CC BY
13
УДК 551.581; 551.582; 551.583
СТЕНД «КЛИМАТ» В ЭКСПОЗИЦИИ МУЗЕЯ ЗЕМЛЕВЕДЕНИЯ МГУ «ЗЕМЛЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ»
О.П. Иванов, М.А. Винник1
На стенде «Климат» рассмотрены основные особенности климатической подсистемы Земли, её зависимость от цикличности активности Солнца и цикличности кинематических параметров динамики Земли. Представлены косвенные признаки современного потепления и рассмотрены особенности региональных аномалий потепления. Особое внимание уделено околополюсным вихрям и их связям со стратосферой и состоянием озона. Показаны чувствительные к полярным вихрям зоны гидросферы. Приведены этапы оледенений на Земле и подробно освещён период глобального потепления в последние 20 тыс. лет. Вариабельность климатической системы отображена атмосферно-гидрологическими циклами
Ключевые слова: климат, полярный вихрь, оледенение, гидросфера, атмосфера, стратосфера.
THE STAND CLIMATE' AT THE EARTH SCIENCES MUSEUM EXHIBITION THE EARTH IN THE UNIVERSE'
O.P. Ivanov, PhD, MA. Vinnick, Dr. Sci. (Pedagogic) Lomonosov Moscow State University (Earth Science Museum)
The stand 'Climate' describes the main features of the Earth climate subsystem, its dependence on the cyclical nature of solar activity and cyclicity of kinematic parameters of the Earth dynamics. Moreover, the stand gives some information on indirect evidence of modern warming and the peculiarities of regional warming anomalies. Particular attention is drawn to the circumpolar vortices and their relations with the stratosphere and the state of ozone. On the stand you can also find the images of the hydrosphere zones sensitive to polar vortices. On top of all the stand reveals the stages of glaciations on the Earth and explains in detail the period of global warming in the last 20 thousand years. The variability of the climate system is depicted by atmospheric and hydrological cycles.
Keywords: climate, polar vortex, glaciation, hydrosphere, atmosphere, stratosphere.
Введение. Проблемы климата всегда интересовали не только широкие круги учёных, но и обычных людей, ибо климатические последствия затрагивали все стороны деятельности человечества. Климат - это некое обобщённое понятие, представляющее собой осреднённые погодные состояния на больших интервалах времени. Оно отражает комплексный отклик всех подсистем Земли на любые внешние воздействия. Поэтому упрощённое представление о том, что климат можно достаточно полно описать только вариациями температурных условий, не вполне корректно, хотя чаще всего в качестве параметра порядка принимается именно температура. Такой подход не затрагивает сущности всех механизмов преобразования получаемой Землёй энергии и особенностей формирования комплексного отклика.
Задача стенда - подвести слушателя к сознательному восприятию всех современных климатических особенностей Земли. Именно поэтому он играет очень важную
1 Иванов Олег Петрович - к.г.-м.н., в.н.с. Музея землеведения МГУ, ivanovop2007@yandex.ru; Винник Михаил Анатольевич - д.пед.н., с.н.с. Музея землеведения МГУ, vin_nik@mail.ru.
Жизнь Земли 39(3) 2017 269-277 269
роль в экспозиции «Земля во Вселенной». Стенд представлен шестью тематическими блоками, расположенными на отдельных паспарту. Каждая тематика представлена несколькими отдельными экспонатами, что позволяет дать достаточно широкое освещение тем. Подписи к экспонатам сопровождаются ссылками на научные исследования и публикации, откуда заимствованы результаты в виде схем и рисунков, что позволяет художественно и высоко научно отображать суть аспектов рассматриваемых вопросов (рис. 1). Тональность стенда и паспарту на стенде точно согласуются с остальными стендами экспозиции всего зала.
Рис. 1. Общий вид стенда «Климат».
В верхней части центрального тематического блока приведена схема «Климатическая система Земли», из которой следует, что климат на Земле - это производная ряда факторов (внешних и внутренних) (рис. 2). 270
Внешние факторы - это вариабельность солнечной активности, особенности кинематики Земли (эксцентриситет, прецессия, нутация). К внешним факторам можно также причислить и эндогенную динамику Земли (процессы в ядре, мантии, нижней части литосферы).
Внутренние факторы - это подсистемы климатической системы: например, отражаемость поверхности суши и океана, запылённость аэрозолями от вулканов и др.
Таким образом, климатическая система является пограничной подсистемой, принимающей и перераспределяющей получаемое извне и изнутри тепло по поверхности Земли. На процессы перераспределения влияет множество факторов.
В этом блоке также показаны схемы палеоклиматов Земли за 600 млн лет: на графиках и картах отображена динамика климатических изменений за последние 20 тыс. лет.
На верхнем левом блоке «Распределение солнечной энергии» показано влияние альбедо поверхности суши и океана, влияние кривизны принимающей поверхности, приведена схема перераспределения энергии в тропосфере и, как итог, карта климатических поясов (рис. 3). Эта карта как бы градуирует плотность прогрева поверхности за счёт кривизны принимающей поверхности по широтным поясам.
Правый верхний тематический блок содержит схему кинематических параметров (эксцентриситет, нутация, прецессия) с указанием длительности циклов по каждому параметру, а также схему их суммарного влияния и отражение этого влияния во льдах. Суммарная кривая содержит три цикла: 100, 41 и 23 тыс. лет (рис. 4). Следует отметить, что справедливость суммарной математической кривой подтвержда-
Рис. 2. Тематический блок «Палеоклиматы Земли».
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
^- плотность
ПАДАЮЩЕЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ У ЭКВАТОРА ВЫШЕ ИЗ-ЗА ОРТОГОНАЛЬНОСТИ ПОВЕРХ-Л- НОСТИЗЕМЛИ
Кривизна принимающей поверхности —основа климатической зональности (ess55, Jin-yi Yu, 2001)
Схема энергетического баланса вблизи поверхности Земли
(USA, Cambridge, Kiehl And Trenberth, 1997)
Климатическая карта Земли
(http://people. eng.unimelb.Edu.au/mpeel/koppenAvortd_koppen_map.png)
Карта альбедо Земли (NASA.Terra, Modis, 2002;Http://eoimages.gsfc.n; gov/images/imagerecords/200/2599/modis_albedo_lrg.jpg)
Рис. 3. Тематический блок «Распределение солнечной энергии».
ется исследованиями слоёв морских раковин на содержание изотопов кислорода. Итоговая кривая по палеоданным практически идентична математической кривой, что подтверждает реальность этих циклов, впервые рассчитанных Миланковичем по астрофизическим данным.
ВАРИАЦИИ ОРБИТАЛЬНОЙ КИНЕМАТИКИ
ЛЕТНЯЯ ИНСОЛЯЦИЯ
Сопоставление суммарного влияния кинематических параметров с объемами льда на Земле (Брокеру, е.,дентонд.г., 1990)
з Кинематические параметры Земли, влияющие на периодич-
ность природных процессов (по МНапкоуПсИ М„ 1930)
Рис. 4. Тематический блок «Вариации орбитальной кинематики».
Левый тематический блок средней части стенда посвящён анализу косвенных признаков глобального потепления. К ним относятся: график прогрева вод океана до 700 м; графики уровня моря по различным, включая космические, данным; графики активности циклонов и торнадо; графики изменения площади и мощности ледовых покрытий в различных регионах мира (рис. 5).
Рис. 5. Тематический блок «Косвенные признаки глобального потепления».
Снег и лёд обладают высочайшим альбедо. Некоторые части Антарктики отражают до 90 % поступающего солнечного излучения. Поэтому так важна динамика криос-феры и поверхности моря.
Наиболее динамичным элементом криосферы является снежный покров, объём которого составляет около 17 тыс. км3, а площадь снежного покрытия поверхности Земли достигает в среднем около 115 млн км, изменяясь в отдельные периоды от 100 до 126 млн км2. С 1955 по 1999 гг. снежный покров Земли уменьшился более чем на 2,6 млн км2, или на 2,6 %, а его среднемноголетняя толщина за последние 30-40 лет сократилась более чем на 10 %. Практически для всех континентов характерно ускоряющееся сокращение горных ледников, объёмы которых быстро убывают, приводя к истощению речных водных потоков, которые они питают [3].
Таяние ледников приводит к преобразованию климатических условий в Арктике, где этот процесс происходит в 3-5 раз быстрее, чем в средних широтах, что может влиять на всю климатическую структуру Земли.
Большие изменения претерпевает вечная мерзлота, граница которой быстро отступает в северные районы. В последнее столетие эта регрессия составила около 100 км. Изменение границы вечной мерзлоты создаёт угрозу для инфраструктуры многих районов в результате развития оползневых процессов и снижения устойчивости фундаментов. Тающий многолетнемёрзлый грунт выделяет метан и углекислый газ, что содействует процессам потепления.
Правый тематический блок средней части стенда посвящён различным климатическим циклам (рис. 6). Так, слева представлены результаты реконструкций зимних гренландских температур, которые показывают наличие циклов в 60-70 лет, совпадающих с циклами АМО (атлантические мультидекадные осцилляции). Рассмотрены циклы АО (арктические осцилляции) и циклы явлений ENSO (Эль-Ниньо и Ла-Ниньо).
Ниже представлен отдельный подблок по взаимосвязи СО2 и климата, где на основе сопоставления результатов анализа кернов льда Антарктиды (станция Восток), Гренландии и горных ледников мира показана глобальная цикличность климата в интервалах 90-110 тыс. лет и отражено опережающее действие температуры в системе СО2 - температура. Интервал опережения варьирует в пределах 300-800 лет. Сценарий этого строится на первичном повышении температуры, последующем таянии ледников с высвобождением разлагающейся ранее вмороженной растительности и сопутствующем выделении метана и СО2.
Исходя из этого представлены утверждения о том, что вклад человечества в рост СО2 составляет лишь 0,28 % и не может рассматриваться как угрожающий.
Внизу стенда располагается тематический блок «Причины современных климатических вариаций»; рассмотрим его по частям. Слева представлена информация о приполюсных вихрях. В приполярных областях стратосферы есть сложная система ветров, которую климатологи называют «полярная воронка» (рис. 7). Фактически это кольцо из очень сильных ветров, со скоростью около 128 км в час.
Примерно раз в два года происходит резкое потепление стратосферы, и ветры «полярной воронки» меняют свое направление или снижают скорость в приповерхностных слоях тропосферы. Они в свою очередь проникают до поверхности воды и косвенно становятся причиной климатических вариаций.
Специалисты из Университета штата Юта совместно с учёными из Университета Макса Планка (Германия) создали модель изменения климата за последние 4000 лет. Полярный вихрь, образующийся в стратосфере над северной частью Атлантического 274
КЛИМАТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
д,.
И|П1|ЧП пгТпг
11-летний и 200-летний циклы
ВЗАИМОСВЯЗЬ С02 И КЛИМАТА
Результаты анализа керна льда из скважины на станции"Восток". Характерны климатические ритмы 90-110 тыс. лет и опережение максимумов Т по отношению к максимумам СО? на 300-800 лет
<ЬПр/№ум1гетл1£ю1лпи/2007/02*)и054>4_И.дГ)
Установлено, что 99,72% парниковых влияний имеют природное происхождение, антропогенного влияния составляет лишь 0,28%
Рис. 6. Тематический блок «Климатические циклы».
океана, оказывал значительное влияние на тёплые течения, формирующие погоду в США и Европе. Отмечено, что снижение скорости ветров в Арктике или изменение их направления становится причиной изменения работы АМОС (атлантической меридиональной циркуляции). АМОС является одним из самых значимых компонентов глобальной системы течений мирового океана, она - «дирижёр» погоды в Северной
Рис. 7. Схема северного околополюсного вихря и отражение его в АО.
Америке и Европе. В свою очередь, Северная Атлантика особенно важна для глобальной океанической циркуляции и, следовательно, для климата во всем мире. В регионе к югу от Гренландии, которую называют областью «downwelling», в холодном струйном течении вода может ещё более охладиться, уплотниться и стать достаточно солёной (плотной), чтобы начать опускаться вниз. Одновременно Арктические осцилляции (АО) диктуют ситуацию с распределением ветров, давления и погоды на значительной части северного полушария (рисунки справа).
В центральной части нижнего тематического блока (рис. 8) показано воздействие длинных волн на температуры высоких широт и озоновый слой.
Низ блока посвящён проблеме озоновых дыр и антропогенному воздействию на озоновый слой. Фактически это вариации, связанные с годовыми и сезонными изменениями.
Правая часть нижнего тематического блока (рис. 9) посвящена региональным тепловым аномалиям 1998 Рис. 8. Схемы, связанные с проблемами озона. и 2010 гг. и связанным с ними вари-
Рис. 9. Региональные вариации температур.
ациям озона. В правой части блока показаны схемы вариаций температур и уровня океана в период Ла-Ниньо, а также приведён график взаимосвязи содержания озона в стратосфере и её температуры. Чётко прослеживается синхронность поведения обоих параметров.
Детальный анализ большинства рассматриваемых аспектов изложен в работах, приведённых в списке литературы [1, 2].
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов О.П. О проблемах изменения климата // Климат и Природа. 2013. № 2 (7). С. 3-21.
2. Иванов О.П. Особенности современного климата // Климат и Природа. 2013. № 3 (8). С. 3-17.
3. Коваленко Н.В., Поповнин В.В. Ледники Кузнецкого Алатау не хотят отступать // National Geographic Россия. 2006. № 33. С. 40-48.
REFERENCES
1. Ivanov O.P. About the problems of climate change. Klimat i Priroda. 2 (7), 3-21 (2013) (in Russian).
2. Ivanov O.P. Features of the modern climate. Klimat i Priroda. 3 (8), 3-17 (2013) (in Russian).
3. Kovalenko N.V., Popovnin V.V. Glaciers of the Kuznetsk Alatau do not want to retreat. National Geographic Russia. 33, 40-48 (2006) (in Russian).
