быть выражено в терминах погоды, особенно в части прогноза. Под погодой при этом понимается совокупность значений метеорологических элементов в любой точке трехмерного пространства в любой момент времени. В такой трактовке существует предел предсказуемости погоды, который оценивается двумя-тремя неделями. За пределами предсказуемости можно, по-видимому, говорить не о прогнозе погоды, а о прогнозе осредненных характеристик, т.е. о климатических прогнозах.

Для оценки изменений климата в прошлом и прогноза его изменений в будущем важное значение имеет изучение условий формирования крупных климатических аномалий, которые в основном и определяют экстремальные климатические условия жизни на Земле.

Хорошо известно, что для существования жизни необходимо наличие жидкой воды и атмосферы с определенным химическим составом и массой. При этом необходимым условием является протекание ряда биохимических циклов в круговороте воды, углекислого газа (углерода), кислорода, азота, фосфора, серы, поддерживаемых солнечным излучением.

Кислород, как известно, необходим для процессов окисления и дыхания. В результате разложения молекулы кислорода под действием солнечного излучения и последующей реакции тройного соударения в атмосфере образуется трехатомное соединение кислорода - газ озон. Последний поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение и, таким образом, несмотря на очень низкое его содержание (2,5-3 мм, а в высоких широтах - 4 мм ртутного столба), защищает от гибели биосферу.

В связи с этим воздействие на озоновый слой, которое начало осуществляться в результате деятельности человека, крайне нежелательное явление.

Вода - прекрасный растворитель. Она способна легко разогреваться и отлично поглощать тепловое (инфракрасное) излучение. Оставаясь в жидком состоянии в широком диапазоне температур, вода может превращаться в водяной пар и замерзшую форму в виде льда и снега. Любая из этих крайних форм не пригодна для обеспечения нормальных условий существования человека, для которого температура "комфорта" лежит в довольно узком диапазоне порядка 20-25°С.

Вода состоит из двух наиболее распространенных химических элементов - водорода и кислорода. Под действием ультрафиолетового излучения молекулы воды распадаются, что приводит к образованию кислорода, способного формировать другие соединения, включающие аминокислоты. Последние являются теми строительными "кирпичиками", которые так необходимы для жизни.

Углероду, также широко распространенному химическому элементу не только на нашей планете, но и во Вселенной, присуща уникальная способность образовывать большое количество различных сложных соединений. Он необходим для существования саморазвивающихся систем, которые мы называем живыми.

Углеродный цикл в системе "атмосфера - океан - биосфера" - один из важнейших биохимических циклов. В результате фотосинтеза из каждой грамм-молекулы углекислого газа, поглощаемого растениями из атмосферы, образуется одна грамм-молекула кислорода и одна грамм-молекула углерода. Таким путем образовался весь кислород нашей атмосферы. Значительная же часть имевшегося в первичной атмосфере углерода перешла в биосферу, образовав запасы органического топлива, и в океан, где она находится в виде как растворенного углерода, так и главным образом карбонатных осадков. Механизм превращения углекислого газа из первичной атмосферы в органический углерод был очень длительным.

В настоящее время человек, добывая и усиленно сжигая химическое топливо, возвращает накопленный углерод в атмосферу, откуда он частично поглощается биосферой (главным образом океаном). В результате хозяйственной деятельности этот биохимический цикл заметно нарушен. Достаточно сказать, что природе нужно было около одного миллиона лет, чтобы накопить то количество углерода в виде органического топлива, которое сжигается в настоящее время в течение всего лишь одного года.

Азотный цикл достаточно сложен и включает фиксацию азота в различных соединениях, необходимых для поддержания жизни. Этот цикл в первичной атмосфере Земли был прежде всего связан с преобразованием аммиака. В результате окисления 4 грамм-молекул аммиака и 3 грамм-молекул кислорода образуется 6 грамм-молекул водяного пара и 2 грамм-молекулы азота. Эти два газа - азот и кислород - и определяют основной состав нашей атмосферы, сформировавшейся в течение длительной истории развития Земли.

Ни один из указанных газов не обладает активными радиационными свойствами, т.е. они пропускают как коротковолновое солнечное излучение с максимумом излучения в видимой области спектра, так и уходящее длинноволновое (инфракрасное) излучение с максимумом в области 12-15 мкм. Однако начавшийся процесс сжигания топлива, ядерные взрывы и т.п. приводят к образованию окислов азота, которые являются радиационно активными газовыми примесями и поглощают как солнечное, так и инфракрасное тепловое излучение системы "Земля - атмосфера", меняя ее радиационный баланс.

Имеются и другие биохимические циклы, важные для поддержания жизни на Земле и участвующие в эволюции различных компонентов климатической системы. К ним относятся фосфорный цикл, важный прежде всего для эволюции биосферы, и серный цикл, который приобрел первостепенное значение в последние десятилетия. В атмосферу в результате антропогенного воздействия стало поступать большое количество серы и ее соединений, что резко нарушило естественный серный цикл. Так как серные соединения (серная кислота прежде всего) являются токсичными для биосферы, изучение серного цикла важно для понимания эволюции климата и отдельных компонентов климатической системы в условиях антропогенного воздействия.

В результате сложного многообразия действующих факторов климат Земли менялся на протяжении всей ее истории. Поскольку процесс эволюции климата продолжается и ныне, а зависимость общества от меняющихся климатических условий возрастает, очень важно понять физические факторы формирования климата. Для этого прежде всего необходимо восстановить историю климата Земли, оценить диапазон возможных изменений климата и его влияния на биосферу, а также влияние климата на различные стороны хозяйственной деятельности человека. История дает немало примеров, когда климатические изменения способствовали как расцвету, так и упадку отдельных цивилизаций. Многие из этих исторических уроков в достаточной мере не осознаны и до сих пор.

Рассмотрим некоторые фактические данные о современном климате, с которым мы в дальнейшем будем сравнивать климат прошлого.

Как известно, в среднем на верхнюю границу атмосферы поступает около 1356 Вт/м² солнечной радиации. Фактически за счет смен времен года, дня и ночи эта величина будет несколько меньше. Часть приходящей солнечной радиации отражается обратно, что определяется альбедо (отражательной способностью) системы "Земля - атмосфера", а часть поглощается атмосферой и главным образом подстилающей поверхностью и переизлучается обратно в виде длинноволнового (инфракрасного) излучения в космическое пространство. Только малая часть (не более 1%) солнечного излучения идет на поддержание кинетической энергии атмосферных движений. Эта часть энергии в конечном итоге диссипируется и превращается в тепло.

Умеренные и высокие широты обоих полушарий (выше ±30-35° широты) - это зоны потери энергии. Экваториальные районы - зоны накопления энергии. Зоной потери энергии является современная Сахара вследствие большого нагрева подстилающей поверхности, большого излучения и сухости атмосферы, которая пропускает уходящее излучение. Данный пример наглядно иллюстрирует роль пустынь в формировании климата. Пустыни как бы сами поддерживают свое существование.

Альбедо в высоких широтах в 2,5-3 раза выше, чем в низких, т.е. в высоких широтах отражается большее количество приходящей энергии.

Приходящая солнечная радиация и отраженная радиация по сезонам года, по широтным зонам распределены неравномерно. Вследствие этого возникает перераспределение энергии между низкими и высокими широтами, чем и обеспечивается сравнительное постоянство климата в определенные периоды в определенных географических зонах.

Указанный межширотный обмен осуществляется благодаря общей циркуляции атмосферы. Главными носителями в механизме перераспределения энергии между широтными зонами являются крупномасштабные атмосферные вихри - циклоны и антициклоны. Их эволюция и динамика во времени приводят к формированию крупных циркуляционных эпох, характеризующихся определенным преобладающим переносом воздушных масс, формированием неустойчивых режимов погоды и крупных погодных и климатических аномалий. Такого же рода процессы протекают и в океане.

Широтная зональная циркуляция является преобладающей. Максимальная интенсивность циркуляции отмечается на широтах 30-35° с. ш. в северном и 40-45° ю. ш. в южном полушариях. Эти зоны получили название зон струйных течений. Вдоль них, преимущественно с запада на восток, осуществляется преобладающее перемещение барических образований (циклонов и антициклонов). Имеются области наибольшей интенсификации зон струйных течений - к востоку от США и над Японией.

В ряде случаев образуются обширные малоподвижные циклоны, которые блокируют западно-восточный перенос. В этом случае в восточной части циклонов южные потоки приносят тепло далеко на север, а в западной части холод проникает далеко на юг. Так возникают аномальные условия погоды.

Изменение климата включает прежде всего общие тенденции изменения температурного, циркуляционного и влажностного режимов атмосферы, климата океана, изменения биосферы, т.е. формирование длительных климатических эпох в геологической истории Земли. Помимо этого каждая климатическая эпоха характеризуется наличием крупных флюктуации климата (климатических аномалий), накладывающихся на фон общих и длительных изменений климата. По этой причине, анализируя историю климата Земли, его эволюцию и влияние на биосферу и самого человека, необходимо отличать общие периоды похолоданий или потеплений, сухие или влажные периоды от изменчивости климата, вызываемые климатическими аномалиями, имеющими меньший характерный временной и пространственный масштабы.

Общие черты климата земли до периода голоцена

Восстановление геологической истории Земли, основанное на методах стратиграфии, т.е. на изучении ископаемых органических остатков, а также на изучении последовательности образования горных пород, помогает воссоздать и общие климатические условия прошлого, т.е. историю климата Земли.

Полагают, что зачатки органической жизни на Земле появились уже в архейскую эру (более 900 млн. лет назад). Однако более отчетливо датировка остатков органической жизни относится к протерозойской эре (продолжительностью 600 млн. лет).

В палеозойскую эру (продолжительностью 325 млн. лет) растительный и животный мир становится важным фактором развития Земли. С этого времени биосфера начинает заметно влиять на эволюцию всей климатической системы, будучи в свою очередь зависимой от климата.