Найти информацию о способах изучения глобального климата.

Глобальный климат изучают не одним способом, а с помощью целой системы наблюдений, лабораторных исследований, анализа климата прошлого и компьютерного моделирования. Климат — это многолетний режим атмосферы, океана, суши, ледников и биосферы, поэтому для его исследования нужны данные, собранные по всей планете и за длительные периоды.

Наземные метеорологические наблюдения

Основой климатических исследований служат данные метеостанций. На них регулярно измеряют:

• температуру воздуха;

• количество осадков;

• атмосферное давление;

• влажность;

• скорость и направление ветра;

• продолжительность солнечного сияния;

• высоту снежного покрова;

• облачность.

Для изучения климата особенно важны непрерывные ряды наблюдений продолжительностью в несколько десятилетий. По ним рассчитывают средние климатические показатели, выявляют тенденции потепления или похолодания, изменения количества осадков и частоты экстремальных явлений.

При анализе старых данных учитывают перенос метеостанций, замену приборов, изменение времени наблюдений и рост городов. Например, застройка может создавать городской остров тепла, поэтому данные необходимо корректировать и сравнивать с показаниями соседних станций.

Наблюдения за верхними слоями атмосферы

Состояние атмосферы изучают не только у поверхности Земли. Для этого используют радиозонды — небольшие приборы, которые поднимаются на воздушных шарах. Они измеряют температуру, давление, влажность и ветер на разных высотах.

Дополнительную информацию получают с помощью:

• метеорологических радаров;

• лидаров;

• авиационных измерений;

• исследовательских аэростатов;

• наземных спектрометров.

Такие наблюдения позволяют исследовать движение воздушных масс, образование облаков, перенос водяного пара, аэрозолей и загрязняющих веществ.

Спутниковые наблюдения

Искусственные спутники дают возможность регулярно наблюдать почти всю поверхность планеты, включая океаны, пустыни, полярные области и труднодоступные районы.

С помощью спутников определяют:

• температуру поверхности суши и океана;

• площадь морского льда;

• состояние ледников;

• высоту уровня моря;

• облачность;

• влажность атмосферы;

• количество водяного пара;

• состояние растительности;

• площадь лесных пожаров;

• содержание некоторых газов и аэрозолей в атмосфере;

• распределение осадков.

Спутники обычно не измеряют климатические параметры напрямую. Они фиксируют электромагнитное излучение, отражённое или испускаемое Землёй и атмосферой. Затем по специальным алгоритмам из этих сигналов рассчитывают температуру, влажность, концентрацию веществ и другие показатели.

Преимущество спутниковых наблюдений заключается в глобальном охвате. Их ограничение состоит в том, что спутниковые ряды относительно короткие, а данные могут зависеть от типа прибора, высоты орбиты и методов обработки.

Изучение Мирового океана

Океан играет огромную роль в климатической системе. Он накапливает большую часть дополнительного тепла, переносит его течениями и обменивается с атмосферой влагой и углекислым газом.

Для исследования океана используют:

• научно-исследовательские суда;

• дрейфующие буи;

• заякоренные океанографические станции;

• автоматические поплавки;

• подводные аппараты;

• спутниковые измерения;

• приливные посты.

Автоматические поплавки периодически погружаются на большую глубину, измеряют температуру и солёность воды, затем всплывают и передают информацию через спутник. Некоторые приборы также измеряют содержание кислорода, кислотность, концентрацию питательных веществ и другие характеристики.

По океаническим данным исследуют морские течения, тепловой баланс, изменение уровня моря, закисление океана и климатические явления вроде Эль-Ниньо и Ла-Нинья.

Исследование ледников и полярных областей

Ледники, ледяные щиты и морской лёд являются важными показателями климатических изменений. Учёные измеряют:

• площадь и толщину ледников;

• скорость движения льда;

• накопление и таяние снега;

• массу ледяных щитов;

• продолжительность ледового сезона;

• площадь морского льда.

Для этого применяют спутниковую съёмку, радиолокацию, лазерные высотомеры, наземные измерения и бурение скважин.

Особенно ценную информацию дают ледяные керны — цилиндрические образцы льда, извлечённые из ледников Антарктиды и Гренландии. В слоях льда сохраняются пузырьки древнего воздуха. По ним можно определить состав атмосферы прошлого, включая содержание углекислого газа и метана. Химический и изотопный состав самого льда помогает оценить температуру, количество осадков, вулканическую активность и запылённость атмосферы в прошлые эпохи.

Палеоклиматология

Инструментальные наблюдения охватывают лишь небольшую часть истории Земли. Чтобы узнать, каким был климат тысячи и миллионы лет назад, используют косвенные природные свидетельства, называемые климатическими индикаторами или прокси-данными.

К ним относятся:

Годичные кольца деревьев

Ширина и плотность колец зависят от температуры, количества влаги и продолжительности вегетационного периода. По деревьям можно восстанавливать климат отдельных регионов за сотни и иногда тысячи лет.

Донные отложения

На дне океанов и озёр постепенно накапливаются слои осадков. В них сохраняются остатки микроорганизмов, пыльца растений, минеральная пыль, вулканический пепел и органические вещества. Их состав позволяет судить о температуре воды, растительности, осадках и состоянии ледников.

Кораллы

Кораллы формируют последовательные слои роста. Их химический и изотопный состав отражает температуру и солёность морской воды.

Пыльца растений

Пыльца хорошо сохраняется в торфяниках и озёрных отложениях. Поскольку разные растения предпочитают разные климатические условия, по составу пыльцы можно восстановить древнюю растительность, а через неё — температуру и влажность.

Пещерные образования

Сталактиты и сталагмиты растут слоями. Их химический состав зависит от осадков, температуры и движения воды через горные породы.

Ископаемые остатки и горные породы

По древним почвам, раковинам организмов, осадочным породам и другим геологическим свидетельствам восстанавливают климат далёкого прошлого.

Ни один климатический индикатор не даёт полной картины. Поэтому исследователи обычно сопоставляют несколько независимых источников.

Анализ состава атмосферы

Концентрацию парниковых газов измеряют на наземных станциях, самолётах, кораблях и спутниках. Особое внимание уделяют:

• углекислому газу;

• метану;

• закиси азота;

• водяному пару;

• озону;

• промышленным газам.

Учёные изучают не только концентрации, но и источники выбросов, поглощение газов океаном и растительностью, а также их время нахождения в атмосфере.

Для определения происхождения углерода применяют изотопный анализ. Разные источники углекислого газа имеют различное соотношение изотопов углерода. Это помогает отличать природные процессы от выбросов, связанных, например, со сжиганием ископаемого топлива.

Изучение радиационного баланса Земли

Климат зависит от соотношения энергии, которую Земля получает от Солнца, и энергии, которую она излучает обратно в космос.

Учёные измеряют:

• поступающее солнечное излучение;

• отражение солнечного света облаками, снегом, льдом, сушей и океаном;

• тепловое излучение поверхности и атмосферы;

• влияние парниковых газов, аэрозолей и облаков.

Способность поверхности отражать солнечное излучение называется альбедо. Снег и лёд отражают много света, а тёмная вода или почва поглощают больше энергии. Поэтому сокращение площади льда может усиливать потепление: открытая вода поглощает больше тепла, что способствует дальнейшему таянию.

Изучение круговорота углерода

Чтобы понять причины климатических изменений, исследуют перемещение углерода между атмосферой, океаном, почвой, растительностью и горными породами.

Для этого измеряют:

• поглощение углекислого газа лесами и океаном;

• выделение углерода почвами;

• выбросы при пожарах;

• разложение органических веществ;

• антропогенные выбросы;

• накопление углерода в болотах, лесах и морских экосистемах.

На специальных наблюдательных башнях измеряют обмен углекислым газом, водяным паром и энергией между поверхностью Земли и атмосферой. Такие данные помогают определить, является конкретная экосистема источником или поглотителем углерода.

Климатическое моделирование

Климатические модели — это сложные компьютерные программы, основанные на физических законах. Они описывают движение воздуха и воды, перенос тепла, образование облаков, выпадение осадков, взаимодействие атмосферы с океаном, сушей, льдом и биосферой.

Землю в модели делят на множество трёхмерных ячеек. Для каждой ячейки рассчитывают температуру, давление, влажность, ветер и другие параметры. Затем программа определяет, как состояние климатической системы изменяется со временем.

Современные модели могут включать:

• атмосферу;

• океан;

• морской лёд;

• ледники;

• растительность;

• почвы;

• круговорот углерода;

• атмосферную химию;

• аэрозоли;

• влияние землепользования.

С помощью моделей проводят эксперименты, которые невозможно выполнить на реальной планете. Например, можно рассчитать, каким был бы климат без роста концентрации парниковых газов, при сильном извержении вулкана или при разных сценариях будущих выбросов.

Проверка климатических моделей

Модель нельзя считать надёжной только потому, что она построена на физических уравнениях. Её результаты сравнивают с реальными наблюдениями.

Один из основных методов проверки — моделирование климата прошлого. В модель вводят известные изменения солнечной активности, вулканические извержения, концентрации парниковых газов и другие воздействия. Затем сравнивают полученный результат с метеорологическими наблюдениями и палеоклиматическими данными.

Оценивают, насколько модель правильно воспроизводит:

• среднюю температуру;

• сезонный цикл;

• распределение осадков;

• атмосферную циркуляцию;

• океанические течения;

• морской лёд;

• крупные засухи и периоды похолодания;

• реакцию климата на вулканические извержения.

Обычно учёные используют не одну модель, а ансамбль моделей. Совпадение результатов разных моделей повышает уверенность в выводах, хотя полностью не устраняет неопределённость.

Реанализ климатических данных

Реанализ объединяет результаты наблюдений и компьютерного моделирования. В единую систему вводят сведения с метеостанций, спутников, кораблей, самолётов, буёв и радиозондов.

Модель заполняет промежутки между точками наблюдений и создаёт согласованное описание состояния атмосферы или океана. В результате получают глобальные карты температуры, давления, ветра, влажности, осадков и других показателей за длительный период.

Реанализ особенно полезен для районов, где наблюдений мало. Однако он не является полностью независимым измерением: его точность зависит и от качества исходных данных, и от используемой модели.

Статистические методы

Климатические данные обрабатывают с помощью статистики. Учёные:

• рассчитывают средние значения и отклонения;

• выявляют долгосрочные тенденции;

• определяют вероятность экстремальных явлений;

• сравнивают разные периоды;

• исследуют повторяемость засух, волн жары, наводнений и штормов;

• отделяют устойчивые изменения от естественных колебаний.

Особое значение имеет анализ временных рядов. Климат может изменяться под влиянием сезонных циклов, океанических колебаний, вулканов и случайных погодных процессов. Статистические методы помогают установить, насколько наблюдаемая тенденция превышает уровень обычной изменчивости.

Атрибуция климатических изменений

Атрибуция — это определение причин наблюдаемого изменения климата или конкретного экстремального события.

Для этого сравнивают два типа модельных расчётов:

1. С учётом природных и антропогенных факторов.

2. Только с учётом природных факторов, таких как солнечная активность и вулканические извержения.

Если наблюдаемое потепление воспроизводится только в моделях, включающих воздействие человека, это указывает на значительную роль антропогенных факторов.

Похожий метод используют для исследования отдельных волн жары, ливней или засух. Учёные оценивают, насколько изменение климата повлияло на вероятность и интенсивность события. Обычно вывод формулируется не как утверждение, что климатическое изменение непосредственно «вызвало» событие, а как оценка того, во сколько раз оно стало вероятнее или сильнее.

Полевые экспедиции

Некоторые процессы невозможно подробно исследовать только по спутниковым данным. Поэтому проводятся экспедиции в океаны, пустыни, леса, горы, Арктику и Антарктиду.

Во время экспедиций изучают:

• таяние ледников;

• образование облаков;

• обмен теплом между океаном и атмосферой;

• содержание углерода в почвах;

• состояние вечной мерзлоты;

• выбросы метана;

• пыльные бури;

• лесные пожары;

• влияние растительности на климат.

Полевые исследования позволяют проверить спутниковые измерения, испытать новые приборы и изучить процессы в малом масштабе.

Исторические документы

Для восстановления климата последних столетий используют письменные источники:

• судовые журналы;

• сельскохозяйственные записи;

• сведения о времени сбора урожая;

• описания замерзания рек;

• данные об уровне воды;

• сообщения о засухах, наводнениях и суровых зимах;

• записи о цветении растений и миграции животных.

Такие сведения менее точны, чем приборные измерения, но помогают дополнить климатическую картину периода, когда метеостанций ещё не существовало.

Гражданские и биологические наблюдения

Изменение климата можно изучать по реакции живых организмов. Исследователи фиксируют:

• сроки цветения и распускания листьев;

• время миграции птиц;

• распространение видов;

• изменение границ лесов;

• обесцвечивание кораллов;

• появление вредителей;

• продолжительность вегетационного периода.

Часть таких данных собирают добровольцы. Однако сведения должны проходить проверку и стандартизацию, чтобы наблюдения разных людей и лет можно было корректно сравнивать.

Основные трудности климатических исследований

Изучение глобального климата осложняется тем, что климатическая система очень сложна. Атмосфера, океан, лёд, суша и живые организмы постоянно взаимодействуют друг с другом.

Кроме того:

• в разных регионах наблюдения имеют разную продолжительность;

• в прошлом приборов было меньше;

• методы измерений со временем менялись;

• некоторые процессы происходят на протяжении столетий;

• естественная изменчивость может временно усиливать или ослаблять долгосрочные тенденции;

• облака, аэрозоли и ледниковые процессы моделировать особенно трудно;

• будущий климат зависит от человеческих решений и объёма выбросов.

Поэтому научные результаты обычно сопровождаются оценкой неопределённости. Это не означает, что учёные ничего не знают. Неопределённость показывает возможный диапазон значений и степень уверенности в выводах.

Наиболее надёжные представления о глобальном климате получают тогда, когда совпадают результаты независимых методов: наземных измерений, спутниковых наблюдений, океанографических данных, палеоклиматических исследований, физических расчётов и климатического моделирования.