RÖVIDEN A FÖLDI ÉGHAJLATRENDSZER ELMÉLETÉHEZ, KÜLÖNÖSEN AZ Éghajlatváltozás összefüggésében *
Rövid megjegyzések a Föld klímarendszer-elméletéről és az éghajlatváltozás összefüggéseiről
(* Prof. RNDr. Milan Lapin, CSc., A professzor alakuló előadásának módosítása 2004.XX. 20-tól)
A kifejezés alatt éghajlati és éghajlati viszonyok vagy körülmények más területeken megértik a kérdések viszonylag széles skáláját. A Meteorológiai Világszervezet (WMO) szerint az éghajlat vagy az éghajlat hosszú távú időjárási rendszer. A WMO úgy véli, hogy az időszak legalább 30 évvel hosszabb, míg az 1961-1990 közötti időszak a szokásos normál periódus (ebből az időszakból származó éghajlati jellemzőket használják a Föld éghajlati viszonyainak nemzetközi összehasonlítására). Az éghajlat statisztikai állapothalmaz is a Föld teljes éghajlati rendszerének (KSZ), amelyen hosszú időn keresztül halad át. A KSZ a légkörből, a hidroszférából (víz a Földön), a krioszférából (hó és jég a Földön), a litoszférából (a földkéreg felső rétegeiből), a bioszférából (a Földön élő organizmusok) és a nooszférából (emberi tevékenységek) áll. . Ez csak a fenti KSZ alrendszerek azon alkotóelemeire vonatkozik, amelyek valamilyen módon kapcsolódnak az éghajlathoz (a továbbiakban:.
Klimatológia a tudomány az egyes éghajlati viszonyok vagy körülmények és azok változásainak összefüggéseiről és okairól, az éghajlat emberi tevékenység tárgyaira gyakorolt hatásairól és fordítva. A KSZ működésének elméletének ismerete elengedhetetlen feltétele az éghajlati viszonyok tudományos elemzésének. A tudományos elemzés alatt elsősorban a helyes fizikai és statisztikai értelmezést értjük. Meteorológia többnyire a KSZ jelenlegi állapotának tudománya, különben a Föld légkörében zajló folyamatok tudománya is, egyik feladata az időjárás előrejelzése legfeljebb 10 napos időtartamra, de számos gyakori problémát megold a klimatológiával.
Az éghajlati viszonyokról akkor beszélünk, amikor egy adott helység vagy terület általános éghajlati jellemzőiről van szó. Amikor a klímának az emberi tevékenység tárgyához vagy az ökoszisztémákhoz való viszonyát értjük, akkor ezt a kifejezést használjuk éghajlati viszonyok.
Fogalmak és tények a következőkkel kapcsolatban: éghajlatváltozás és változékonyság gyakran előtérbe kerülnek, különösen azokban az időszakokban, ahol a rövid távú időjárási eltérések eltérnek a hosszú távú átlagoktól. Mivel a laikus (néha akár szakmai) közönségnek sincs áttekintése a rendelkezésre álló hosszú távú éghajlati átlagokról és az éghajlati változékonyság jellemzőiről, a szélsőségeket néha időjárási eseményeknek tekintik, amelyek viszonylag gyakran fordulnak elő átlagosan (még gyakrabban). mint 10 évente egyszer). A Föld hosszú geológiai periódusainak (több mint ezer millió év közötti) éghajlatváltozásai gyakran keverednek rövid (kevesebb, mint 30 év) időszakokban bekövetkező változásokkal, amelyeknek különböző okai vannak. A hivatásos meteorológusok és klimatológusok feladata, hogy ilyen információkat szolgáltassanak és terjesszenek az éghajlatváltozásról és a változékonyságról, amely elsősorban statisztikai statisztikai alapokon nyugszik és helyesen értelmezi a klimatológiát.
Ökoszisztéma-közösségek és végül emberi tevékenységek az elmúlt 10 ezer alatt évek (az utolsó jégkorszak vége óta) alkalmazkodtak bizonyos éghajlati viszonyokhoz (átlag és változékonyság egyaránt). Az éghajlat minden változása új alkalmazkodást jelent az ökoszisztémák és az emberek számára. Ha a változás gyorsabb a múlt változásaihoz képest (ha az ökoszisztémák nem rendelkeznek genetikai memóriájukban), instabillá válnak. Új egyensúly alakulhat ki az ökoszisztémákban akár több évszázad után is. A tapasztalatok szerint az emberi tevékenységek is csak lassan alkalmazkodnak az új éghajlathoz. Ez annak is köszönhető, hogy egyes alkalmazkodási folyamatok nagyon időigényesek és időigényesek (például: élelmiszer és lakhatás, de a mezőgazdaság, az erdészet és a vízgazdálkodás, az árvíz- és öntözőrendszerek változásai is több évtizedre el kell terjedniük) ).
Klímaváltozás - ezt a kifejezést a múltban minden éghajlattal kapcsolatos változásra használták (ma már csak a természetes éghajlatváltozásra vonatkoznak). A természetes jellegű éghajlatváltozások főként a Föld múltbeli geológiai időkben bekövetkezett változásai (évektől milliókig százmilliókig), jégkorszakok (évezredek tízezreitől millióig), egyéb változások (évszázadokig), néha alacsony az éghajlat frekvenciájának ingadozása (több tíz év).
Az éghajlat változékonysága - Az éghajlati viszonyokra a központi, a diszperziós, a trendi és a ciklikus jellemzők jellemzők. A diszperziós jellemzők az éghajlat változékonyságát jelentik (szórás, az eloszlási görbe egyéb jellemzői (túllépés valószínűsége 10, 50, 100 év múlva), interszekvencia-variabilitás (napközbeni, évközi.) Stb.). Az éghajlati változékonyság kiszámítható egy évnél hosszabb időtartamra is, valamint másképp hosszabb időtartamok felhasználásával a bemeneti feldolgozási adatok értéke (10 perc és 30 év között).
Éghajlati ingadozások - az éghajlati jellemzők természetes ingadozása elsősorban a napsugárzásnak köszönhető (éves futás, 11 éves ciklus,), más ciklusok összefüggenek egyes éghajlat-képző folyamatok ciklikusságával (pl. QBO (kb. 2 év), ENSO, El Niño 2 és 2) - Észak-atlanti rezgés), az éves futástól eltekintve mindannyian nagyon gyengén fejezzük ki magunkat, a negyedkori jégkorszakok ciklusa körülbelül 100 ezer periódusú. év alatt az alacsony frekvenciájú ciklusokat 11 évnél hosszabb időtartamú ingadozásoknak tekintjük. Minden hosszabb ciklust nehéz azonosítani a megfigyelések idősorában.
"Éghajlatváltozás" kifejezés alatt csak azokat az éghajlati viszonyok változásait értjük, amelyek összefüggenek a légkör üveghatásának antropogén módon kondicionált növekedésével az ipari forradalom kezdete óta (Kr. u. 1750 körül, ha megkülönböztethetőek a természetes változásoktól). Az utolsó jégkorszak végétől 1750-ig a koncentráció az ún üvegházhatású gázok (ÜHG) a légkörben csak kis mértékben, azóta a léggömb összes üvegházhatást okozó gázának növekedése a vízgőz kivételével felgyorsult. A teljesen új ÜHG-k freunák és halonok (1930 után). A légkör üvegházhatása kifejezés alatt megértjük az atmoszférában az üvegházhatást okozó gázok (egyébként sugárzás-aktív gázok) következményeinek összegét, amelyek elnyelik a Föld hősugárzását, felmelegítik a légkör azon részét, ahol találhatók, és megváltoztatják a hősugárzás egyensúlyát a felszínen a felszín felszínén a légkör erősebb hátsó sugárzása. Ez stabilizál egy bizonyos átlagos léghőmérsékletet a Föld talajrétegében (most kb. +15 ° C, a légkör természetes üveghatása a légkör talajrétegének hőmérsékletének 33 ° C-os emelkedését jelenti., amely nélkül -18 ° C lenne).
Korábban azt feltételezték, hogy a meteorológiai folyamatok, beleértve az éghajlati viszonyokat, szinte kizárólag a Föld légköréhez kapcsolódnak. Ma a tudósok beismerik a légkör mintegy 50% -át, a hidroszféra 20% -át és 30% -át a többi alrendszer számára. Az elméleti klimatológia legújabb tankönyvei ezért különös figyelmet fordítanak a légkör és a hidroszféra kölcsönhatására. Azt is feltételezték, hogy az éghajlati viszonyokat döntően csillagászati és földrajzi tényezők befolyásolják. A tudományos kutatások legfrissebb eredményei szerint a keringési és antropogén tényezők hatása is igen jelentős.
Nagyon röviden a KSZ alrendszerek néhány érdekes tulajdonságáról
Egyéb KSZ alrendszerek - Lithosphere a földkéreg felső része, amely bármilyen módon hozzájárul az éghajlati viszonyok kialakulásához. Mind a szárazföld, mind a tengerfenék felszínén változó mélységű, a helyi viszonyoktól függően. Ezt az alrendszert jó együtt értékelni Bioszféra, vagyis ezen a Földön minden élőlény, beleértve karbonátjukat és más kövületeket, növényi és állati maradványokat. Míg a litoszféra többé-kevésbé hosszú távú állandó alrendszernek számít, a bioszféra egyszerűen annak tekinthető, ha természetes és antropogén módon nem érintett ökoszisztémákról beszélünk. A társadalmi-gazdasági tevékenységekkel rendelkező ember néha részben bekerülhet a bioszférába - néha ezt az alrendszert hívják Noosphere vagy Antropogén gömb. Ezen a ponton nemcsak a Föld népességének gyors és exponenciális növekedését kell hangsúlyozni (kb. 5 millió 12 ezer évvel ezelőtt, 500 millió 500 évvel ezelőtt és 6000 millió 2002-ben), hanem az energia nagyon gyors növekedését is, nyersanyagok és áruk fogyasztása, amely a Föld természetes környezetének jelentős befolyásolásában nyilvánul meg. Ezen alrendszerek funkcióját a KSZ-ben a későbbiekben tárgyaljuk.
Most néhány szó a rendszerekről
Mivel a KSZ összes korábbi elmélete a légkör mint termohidrodinamikai rendszer értékelésének körülményein alapult, ezek az eljárások általában a többi komponensére is vonatkoznak. Itt vannak a KSZ-re alkalmazható rendszerek jellemzői. Minden rendszert legalább összetételével, termodinamikai és mechanikai állapotával kell jellemezni. A teljes rendszer (a KSZ is) komplexitása főként a komponensek kölcsönhatásainak nemlinearitásából adódik. Mivel értékelni fogjuk a külső és belső klímaképző tényezőket, szükséges az egész teret két részre osztani - a KSZ-re és környékére.
A teljes KSZ-ben szinte minden alrendszer nyitott és véletlenszerűen ingadozó, azaz turbulens (kaotikus) rendszerű, többé-kevésbé stabil peremfeltételekkel rendelkezik. Az ilyen rendszerek sokféle fizikai állapoton mennek keresztül. Első pillantásra úgy tűnik, hogy nem tudjuk megoldani a fizikai folyamatokat az ilyen rendszerekben. Tény azonban, hogy a matematikai statisztika és a statisztikai fizika eszközeivel valós lehetőségek vannak a helyes elemzésre. Természetesen ilyen esetekben nem foglalkozunk külön-külön az egyes esetek folyamataival, ezek hosszú idősorok vagy többszörös adathalmazok, amelyek a statisztikai elemzés szempontjából megkövetelik a szükséges tulajdonságokat. Fontosak: a megfigyelt vagy mért adatok független véletlenszerű kiválasztása, elegendő száma, ellenőrzött minősége és reprezentativitása.
Napsugárzás
Regionális különbségek a Föld sugárzási és energiaegyensúlyában döntő mértékben hozzájárulnak az éghajlattípusok keletkezéséhez és az éghajlati fejlődés dinamikájához. A felhők, az albeda eloszlása, valamint a szárazföld, a tengerek és az óceánok felszíni hőmérséklete miatt az általános sugárzási egyensúly nehéz körülményeket teremtett. A teljes sugárzási egyensúlyból származó energia több mint 80% -át a trópusok közötti trópusi zóna nyeri (a Föld felszínének 40% -a), az óceánok felszíne itt körülbelül 2-szer több energiát kap a Naptól, mint a szárazföld felszíne egységnyi terület. Még súlyosabb az a tény, hogy a teljes sugárzási egyensúly több mint 90% -át a trópusi óceánok párolgására fordítják. Nyilvánvaló, hogy a hajótestekből származó energia elősegítése (átadása) a légköri és tengeri keringés által rendkívül fontos.
A sugárzás és az energiaegyensúly jól ismert regionális sajátosságai mellett szüneteltessünk még ritkábban bemutatott megállapításokkal is. Az átlag stabilizálása és a légköri hőmérséklet változékonysága a földi levegőrétegben (2 m-rel a földfelszín felett) főként a légköri kémia rendszerének változásától, az általános sugárzási egyensúlytól, a légköri és tengeri cirkulációtól függ. Mindezek a folyamatok jelentős visszajelzésekkel társulnak, amelyek általában csillapítják a felmerült ingadozásokat.
Sugárzás aktív (üveg) gázok
Az üvegházhatást okozó gázok növekvő koncentrációjának hatását a légkör talajrétegében a magasabb átlaghőmérséklet stabilizálására gyakran nevezik "Sugárerősítés" (sugárirányú kényszerítés). Másrészt egyes aeroszolok növekvő koncentrációja ellenkező hatást eredményezhet, azaz "Sugárcsillapítás". 2000-ben a sugárerősítés értékét 2,43 W.m -2-re (+0,3 W.m -2 megnövekedett napsugárzásra) és a sugárzási csillapítást 0-ról 2 W.m -2-re becsülik. Bár egy ilyen összehasonlítás csak hipotetikus, végül ugyanolyan jelentése van, mintha a bejövő napfény fluxusa fokozódna. Hangsúlyozni kell, hogy a sugárzás növekedése 2000-ben körülbelül nyolcszor nagyobb volt, mint 350 év alatt a bejövő napfény növekedése a légkör felső határáig. A földön sehol lévő antropogén aeroszolok miatti sugárzási csillapítás meghaladta a sugárzás fokozásának 50% -át a nagyobb régióban az üvegházhatást okozó gázok növekedése miatt.
Légköri és óceáni dinamika
D S = 0,02%. Az óceánok nagyobb mélységében a nyomásváltozások szerepe fontosabb, mint a hőmérsékletváltozások.
Interakciók és visszajelzések
A teljes KSZ alrendszerei közötti kölcsönhatások és visszacsatolások ismert klimatikus folyamatokon keresztül zajlanak, de dinamikájuk nem teljesen ismert. Bár e folyamatok túlnyomó többsége már jól leírható a differenciálegyenlet-rendszerekkel, és ezeket többé-kevésbé determinisztikusnak tekinthetjük (ez az úgynevezett kényszerített klímaváltozás), egyes folyamatok kiszámíthatatlanul zajlanak, a különbség nyilvánvaló részarányával instabilitás és visszajelzések, amelyek nemlineáris kölcsönhatáshoz vezetnek a KSZ különböző komponensei között). Ezen ismeretek alapján a meteorológus és klimatológus E.N. Lorenz káoszelmélet.
A KSZ viselkedését meghatározó külső tényezők főként csillagászati (napállandó, a Föld orbitális paraméterei, a Föld forgása) és földi (légköri összetétel, vulkánkitörések, emberi tevékenységek, földhasználat, termonika, tektonika). Ezen tényezők egy része hosszú távon többé-kevésbé stabil, másokon bizonyos rendszeres vagy szabálytalan változások vannak kitéve. A belső éghajlat-képző tényezők a KSZ-ben elsősorban a pozitív és negatív visszacsatolások és a teljes KSZ elemei közötti egyéb kölcsönhatások mechanizmusához kapcsolódnak. Ezek a tényezők elindíthatják az egész rendszer instabilitásához vagy oszcillációjához vezető folyamatokat, míg a külső tényezőktől teljesen függetlenül megvalósíthatók, vagy jelentősen módosíthatók. Példaként megemlíthetjük az éghajlati elemek éves és napi lefolyását, amelyek egyértelműen külső csillagászati tényezőkből származnak. A KSZ-ben azonban számos más ciklus létezik (12 órától 100 000 évig, vagy még ennél is tovább), amelyek részben a KSZ külső és részben belső tényezőinek tulajdoníthatók. A KSZ-ben zajló folyamatok interaktív és nemlineáris jellege rendkívül megnehezíti az értelmezést.
A tudósok már régóta meg vannak győződve a légkör kémiai összetételének nagy stabilitásáról, mert vannak hatékony negatív visszacsatolások, amelyek nem engednek jelentős eltéréseket. Még a középkorban alkalmanként jelentős vulkánkitörések és a földhasználatban bekövetkezett jelentős változások sem tudták jelentősen megváltoztatni a légköri kémia kvázi állandóságát. A gleccserek (és másutt) üregéből származó konzervált levegőminták elemzése megerősítette, hogy az elmúlt egymillió évben csak jégkorszakokban változott kismértékben a szén-dioxid és a metán (CO2 és CH4) koncentrációja a légkörben. Az elmúlt 10 000 évben 1750-ig szinte semmi változás nem történt. Igaz, hogy a Föld fejlődésének korai szakaszában (egymilliárd évvel ezelőtt) viszonylag nagy különbségek voltak a CO2, O2, O3 (ózon) koncentrációjában, H2O, CH4 és más gázok a jelenhöz képest. Ennek azonban most nincs jelentős szerepe a KSZ elemzésében.
A légkör üveghatása egy valódi fizikai rendszer, jól ismert folyamatdimenziókkal. Néhány bizonytalanság a negatív visszacsatolások (felhők, fotoszintézis, gleccserek, aeroszolok, mélyebb óceánrétegek) lehetséges kialakulásából adódik. A szén-dioxid-körforgás forradalmi változásai a Földön (új növény- és állatfajok megjelenése, a CO2 megkötésének nagy és gyors növekedése a légkörből, ilyen változás az óceán keringésében, várhatóan nem fordul elő forradalmasan számos folyamat során. században).). Ellentmondásos megfontolás tárgyát képezik az egyes aeroszolok koncentrációjának gyors növekedése miatt a légkörben és a felhőzetben bekövetkező negatív visszacsatolási hatások is. Ehelyett valószínűnek tűnik, hogy az örökfagy és egyes gleccserek megolvadása után további millió CO2-kibocsátás következik be ebben a környezetben millió évvel ezelőtt.
Bár Szlovákiában nem foglalkozunk a klímaképző folyamatok globális modellezésével, ezeket az eredményeket felhasználjuk a regionális értelmezéshez, és szükséges, hogy szakértőink részletesen tanulmányozzák ezt a kérdést. Szlovákiában a klímaváltozás társadalmi-gazdasági szférára gyakorolt lehetséges következményeinek becsléséből, valamint az alkalmazkodási és mérséklési intézkedések elfogadásából is megpróbáljuk alkalmazni a legfrissebb eredményeket. Néhány további részlet a következő oldalakon található: www.dmc.fmph.uniba.sk, www.ipcc.ch, www.wmo.ch, valamint.
Prof. RNDr. Milan Lapin, CSc.
A szerző garantálja a meteorológia és klimatológia tanulmányait a Comenius Egyetem Matematikai, Fizikai és Informatikai Karán, valamint a Szlovák Köztársaság Nemzeti Éghajlati Programjának hosszú távú elnöke.
Dobrovolski, S. G.: Sztochasztikus klímaelmélet: modellek és alkalmazások. Springer. Berlin, Heidelberg, New York, Barcelona, Hong Kong, London, Milánó, Párizs, Szingapúr, Tokió 2000, 282 pp.
IPCC, TAR, 2001: Klímaváltozás 2001: A tudományos alap. Az I. munkacsoport hozzájárulása az IPCC harmadik értékelő jelentéséhez. Cambridge Univ. Press, Egyesült Királyság, 944 p. (www.ipcc.ch)
Lapin, M., Tomlain, J.: Általános és regionális klimatológia. Vyd. UK Bratislava, 2001, 184 p. (egyetemi tankönyv).
Lorenz, E. N.: A légkör általános keringésének természete és elmélete. WMO publikáció száma 218, Genf 1967, 167 pp.
Pedlosky, J.: Óceán cirkulációs elmélete. Springer, Berlin 1998, 455 pp.