CC BY
41
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551 583 551 588 7 И. В. КЛРНАЦЕВИЧ
Омский государственный педагогический университет
О СТАБИЛЬНОСТИ КЛИМАТА ЗЕМЛИ
И КРИТЕРИЯХ ОЦЕНКИ
ЕГО КОЛЕБАНИЙ И ИЗМЕНЕНИЙ_
На основании библиографических данных и многолетних исследований автора приводится критический анализ проблемы изменений климатов. Предлагается впервые количественный критерий понятия "изменения климата", приводится количественная оценка стабильности климата.
На Земле нет ничего неизменного. Вот несколько примеров. Общеизвестно, что Атлантика раздвигается за один год на 4 см, что ежегодно продолжительность земных суток в апреле больше, чем в августе на 0.002 с, кроме того, она увеличивается на 0.0023 с за каждое столетие. Но далеко не все понятно ученым. Совершенно не понятна, например, причина скачкообразных изменений угловой скорости вращения Земли, происшедших за трехсотлетний период наблюдений 4 раза (с 1820по 1920гг.). Для таких резких замедлений и ускорений необходимо, чтобы в районе экватора на Землю одновре-| менно упал миллион метеоритов по миллиону тонн " каждый. Но сейсмографы ничего подобного в годы § резких изменений угловой скорости вращения пла-| неты не зарегистрировали.
Еще 2 тысячи лет назад Гиппарх открыл явление прецессии, суть которого заключается в том, что че-
рез каждые 13 тысяч лет в северном и южном полушариях постепенно меняются местами в году лето и зима. Сейчас у нас в России зима наблюдается в декабре-феврале, а через 13 тысяч лет зима будет в июне-августе. Астрономы установили, что изменяется на ± (1-1,5) градуса угол наклона оси вращения Земли к эклиптике и эксцентриситет ее орби ты - с характерными периодами порядка нескольких десятков и сотен тысяч лет. Югославский математик М. Ми-ланкович [ 13] в начале прошлого века установил, что общий приход теплоты от Солнца к Земле (инсоляция) из-за квазипериодических и разнопериодных колебаний параметров орбиты нашей планеты колеблется на несколько процентов с характерным периодом в среднем 50-60 тысяч лет, а это приводит к значительным увеличениям оледенений на Земле.
Сотрудники Главной геофизической обсерватории в Санкт-Петербурге [1] подсчитали, что в наши
-100 Тлет до ilj. ~
15000
10000
Рис. 1. Изменения уровня Мирового океана за последние 20 тысяч лет Т - годы до новой эры, Н - уровень океана в метрах (современный уровень принят за нуль вертикальной шкалы).
дни инсоляция уменьшается на 0,3 % за тысячелетие, и через 11 тысяч лет будет наблюдаться очередной ее минимум. Приведет ли это к новому ледниковому периоду - неизвестно, так как пока что очень плохо изучены облачность и ее роль в авторегулировании теплового состояния коры планеты [8].
Многие ученые считают, что похолодания и оледенения в прошлом были вызваны активизацией вулканической деятельности, приводящей к задымлению атмосферы планеты, что влечет за собой уменьшение инсоляции.
Оледенения меняют климат плане™ и ее ландшафты в масштабе десятков тысяч лет. За последние 2 млн лет, считают специалисты [9], было 20 оледенений. Последнее, Вюрмское, длилось110 тысяч ле г и закончилось недавно - 18 тысяч лет назад, причем уровень океана повысился при таянии ледников приблизительно на 100 метров. Реконструкция уровня мирового океана сделана была полвека назад американским геологом Фэйрбриджем [15] на основе многочисленных геологических фактов. Скорость подъема уровня в интервале 18-10 тысяч лет назад составляла 1 метр за столетие (рис.1).
Согласно графику Фэйрбриджа, вот уже в течение 8 тысяч лет уровень океана стабилен с колебаниями не более ± (1-1,5) метра, а это означает неизменность глобального климата и стабильность ландшафтов. Судя по ряду признаков и таких документов, как рисунки на Скифской вазе, на греческих амфорах, за последние 2-3 тыс. лет не изменилась одежда жителей Греции и Скифии (Украины), не меняется в плане и по высоте положение причалов древних античных портов (Александрия, Пирей),не меняется рисунок гидрографической сети - ни одна река, изображенная на картах двухтысячелетней давности, не исчезла. Вот уже 8 тысяч лет человечество живет в интергляциале - межледниковье. Толща ледового щита, покрывающего Антарктиду, составляет сейчас всего 3-4 км, а 18 тыс. лет назад она была на 2-3 км больше.
Если бы климат в наши дни менялся, мы узнали бы об этом от голландских ученых и журналистов -они пер. >.е заметили бы повышение уровня моря. Но, как показывают многолетние ежедневные измерения пятисот морских уровенных постов на всех морях и океанах [7], в 20 веке уровень океана изменялся только на ширину ладони (80 мм). Крупнейшие авторитеты [2,3,9,14] считают на основании многочисленных лабораторных анализов (колонок морских илов, ледовых кернов из скважин Антарктиды
и Гренландии, дендрохронологических измерений), что распад Вюрмского оледенения был вызван увеличением глобальной температуры на 6 градусов, и одному градусу потепления соответствовало повышение уровня океана на 17 метров.
В наши дни много говорят о повышении глобальной температуры воздуха на 1-2 градуса, но достаточно сделать приближенный расчет, и мы получим для такого значительного потепления рост уровня океана не на 8 сантиметров, а на 15-30 метров! Это обернулось бы катастрофой для сотен миллионов людей, но, к счастью, ничего подобного не произошло. Значит, и повышения глобальной температуры воздуха не происходит.
При обсуждении проблемы изменения климата К.Я. Кондратьев [8} справедливо считает, что наши скудные знания в области океанологии, гляциологии, криолитологии, метеорологии не позволяют нам получить надежные количественные оценки. Действительно, многое из того, что касается рассуждений о климате прошлых эпох, относится к области гипотез, догадок, теоретических построений. Например, ученые считают, что за последний миллиард лет температура воздуха уменьшилась на Земле на 40 градусов. Это значит, что при сегодняшней средней температуре приземного воздуха 14-15 градусов, во времена динозавров (65 млн лет назад) средняя температура воздуха была на 3 градуса выше. Нисходящий тренд температуры выражается отрицательным приращением, равным -3/ /(65- 10е) = -4,6» 10"в «-0,00005 градуса за столетие!
Поскольку со времен динозавров жизнь на Земле не прекращалась, значит, средняя температура воздуха колебалась за 65 млн лет в диапазоне не более 200 градусов (от-100 до + 100°С — диапазон возможного существования живого вещества), то есть не более чем на ± 0,003°С. за 1000 лет! Столь удивительная стабильность температуры воздуха обусловлена неизменностью солнечной постоянной (1356 Вт/м2), огромными массами ледников (35 млн куб. км) и холодных (около 2° С) океанических вод (1,5 млрд. куб км!), а также регулирующим воздействием облачности на тепловой баланс атмосферы и земной поверхности.
Эпоха инструментальных наблюдений в области гидрометеорологии насчитывает лишь 200 -250 лет. Тем не менее математический анализ этих материалов позволил ученым понять, что они имеют дело со случайными колебательными процессами. При этом современные прикладные науки используют в своих построениях гипотезу о неизменности климата, основы теории вероятностей и статистические прогнозы, которые неплохо оправдываются вот уже в течение десятков столетий. Строители и портные успешно пользуются гипотезой неизменности климата в течение уже сотен тысячелетий. Объяснить этот феномен можно очень малыми приращениями температурных трендов. Их значения даже при разрушении Вюрмского оледенения, не говоря уж о межледниковьях, составляют менее одного градуса за тысячелетие, а одежда и жилища служат людям от силы 100 - 300 лет! Мы приспособились, например в Омске, к суточным колебаниям температуры в 20 -25 градусов, поэтому приращение годовой температуры в две сотых градуса за столетие можем игнорировать.
Если проанализировать массив срочных (в 0 час, 3 часа, 6 часов, 9 часов и т.д.) ежесуточных значений температуры воздуха, например, поданным измерений в Омске за много лет (115 лет), можно опреде-
Таблица 1
Характеристики стабильности температуры воздуха в разные временные периоды
Интервал ДТ ДТ, сек Амплитуда температуры А Изменчивость во времени 1 = А/ДТ, град/сек Стабильность температуры воздуха во времени S = 1/1, сек/град Коэффициент стабильности в долях от годового К = S/S„,ft
1 час 3600 5 14-10" 714 0,001
1 сут. 86400 30 3,5-10'4 2857 0,006
1 мес. 2-10° 30 15-10" 66 667 0,13
1 год 3-10' 65 2-10* 500 000 1
100 лет 3-103 90 30-10 3 33 млн 67
1000 лет 3-10'" 96 3-10° 333 млн 667
100 000 лет 3-10" 100 0,03-10" 33 млрд 67 000
1 млрд лет 3-10"' 150 5 Ю1"' 200 трлн 400 000 000
лить значения часовых, суточных, месячных, годовых амплитуд температуры воздуха, которые характеризуют естественные флуктуации теплового состояния воздуха. Корреляции уровня мирового океана с термическим состоянием атмосферы позволяют выполнить количественные оценки амплитуды температуры за периоды 1000, 100 ООО и 1 млрд лет.
В таблице 1 приведены результаты сравнения амплитуд температур воздуха с продолжительностью интервалов и сделана первая, насколько нам известно, приближенная оценка стабильности погод и климатов планеты в разрезе временных интервалов ДТ. Изменчивость термики приземного слоя воздуха во времени можно в первом приближении характеризовать отношением амплитуды А к продолжительности интервала ДТ:
I = А/ДТ (град/с)
стабильность температуры воздуха Б = 1/1 — величина обратная изменчивости (в с/град), а коэффициент стабильности термического состояния атмосферы К в долях от годового значения есть отношение
Фактическое наблюдаемое в природе распределение значений температуры воздуха внутри временных интервалов таково, что с увеличением продолжительности периода ДТ уменьшается относительная амплитуда I, то есть изменчивость термических состояний.
Очевидно, чем длиннее интервал времени, тем стабильнее теплосодержание коры планеты. Этот вывод можно смело отнести к последним 3-4 млрд лет.
Когда обсуждается проблема изменений климата планеты, всегда следует помнить о следующих положениях:
— рост температуры воздуха в больших городах -это вовсе не показатель изменчивости климата. Города и села имеют свой, местный, антропогенный климат, а их площадь составляет не более 0,3 % по-
верхности Земли, что говорит о нерепрезентативности для планеты метеоданных, полученных на территории метеостанций, которые чаще всего располагаются на окраинах больших городов;
— длинные температурные ряды (150-200 лет) имеются только у метеостанций больших городов планеты, а города эти за последие столетия расширялись, метеостанции приходилось не раз переносить за город, чтобы уменьшить техногенное влияние на измеряемую термометром температуру воздуха. Из-за этих переносов ряды температур становятся неоднородными, и уверенно установить тренды не удается. К тому же в течение последнего столетия не раз менялись методики измерений, что также делает ряды неоднородными;
— если нас интересует средняя температура поверхности планеты, то мы должны использовать наблюдения не за температурой воздуха, а за температурой ледников и океанических вод, причем иметь многолетние измерения не только на их поверхности, но и на разных глубинах! Если бы мы знали с точностью 0.001 градуса, как колеблется температура воды в океане, температура льдов и мерзлых горных пород, можно было бы дать прогноз изменений климата. Но экономически невозможно вести измерения в миллионах точек акватории мирового океана и ледяных куполов Гренландии и Антарктиды;
— несмотря на кажущиеся успехи наук о Земле, мы слишком плохо еще изучили свою планету. Например, в Сибири не изучены в гидрометрическом отношении 99,9 % водотоков - малых и средних рек. Температуру мы измеряем очень грубо - с точностью всего лишь до 0,1 градуса, а облачность в век космических полетов наблюдатель-метеоролог оценивает на глаз по 10-балльной системе;
— на температуру воздуха оказывают значительное влияние рифтовые процессы в океане, извержения вулканов, в том числе подводных, лесные пожары, но еще сильнее - резкие изменения площади поверхности морских льдов, вариации стока айсбергов, режимов облачности над континентами и океанами, газообмен океана с атмосферой. К сожалению, эти влияния совершенно не изучены или изучены очень слабо;
— наука не располагает систематическими данными измерений облачности над большей частью территорий и акваторий, площадь которых составляет 90% площади поверхности Земли, нет данных об изменениях температуры воды в океанах и в четырехкилометровой толще льдов Антарктиды;
- наконец, существуют семантические разночтения. Никто пока что строго не сформулировал и не узаконил понятия "климат". Геологи и палеогеографы, палеонтологи и гляциологи уверены, что климат - это статистический ансамбль состояний, которые проходит система океан-суша-атмосфера за периоды в несколько тысячелетий, а синоптики и метеорологи понимают климаты регионов и полушарий как реализации состояний этой системы за несколько десятилетий.
В науке не существует до сих пор единых критериев оценки терминов "колебания" и "изменения" климата. Мы предлагаем считать колебаниями глобального климата знакопеременные изменения уровня океана - этого универсального и очень точного термометра - порядка 10 см и более за столетие, а изменениями климата - систематическое повышение (или понижение) уровня океана в течение хотя бы трех столетий не менее чем на 20 см за каждое столетие ( это составит около 20 % от тех изменений, которые имели место в конце Вюрма).
ВЫВОДЫ
1. Глобальный климат меняется с характерными периодами порядка нескольких тысячелетий и не может меняться в масштабе столетий. Гарантами стабильности его служат солнечная постоянная и огромная тепловая инерция океанических вод и ледниковых куполов, если учесть незначительные скорости термогалинной циркуляции и кондуктив-ной теплопередачи в ледниках.
2. Большинство процессов в окружающем нас мире колебательные, некоторые из них, вероятно, имеют тренды - примером может быть монотонное уменьшение глобальной температуры на 40 градусов за последний миллиард лет. Тренды процессов, как правило, настолько малы, что на фоне колебаний могут считаться несущественными. К сожалению, мы не знаем, к какой временной абсциссе температурной квазисинусоиды, описывающей результирующую всех влияний на тепловое состояние коры нашей планеты, относятся наши дни; уже хотя бы поэтому бессмысленно прогнозировать ход изменений температуры на планете.
Библиографический список
1. БорисенковЕ.П, Климати деятельность человека.-М: Наука, 1982. -134 с.
2. Будыко М.И., Ронов А.Б., Яншин А.Л. История атмосферы / М.И. Будыко, А.Б. Ронов, А.Л. Яншин. - Л.:Гидрометеоиздат. -1985. - 208 с.
3. Дюплесси Ж.-К. Изотопные исследования / Изменения климата / под ред. Дж.Гриббина,- Л.-ГИМИЗ, 1980- С.70-101.
4. Карнацевич И В. Климат в 20 веке не менялся / Вопросы теории и практики гидрологии, климатологии и водных мелиорации: сб. науч. тр. Омского гос. аграрного ун-та, Омск, 2001,-С.5-14.
5. Карнацевич И.В. Анализ трендов в стоковых рядах рек России / И.В. Карнацевич, A.B. Березников, P.A. Кожевин // Водохозяйственные проблемы освоения Сибири: сб. научн.тр,-Омск, 1996,- С.36-39.
6. Климатология / под ред. О. А.Дроздова и Н.В.Кобышевой. - Л.:Гидрометеоиздат, 1989. - 568 с.
7. Колебания уровня морей и океанов за 15000 лет. - М.: Наука, 1982. - 230 с.
8. Кондратьев К.Я. Глобальный климати его изменения. -Л.: Наука, 1987. - 232 с.
9. Котляков В.М. Глобальные изменении природы в "зеркале" ледяного керна // Природа. - 1992. - № 7. - С. 59-68.
10. КрасиловВ.А. Климатические изменения: предотвратить или приспособиться ? // Природа. - 1992. - № 5. - С. 66-70.
11. Кукла Г.Дж. Современные изменения площади снежного и ледяного покрова / Изменения климата / под ред. Дж. Гриб-бина. - Л.:ГИМИЗ, 1980. - С. 160-179.
12. Мезенцев B.C., Карнацевич И.В. Антропогенные изменения в режиме Иртыша у Омска до 1980 г. / Водохозяйственные проб-лемы освоения Сибири. -Омск, 1996. -С. 10-17.
13 Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата.-ГОНТИ-М.-Л -1939.-207с.
14. Соломина О. Н. Колебания горных ледников в послеледниковое время // Природа. - 1992. - №5. - С. 56-65.
15. Fairbridge R.W. Eustatic changes in sea level.-Phys. and Chem. Earth.-1961.-vol.4.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук, профессор кафедры физической географии Омского государственного педагогического университета, профессор кафедры гидрогеологии, гидравлики и инженерной геологии Омского государственного аграрного университета, член-корреспондент Академии аграрного образования.
Российская конференция Инновационные технологии в обучении и производстве
Дата проведения: 20.04.2005-22.04.2005 Срок подачи заявки материалов: 25.03.2005
Тематика
Механика материалов и конструкций, компьютерное проектирование и моделирование Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии Актуальные проблемы текстильной промышленности
Прогрессивные технологии и компьютерное моделирование в машиностроении
Компьютерные технологии в проектировании управления
производством и обучении
Проблемы естественных наук
Человек и мир. Социокультурный аспект
Актуальные вопросы современного языкознания и педагогики
Исследование вопросов экономики и управления
Адрес проведения: Россия, г. Камышин. На базе Камышинскоготехнологического института Информация в Интернет World Wide Webhtlp://www.kti.ru
