Изменение климата

Неизбежность изменения климата остается предметом общественного спора, несмотря на консенсус среди примерно 97% активных исследователей климата, которые не только согласны с тем, что климат Земли меняется, но и утверждают, что это изменение усиливается деятельностью человека, в основном выбросами углерода^. Разрыв между общественностью и экспертами отчасти объясняется плохим пониманием механизмов, связанных с изменением климата, а также различий между такими основными понятиями, как погода и климат.

Климат и погода

Локализованные атмосферные условия в регионе за короткий период времени, такие как температура и осадки, описываются как погода. Однако климат включает в себя те же самые условия, если измерять его в течение длительных периодов времени. Поэтому, когда ученые говорят о глобальном климате, они имеют в виду статистические измерения климатических данных, собранных по всей Земле. Одним из важных показателей глобального климата является глобальная средняя температура, которая представляет собой среднее значение температур, зарегистрированных по всей планете.

Мониторинг изменения климата

Ученые изучают изменения глобального климата с течением времени, и большая часть исследований в области изменения климата основана на физических науках, таких как метеорология, география и океанография. Кроме того, специалисты по информатике моделируют прогнозируемые эффекты таких событий, как таяние полярных льдов, вызывающее повышение уровня моря и повышение температуры. Эти исследования необходимы для биологических исследований, потому что изменение климата влияет на множество видов, которые имеют различные способности переносить различные климатические условия.

Одним из основных компонентов изменения климата является глобальное потепление, определяемое как повышение глобальной средней температуры атмосферы. Исследователи климата признают, что увеличение выбросов парниковых газов повышает глобальные средние температуры. Это связано с тем, что парниковые газы поглощают инфракрасное излучение, передаваемое солнцем, и повторно излучают его в виде тепла в атмосферу. Впоследствии это тепло распределяется по различным слоям атмосферы и поверхности Земли. В то время как тепло излучается во всех направлениях молекулами парниковых газов, поверхность Земли поглощает часть тепла, которое излучалось вниз, что приводит к повышению температуры поверхности и удержанию тепловой энергии в нижних слоях атмосферы. Такое улавливание тепла на поверхности Земли из-за атмосферы называется парниковым эффектом.

Четыре основных газа вносят свой вклад в парниковый эффект на Земле: водяной пар, CO₂, метан и озон. Однако особенно важным парниковым газом, который играет значительную роль в глобальном потеплении и изменении климата, является углекислый газ (CO₂). В то время как CO₂ всегда был обнаружен в атмосфере Земли, связанная с человеком деятельность, такая как сжигание ископаемого топлива, значительно увеличивает его распространенность. За последние 800 000 лет уровни_CO2 колебались без вмешательства человека от 180 частей на миллион (ppm) до 270 ppm в атмосфере. В 2016 году концентрация превысила 400 ppm, что является ошеломляюще высоким показателем с учетом исторических колебаний ².

Прогнозирование будущего

Заметным последствием изменения климата является повышение уровня моря. По мере потепления климата ледниковый лед тает из-за явления, известного как эффект альбедо. Альбедо — это мера отраженного солнечного излучения в процентном отношении к общему получаемому солнечному излучению и колеблется от 0 до 1. Величина альбедо зависит от качества снега; Более грязный или талый медленный снег имеет низкое альбедо, тогда как свежий и белый снег имеет высокое альбедо. Антарктический снег обычно имеет альбедо около 0,8. По мере того, как температура повышается и снег начинает таять, значение альбедо становится ниже, что означает, что снег отражает меньше излучения в виде тепла и больше тает, что приводит к положительной обратной связи. Петли положительной обратной связи возникают, когда возмущение системы увеличивает величину реакции на возмущение. Таким образом, чем больше снег/лед тает из-за более высоких температур, тем больше он будет таять из-за своей ослабленной способности отражать солнечное излучение, и тем больше тепла поглощается, заставляя его таять дальше. Это таяние льда приводит к повышению уровня моря. В настоящее время большие ледяные щиты содержат массу, эквивалентную почти 70 м (м) глобального повышения уровня моря, из которых примерно 60 м эквивалента массы хранится во льдах Антарктики и почти 7 м в Гренландии ³. Небольшие ледяные массивы, такие как ледники и ледяные шапки, содержат гораздо меньше воды, однако таяние этих ледяных резервуаров преобладало над более крупными ледяными щитами в последние десятилетия, потому что они быстрее реагируют на данное климатическое воздействие из-за своего меньшего размера.

Повышение уровня моря представляет собой критическую угрозу для благополучия человека из-за того, что оно может разрушать объекты недвижимости вблизи побережья, влиять на прибрежные общины и влиять на температуру океана. Экономические издержки повышения уровня моря огромны; если уровень океана поднимется всего на 1 метр, значительная часть береговой линии Флориды окажется под водой, что повлияет ^{на дома} 1,2 миллиона человек. В настоящее время ледяной щит Гренландии истончается, и если бы он был ликвидирован, уровень моря поднялся бы примерно на 5-7 метров, затронув еще миллионы людей.

По мере изменения климата становится важным отслеживать распределение видов, чтобы увидеть, меняется ли и оно. Виды встречаются в географической области, известной как их ареал. Ученые изучают изменения в исторических ареалах обитания организмов, известные как сдвиги ареала, в связи с различными переменными окружающей среды, чтобы предсказать, смогут ли виды идти в ногу с изменениями температуры, осадков и других погодных условий. Изучение сдвигов ареала важно, потому что если виды не смогут переселиться в новые районы и их нынешняя среда обитания станет непригодной, они вымрут. Для медленно растущих организмов, таких как растения и кораллы, практически невозможно адаптироваться к быстро меняющемуся климату. Кораллы в природе населяют чистые, неглубокие рифы, и если они будут перемещаться глубже, то не смогут получить свет, необходимый для их фотосинтезирующих симбиотических водорослей. По мере того, как вода нагревается, симбиотические водоросли, называемые зооксантеллами, покидают кораллы, что приводит к обесцвечиванию и гибели кораллов. Исследования на австралийском Большом Барьерном рифе в 2016 году показывают, что до 67% кораллов погибли в определенных регионах из-за обесцвечивания.

Антропогенные выбросы углекислого газа вносят значительный вклад в уровень_CO2 в атмосфере, что, в свою очередь, повышает глобальную температуру. В дополнение к этому повышению глобальной температуры, закисление океана также является прямым результатом увеличения_CO2. Океаны поглощают около четверти_CO2 в атмосфере каждый год. Когда CO₂ поглощается морской водой, он превращается в угольную кислоту (H₂CO₃), что, в свою очередь, приводит к тому, что морская вода становится более кислой и снижает доступность карбонатных ионов. Уменьшение концентрации ионов карбоната может препятствовать построению и поддержанию карбонатных структур кальция двустворчатых моллюсков, морских ежей и кораллов ⁶. Вместе с повышением температуры океана закисление океанов может нанести ущерб водным экосистемам. ⁶

Крайне важно выступать посредником в борьбе с последствиями изменения климата. Многие ученые приступили к исследованию того, что в настоящее время называется голоценовым вымиранием, широко известным как «шестое вымирание»⁷. В прошлом было пять крупных вымираний, однако скорость вымирания в прошлом веке была в 1000 раз выше, чем ожидалось «фоновые темпы вымирания». Утрата среды обитания и изменение климата играют важную роль в вымирании видов, что делает важным учет экологических аспектов при принятии управленческих решений ⁷.

Ссылки

1. Уильям Р. Л. Андерегг, Джеймс В. Пралл, Джейкоб Гарольд и Стивен Х. Шнайдер. Доверие экспертов в области изменения климата. PNAS. 2010, Том 107, 27 (12107-9).
2. Ричард А. Беттс, Крис Д. Джонс, Джефф Р. Найт, Ральф Ф. Килинг и Джон Дж. Эль-Ниньо и рекордный рост выбросов CO2. Природа Изменение климата. 2016, Том 6, (806-10).
3. Милн, Гленн. Как климат влияет на изменения уровня моря. Астрономия и геофизика. 2008, Том 49, 2 (2.24–2.28).
4. Уильямс, С. Джеффресс. Последствия повышения уровня моря для прибрежных районов. Журнал прибрежных исследований. 63 (184-96).
5. Терри. Хьюз, Джеймс Т. Керри, Мариана Альварес-Норьега, Хорхе Г. Альварес-Ромеро, Кристен Д. Андерсон, Эндрю Х. Бэрд, Рассел С. Бэбкок, Мария Бегер, Дэвид Р. Беллвуд, Рэй Беркельманс, Том С. Бридж, Иэн Р. Батлер, Мария Бирн, Нил Э. Кантин, Стив Комо, Се. Глобальное потепление и периодическое массовое обесцвечивание кораллов. природа. 2017, Том 543, 7645 (373).
6. Ф. Прада, Э. Кароселли, С. Менголи, Л. Бризи,. Фантаццини, Б. Капаччони, Л. Паскуини, К. Э. Фабрициус, З. Дубинский, Г. Фалини и С. Гоффредо. Потепление и закисление океана синергетически увеличивают гибель кораллов. природа. 2017, 40842.
7. Вреденбург, Дэвид Б. Уэйк и Вэнс Т. Неужели мы находимся в разгаре шестого массового вымирания? Взгляд из мира земноводных. PNAS. 2008, 1091-6490.

Глобальное изменение климата является горячо обсуждаемой темой в новостях, и ученые сходятся во мнении, что климат Земли меняется. Но прежде чем углубляться в то, что вызывает изменение климата и как его изучают ученые, давайте уточним несколько терминов. Слово «климат» часто используется как синоним слова «погода», но есть и разница.

Погода описывает атмосферные условия, такие как температура, в регионе в течение короткого периода времени, например, дня. Климат, однако, фиксирует те же условия для одного и того же региона, но в течение длительного периода, например, среднегодовую температуру. Глобальный климат относится к той же переменной, которая анализируется и составляется по всей планете. Если вы посмотрите на данные о средней глобальной температуре с 1880 года, вы увидите, что она растет, и это то, что люди называют глобальным потеплением.

Одним из основных факторов глобального потепления является парниковый эффект, вызванный парниковыми газами, такими как углекислый газ, водяной пар, озон и метан. Свое собирательное название эти газы получили потому, что образуют вокруг Земли слой, похожий на стеклянный щит теплицы. Так же, как и теплица, этот слой газа позволяет солнечным лучам проникать внутрь, а затем захватывает их, позволяя только части отраженных лучей уйти обратно в атмосферу, что приводит к повышению температуры у поверхности Земли. Некоторый покров парниковых газов необходим для обеспечения того, чтобы температура Земли оставалась пригодной для жизни, но человеческая деятельность, такая как сжигание ископаемого топлива, привела к концентрации некоторых из этих газов, таких как CO2, которая поднялась выше оптимального уровня, способствуя глобальному потеплению.

Одним из основных последствий этого потепления климата является таяние ледникового льда, что, в свою очередь, приводит к повышению уровня моря. Это плавление усугубляется явлением, называемым эффектом альбедо. Альбедо, происходящее от латинского слова «albus», что означает «белый», относится к соотношению доли отраженной солнечной радиации к общей солнечной радиации. Это значение будет близко к единице для свежего белого снега, потому что он отражает большую часть излучения. Голая почва, напротив, имеет альбедо всего около 0,2, а открытый океан только 0,1, и поэтому они отражают значительно меньше - и поэтому, по мере потепления климата, снег тает, что приводит к более низкому альбедо, а это означает, что Земля отражает меньше и сохраняет больше излучения в виде тепла. Это, в свою очередь, приводит к тому, что снег тает больше, создавая петлю положительной обратной связи и повышая уровень моря.

Еще одно воздействие изменения климата можно увидеть в распространении видов. Виды встречаются в географической области, известной как их ареал. По мере потепления климата результирующие изменения окружающей среды, такие как таяние ледяных шапок, могут вызвать сдвиг или сокращение ареала обитания некоторых видов. Ученые изучали эти сдвиги диапазона для различных организмов в ответ на различные переменные окружающей среды. Используя эти данные, они могут моделировать будущие изменения в климатических моделях и предсказывать вероятную судьбу вида.

В этой лаборатории вы оцените парниковое влияние на искусственный микроклимат, сравните таяние льда в разных условиях и изучите исторические изменения ареала видов в связи с изменениями окружающей среды.