Научные исследования механизмов глобального потепления

Введение

Усилия по научному определению механизмов, ответственных за недавнее глобальное потепление.

Научное сообщество исследует причины изменения климата на протяжении десятилетий. После тысяч исследований был достигнут консенсус, согласно которому "неоспоримо, что влияние человека привело к потеплению атмосферы, океана и суши с доиндустриальных времен". Этот консенсус поддерживается примерно 200 научными организациями по всему миру. Доминирующую роль в этом изменении климата играют прямые выбросы углекислого газа в результате сжигания ископаемого топлива. Косвенные выбросы от изменения землепользования, а также выбросы метана, закиси азота и других парниковых газов играют важную поддерживающую роль. По сравнению со средним значением за 1850–1900 годы, используемым МГЭИК в качестве доиндустриального уровня. Основным фактором повышения глобальных температур в индустриальную эпоху является деятельность человека, в то время как природные факторы вносят вклад в изменчивость. Потепление, вызванное парниковым эффектом, имеет логарифмическую зависимость от концентрации парниковых газов. Это означает, что каждая дополнительная доля и других парниковых газов в атмосфере оказывает несколько меньший эффект потепления, чем предыдущие доли, по мере увеличения общей концентрации. Однако только около половины выбросов постоянно остаются в атмосфере, в то время как другая половина быстро поглощается поглотителями углерода на суше и в океанах. Кроме того, на потепление на единицу парниковых газов также влияют обратные связи, такие как изменения концентрации водяного пара или альбедо Земли (отражательная способность). По мере увеличения потепления поглотители углерода поглощают меньшую долю общих выбросов, в то время как "быстрые" обратные связи в изменении климата усиливают потепление, вызванное парниковыми газами. Таким образом, оба эффекта компенсируют друг друга, и потепление от каждой единицы выбросов, производимых человеком, увеличивает температуру в линейной пропорции к общему объему выбросов. Кроме того, часть парникового потепления была "замаскирована" выбросами диоксида серы, который образует аэрозоли, оказывающие охлаждающий эффект. Однако эта маскировка уменьшается в последние годы из-за мер по борьбе с кислотными дождями и загрязнением воздуха, вызванными сульфатами.

The scientific community has been investigating the causes of climate change for decades. After thousands of studies, it came to a consensus, where it is "unequivocal that human influence has warmed the atmosphere, ocean and land since pre industrial times." This consensus is supported by around 200 scientific organizations worldwide, The dominant role in this climate change has been played by the direct emissions of carbon dioxide from the burning of fossil fuels. Indirect emissions from land use change, and the emissions of methane, nitrous oxide and other greenhouse gases play major supporting roles. vs the 1850–1900 average used by the IPCC as a pre industrial baseline. The primary driver for increased global temperatures in the industrial era is human activity, with natural forces adding variability.]] The warming from the greenhouse effect has a logarithmic relationship with the concentration of greenhouse gases. This means that every additional fraction of and the other greenhouse gases in the atmosphere has a slightly smaller warming effect than the fractions before it as the total concentration increases. However, only around half of emissions continually reside in the atmosphere in the first place, as the other half is quickly absorbed by carbon sinks in the land and oceans. Further, the warming per unit of greenhouse gases is also affected by feedbacks, such as the changes in water vapor concentrations or Earth's albedo (reflectivity). As the warming from increases, carbon sinks absorb a smaller fraction of total emissions, while the "fast" climate change feedbacks amplify greenhouse gas warming. Thus, both effects are considered to each other out, and the warming from each unit of emitted by humans increases temperature in linear proportion to the total amount of emissions. Further, some fraction of the greenhouse warming has been "masked" by the human caused emissions of sulfur dioxide, which forms aerosols that have a cooling effect. However, this masking has been receding in the recent years, due to measures to combat acid rain and air pollution caused by sulfates.

Факторы, влияющие на климат Земли

Форсирование – это фактор, оказывающий внешнее воздействие на климатическую систему. К внешним факторам относятся природные явления, такие как извержения вулканов и изменения в солнечной активности. Деятельность человека также может вызывать форсирование, например, через изменение состава атмосферы Земли. Радиационное воздействие – это мера того, как различные факторы изменяют энергетический баланс Земли. Положительное радиационное воздействие приведет к потеплению поверхности и, со временем, всей климатической системы. В период с начала промышленной революции в 1750 году по 2005 год увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере (химическая формула: ) привело к положительному радиационному воздействию, в среднем по площади поверхности Земли, в размере около 1,66 ватт на квадратный метр (обозначается как Вт/м²). Климатические обратные связи могут как усиливать, так и ослаблять реакцию климата на заданное воздействие. Климатическая система демонстрирует внутреннюю изменчивость как при наличии, так и при отсутствии внешних воздействий. Эта внутренняя изменчивость является результатом сложных взаимодействий между компонентами климатической системы, таких как связь между атмосферой и океаном. Примером внутренней изменчивости является явление Эль-Ниньо – Южное колебание.

Влияние человека

Факторы, влияющие на климат Земли, можно разделить на факторы принуждения, обратные связи и внутренние колебания. Четыре основных направления доказательств подтверждают решающую роль человеческой деятельности в недавних изменениях климата:
Физическое понимание климатической системы: концентрация парниковых газов возросла, и их согревающие свойства хорошо установлены. Исторические оценки прошлых изменений климата показывают, что недавние изменения глобальной температуры поверхности необычны. Современные климатические модели не могут воспроизвести наблюдаемое потепление, если не учитывать выбросы парниковых газов, вызванные деятельностью человека. Наблюдения за естественными факторами, такими как солнечная и вулканическая активность, показывают, что они не могут объяснить наблюдаемое потепление. Например, увеличение солнечной активности привело бы к потеплению всей атмосферы, тогда как потеплели только нижние слои.

Парниковые газы

Парниковые газы прозрачны для солнечного света и, таким образом, позволяют ему проходить через атмосферу, нагревая поверхность Земли. Земля излучает это тепло, и парниковые газы поглощают его часть. Это поглощение замедляет скорость рассеивания тепла в космос, удерживая тепло вблизи земной поверхности и вызывая её нагрев со временем. Хотя водяной пар и облака вносят наибольший вклад в парниковый эффект, они в основном изменяются в зависимости от температуры. Поэтому они рассматриваются как обратная связь, влияющая на чувствительность климата. С другой стороны, газы, такие как тропосферный озон, хлорфторуглероды и оксид азота, добавляются или удаляются независимо от температуры. Следовательно, они считаются внешними факторами, изменяющими глобальную температуру. Деятельность человека с начала промышленной революции (около 1750 года), главным образом добыча и сжигание ископаемого топлива (уголь, нефть и природный газ), привела к увеличению количества парниковых газов в атмосфере, что вызвало радиационный дисбаланс. За последние 150 лет деятельность человека привела к выбросу в атмосферу все возрастающих объемов парниковых газов. К 2019 году концентрации углекислого газа и метана увеличились примерно на 48% и 160% соответственно по сравнению с 1750 годом. Эти уровни выше, чем когда-либо за последние 2 миллиона лет. Концентрация метана значительно выше, чем за последние 800 000 лет. Это привело к увеличению средней глобальной температуры, или глобальному потеплению. Вероятный диапазон антропогенного потепления приземного слоя воздуха к 2010–2019 годам по сравнению с уровнями 1850–1900 годов составляет от 0,8 °C до 1,3 °C, при наилучшей оценке в 1,07 °C. Это близко к наблюдаемому общему потеплению за этот период – от 0,9 °C до 1,2 °C. Изменения температуры за этот период, вероятно, были вызваны естественными факторами в пределах ±0,1 °C и изменчивостью климата в пределах ±0,2 °C. Глобальные антропогенные выбросы парниковых газов в 2019 году составили эквивалент 59 миллиардов тонн углекислого газа. Из этих выбросов 75% приходилось на углекислый газ, 18% – на метан, 4% – на оксид азота и 2% – на фторированные газы.

Greenhouse gases are transparent to sunlight, and thus allow it to pass through the atmosphere to heat the Earth's surface. The Earth radiates it as heat, and greenhouse gases absorb a portion of it. This absorption slows the rate at which heat escapes into space, trapping heat near the Earth's surface and warming it over time. While water vapour and clouds are the biggest contributors to the greenhouse effect, they primarily change as a function of temperature. Therefore, they are considered to be feedbacks that change climate sensitivity. On the other hand, gases such as , tropospheric ozone, CFCs and nitrous oxide are added or removed independently from temperature. Hence, they are considered to be external forcings that change global temperatures. Human activity since the Industrial Revolution (about 1750), mainly extracting and burning fossil fuels (coal, oil, and natural gas), has increased the amount of greenhouse gases in the atmosphere, resulting in a radiative imbalance. Over the past 150 years human activities have released increasing quantities of greenhouse gases into the atmosphere. By 2019, the concentrations of and methane had increased by about 48% and 160%, respectively, since 1750. These levels are higher than they have been at any time during the last 2 million years. Concentrations of methane are far higher than they were over the last 800,000 years. This has led to increases in mean global temperature, or global warming. The likely range of human induced surface level air warming by 2010–2019 compared to levels in 1850–1900 is 0.8 °C to 1.3 °C, with a best estimate of 1.07 °C. This is close to the observed overall warming during that time of 0.9 °C to 1.2 °C. Temperature changes during that time were likely only ±0.1 °C due to natural forcings and ±0.2 °C due to variability in the climate. Global anthropogenic greenhouse gas emissions in 2019 were equivalent to 59 billion tonnes of Of these emissions, 75% was , 18% was methane, 4% was nitrous oxide, and 2% was fluorinated gases.

Диоксид углерода

Выбросы в основном образуются при сжигании ископаемого топлива для обеспечения энергией транспорта, производства, отопления и электроснабжения. Дополнительные выбросы происходят от вырубки лесов и промышленных процессов, включая те, что выделяются в результате химических реакций при производстве цемента, стали, алюминия и удобрений. Углекислый газ поглощается и выделяется естественным образом в рамках углеродного цикла посредством дыхания животных и растений, вулканических извержений и обмена веществ между океаном и атмосферой. Деятельность человека, такая как сжигание ископаемого топлива и изменение землепользования (см. ниже), высвобождает в атмосферу большие объемы углерода, что приводит к повышению концентрации в атмосфере. Высокоточные измерения концентрации в атмосфере, начатые Чарльзом Дэвидом Килингом в 1958 году, представляют собой важнейшую временную шкалу, документирующую изменяющийся состав атмосферы. Эти данные, известные как кривая Килинга, имеют культовый статус в науке об изменении климата как свидетельство влияния человеческой деятельности на химический состав глобальной атмосферы.

Метан и оксид азота

Метан выделяется в атмосферу от животноводства, навоза, выращивания риса, полигонов ТБО, сточных вод, добычи угля, а также при добыче нефти и газа. Выбросы закиси азота в основном происходят в результате микробного разложения удобрений. Метан и, в меньшей степени, закись азота также являются основными факторами, усиливающими парниковый эффект. Киотский протокол включает их, наряду с гидрофторуглеродами (ГФУ), перфторуглеродами (ПФУ) и гексафторидом серы (SF6) – полностью искусственными газами – в список веществ, влияющих на радиационный баланс. Диаграмма справа показывает вклад антропогенных выбросов парниковых газов в восемь основных секторов экономики, среди которых наибольший вклад вносят электростанции (многие из которых работают на угле или другом ископаемом топливе), промышленные процессы, топливо для транспорта (как правило, ископаемое топливо) и сельскохозяйственные отходы (в основном метан, образующийся при энтерической ферментации, и закись азота от использования удобрений).

Аэрозоли

Загрязнение воздуха в виде аэрозолей оказывает значительное влияние на климат в глобальном масштабе. Аэрозоли рассеивают и поглощают солнечное излучение. С 1961 по 1990 год наблюдалось постепенное уменьшение количества солнечного света, достигающего поверхности Земли. Это явление получило широкую известность как глобальное потемнение и в основном связано с сульфатными аэрозолями, образующимися при сжигании ископаемого топлива с высоким содержанием серы, такого как уголь и мазут. В глобальном масштабе количество аэрозолей сокращается с 1990 года благодаря мерам по контролю загрязнения, что означает, что они уже не так эффективно маскируют потепление, вызванное парниковыми газами. Они также замедляют рост дождевых капель, делая облака более отражающими для поступающего солнечного света. Косвенные эффекты аэрозолей представляют собой наибольшую неопределенность при оценке радиационного воздействия. Хотя аэрозоли обычно сдерживают глобальное потепление, отражая солнечный свет, черный углерод в саже, оседающий на снег или лед, может способствовать его усилению. Это не только увеличивает поглощение солнечного света, но и ускоряет таяние и повышение уровня моря. Ограничение новых отложений черного углерода в Арктике может снизить глобальное потепление на 0,2 °C к 2050 году.

Изменения земной поверхности

По данным Организации по продовольствию и сельскому хозяйству, около 30% земельной площади Земли в значительной степени непригодны для использования человеком (ледники, пустыни и т. д.), 26% занимают леса, 10% – кустарниковые заросли и 34% – сельскохозяйственные угодья. Обезлесение является основным фактором изменения землепользования, вносящим вклад в глобальное потепление. В период с 1750 по 2007 год около трети антропогенных выбросов было обусловлено изменениями в землепользовании, главным образом сокращением площади лесов и увеличением сельскохозяйственных угодий, в первую очередь, вырубкой лесов. Уничтоженные деревья выделяют углерод, который не компенсируется посадкой новых деревьев, что приводит к утрате этого поглотителя углерода. В период с 2001 по 2018 год 27% обезлесения было связано с постоянной очисткой земель для расширения сельскохозяйственного производства сельскохозяйственных культур и животноводства. Еще 24% было потеряно из-за временной очистки в рамках подсечно-огневых систем земледелия. 26% приходится на вырубку леса для получения древесины и продукции из нее, а лесные пожары стали причиной оставшихся 23%. Некоторые леса не были полностью уничтожены, но уже деградировали под воздействием этих факторов. Восстановление этих лесов также восстанавливает их потенциал в качестве поглотителей углерода. Поверхность Земли поглощает углерод как часть круговорота углерода. Несмотря на вклад обезлесения в выбросы парниковых газов, наземная поверхность Земли, особенно ее леса, остаются значительным поглотителем углерода. Процессы поглощения углерода наземной поверхностью, такие как фиксация углерода в почве и фотосинтез, удаляют около 29% ежегодных глобальных выбросов. Океан также служит значительным поглотителем углерода посредством двухэтапного процесса. Сначала углекислый газ растворяется в поверхностных водах. Затем океаническая циркуляция переносит его в глубинные слои океана, где он накапливается со временем как часть круговорота углерода. За последние два десятилетия мировые океаны поглотили от 20 до 30% выбросов. Эта доля поглощенных выбросов не является постоянной. Если в будущем выбросы уменьшатся, Земля сможет поглотить до 70%. Если они существенно увеличатся, океан по-прежнему будет поглощать больше углерода, чем сейчас, но общая доля снизится ниже 40%. Это связано с тем, что изменение климата усиливает засухи и волны жары, которые в конечном итоге подавляют рост растений на суше, а более теплые почвы будут высвобождать больше углерода из мертвых растений. Скорость поглощения океаном атмосферного углерода снизится по мере его закисления и изменения термохалинной циркуляции и распределения фитопланктона.

According to Food and Agriculture Organization, around 30% of Earth's land area is largely unusable for humans (glaciers, deserts, etc. ), 26% is forests, 10% is shrubland and 34% is agricultural land. Deforestation is the main land use change contributor to global warming, Between 1750 and 2007, about one third of anthropogenic emissions were from changes in land use primarily from the decline in forest area and the growth in agricultural land. primarily deforestation. as the destroyed trees release , and are not replaced by new trees, removing that carbon sink. Between 2001 and 2018, 27% of deforestation was from permanent clearing to enable agricultural expansion for crops and livestock. Another 24% has been lost to temporary clearing under the shifting cultivation agricultural systems. 26% was due to logging for wood and derived products, and wildfires have accounted for the remaining 23%. Some forests have not been fully cleared, but were already degraded by these impacts. Restoring these forests also recovers their potential as a carbon sink. The Earth's surface absorbs as part of the carbon cycle. Despite the contribution of deforestation to greenhouse gas emissions, the Earth's land surface, particularly its forests, remain a significant carbon sink for Land surface sink processes, such as carbon fixation in the soil and photosynthesis, remove about 29% of annual global emissions. The ocean also serves as a significant carbon sink via a two step process. First, dissolves in the surface water. Afterwards, the ocean's overturning circulation distributes it deep into the ocean's interior, where it accumulates over time as part of the carbon cycle. Over the last two decades, the world's oceans have absorbed 20 to 30% of emitted

This fraction of absorbed emissions is not static. If future emissions decrease, the Earth will be able to absorb up to around 70%. If they increase substantially, it'll still absorb more carbon than now, but the overall fraction will decrease to below 40%. This is because climate change increases droughts and heat waves that eventually inhibit plant growth on land, and soils will release more carbon from dead plants when they are warmer. The rate at which oceans absorb atmospheric carbon will be lowered as they become more acidic and experience changes in thermohaline circulation and phytoplankton distribution.

Отзывы об изменении климата

Реакция климатической системы на начальное воздействие изменяется обратной связью: увеличивается "самоусиливающейся" или "положительной" обратной связью и уменьшается "балансирующей" или "отрицательной" обратной связью. Основными усиливающими обратными связями являются обратная связь водяного пара, обратная связь альбедо льда и суммарный эффект облаков. Основным балансирующим механизмом является радиационное охлаждение, поскольку поверхность Земли излучает больше тепла в космос в ответ на повышение температуры. Помимо температурных обратных связей, существуют обратные связи в углеродном цикле, такие как стимулирующее воздействие на рост растений. Неопределенность в отношении обратных связей, особенно облачного покрова, является основной причиной того, что различные климатические модели прогнозируют различные масштабы потепления при заданном объеме выбросов. По мере потепления воздуха он способен удерживать больше влаги. Водяной пар, являясь мощным парниковым газом, задерживает тепло в атмосфере. Если облачность увеличится, больше солнечного света будет отражаться обратно в космос, что приведет к охлаждению планеты. Если облака становятся выше и тоньше, они действуют как изолятор, отражая тепло снизу обратно вниз и нагревая планету. Другой важной обратной связью является сокращение снежного покрова и морского льда в Арктике, что уменьшает отражательную способность поверхности Земли. В этих регионах поглощается больше энергии Солнца, что способствует усилению изменений температуры в Арктике. Арктическое усиление также приводит к таянию вечной мерзлоты, которая высвобождает метан и углекислый газ в атмосферу. Изменение климата также может вызывать выбросы метана из водно-болотных угодий, морских и пресноводных экосистем. В целом, ожидается, что климатические обратные связи будут становиться все более положительными.

Естественная изменчивость

Уже в 2001 году в Третьем оценочном докладе МГЭИК было установлено, что "Совокупное изменение лучистого воздействия двух основных природных факторов (изменчивости солнечной активности и вулканических аэрозолей) оценивается как отрицательное на протяжении последних двух, и, возможно, последних четырех десятилетий". Солнечная иррадиация измеряется непосредственно со спутников, а косвенные измерения доступны начиная с начала 1600-х годов. Аналогично, вулканическая активность оказывает наибольшее естественное воздействие (вынуждающий фактор) на температуру, однако она эквивалентна менее 1% от текущих выбросов CO2, вызванных деятельностью человека. Вулканическая активность в целом оказала пренебрежимо малое влияние на глобальные тенденции температуры со времен промышленной революции. В период с 1750 по 2007 год солнечное излучение могло увеличиться максимум на 0,12 Вт/м², по сравнению с 1,6 Вт/м² для суммарного антропогенного воздействия. Следовательно, наблюдаемый после 1985 года быстрый рост средней глобальной температуры не может быть отнесен к изменчивости солнечной активности. Более того, верхние слои атмосферы (стратосфера) также нагревались бы, если бы Солнце посылало больше энергии на Землю, но вместо этого они охлаждаются. Это согласуется с тем, что парниковые газы препятствуют рассеиванию тепла из атмосферы Земли. Взрывные извержения вулканов могут выбрасывать газы, пыль и пепел, которые частично блокируют солнечный свет и снижают температуру, или же водяной пар в атмосферу, что увеличивает концентрацию парниковых газов и повышает температуру. Поскольку как водяной пар, так и вулканические материалы имеют небольшое время жизни в атмосфере, даже самые крупные извержения оказывают влияние лишь в течение нескольких лет.

Пятый доклад об оценке

AR5 Изменение климата 2013: Физическая основа климата – МГЭИК