Kitobni o'qish: «Климатические катастрофы: пособие по физике для старших школьников и младших студентов», sahifa 4
Положительная обратная связь
Действие альбедо на климат возникает благодаря «положительной обратной связи». Что такое обратная связь? С действием положительной обратной связи можно столкнуться на музыкальных концертах. Существует всем известный эффект: внезапно музыкальные колонки начинают свистеть, гудеть и т.д.
Эти самопроизвольные помехи возникают благодаря положительной обратной связи между музыкальной колонкой и микрофоном, рис.13.
Рис. 15. Положительная обратная связь может возбудить колебания ауди-системы
Звук самовозбуждения возникает на определенной частоте. Период колебаний равен времени, которое необходимо, чтобы звуковая волна дошла от громкоговорителя до микрофона. То есть период колебаний должен быть равным расстоянию от источника до приемником звука. При этом возникает резонанс. Дополнительное условие самовозбуждения: коэффициент усиления должен компенсировать ослабление звука при движении по воздуху.
Существует в природе и отрицательная обратная связь – она направлена на компенсацию внешнего воздействия. Рассмотрим, например, движение самолета. Под действием восходящих и нисходящих полетов он должен изменять направление своего движения. Однако благодаря влиянию автопилота возникает отрицательная обратная связь, которая компенсирует действие ветров. Чем сильнее восходящий поток, тем сильнее руль самолета направляет его вниз.
Отрицательную обратную связь с климатом пустыни создают оазисы. Действие этой связи и механизмы формирования локального климат автор предлагает читателям самим найти в литературе.
Рис.16. Оазис Бискара в пустыне Сахара демонстрирует отрицательную обратную связь, которая компенсирует жаркий климат местности, https://img.tourister.ru/files/6/7/6/0/1/7/3/original.jpg
Важное отличие Земли от других планет состоит в том, что альбедо и климат нашей планеты способны создавать ощутимую положительную обратную связь.
Действие альбедо на возникновение или исчезновение ледникового периода означает следующее. Общее («эффективное») альбедо Земли определяется в значительной мере количеством заснеженных белых областей и белых облаков. Чем больше «белого», тем меньше тепла получает планета. В свою очередь, понижение средней температуры увеличивает общее количество снега. Таким образом возникает взаимо-формирующая связь альбедо и климата. То есть количество льда и облаков зависит от климата, а климат зависит от альбедо.
Вот так и возникает механизм роста ледников. Чем ниже температура, тем больше снега. Чем больше снега, тем выше альбедо. Чем выше альбедо, тем холоднее. Чем ниже температура… и т.д. В этой цепочке «положительной обратной связи» и заключен один из основных факторов оледенения. С точки зрения термодинамики этот процесс – синергетический, самоподдерживающийся.
При этом существует и обратная возможность. Чем теплее, тем меньше льда. Чем меньше льда, тем теплее и т.д. Таков один из механизмов разрушения ледниковой эпохи.
Однако до настоящего времени ведутся ожесточенные споры, почему
не сохраняются либо ледниковый, либо теплый климат, почему колебания климата существуют и почему их период равен примерно 100 тысяч лет.?
На рис.11 видно, что хорошо прослеживается период колебаний средней температуры Земли, примерно равный 100 тыс. лет. Должен существовать дополнительный фактор, действующий на климат с указанным периодом. Таким механизмом может быть эффект прецессии, Миланковича. Рассмотрим его в следующем разделе.
Эффект прецессии
Сербский астрофизик М. Миланкович обратил внимание, что существует механизм, который с периодичностью 25 тысяч лет меняет освещение Солнцем южного полушария. В основе работы этого механизма лежат две особенности движения Земли по своей орбите, рис.17.
Во-первых, существует явление прецессии, которое заключается в том, что ось вращения Земли колеблется с периодом, примерно равным 25 тыс. лет. В частности, сейчас ось вращения «указывает» на Полярную звезду, а 12 тысяч лет назад она была направлена на звезду Вегу, рис. 17.
Во-вторых, орбита Земли не круговая, а эллиптическая, то есть ее расстояние до Солнца в течение года меняется, в пределах 5 процентов. Схема движения Земли вокруг Солнца и изменения направления оси вращения представлена на рис.17.
Необходимо также учитывать, что южное полушарие Земли содержит больше океанов, чем северное. При этом океаны имеют в среднем меньшее альбедо, чем суша и поэтому южное полушарие лучше аккумулирует солнечное тепло. Кроме того, благодаря циркуляции течений на поверхности южных океанов не происходит их оледенение.
Рис.17. Схема движения Земли вокруг Солнца
На рисунке 17 можно видеть, что в настоящий период геологического времени Земли лето в южном полушарии – наиболее теплое за последние 12 тысяч лет. Таким образом, количество тепла, поглощаемого южными океанами Земли, колеблется с периодом, примерно равным 25 тысяч лет. Однако период чередования ледниковых периодов составляет около 100 тысяч лет, то есть в четыре раза больше. Все же, рассматривая внимательно рис.11, можно заметить колебания средней температуры с периодом 25 тысяч лет, однако лишь некоторые из потеплений реализуется в форме исчезновения ледников северного полушария. Почему? Причина связана, возможно, с наличием других механизмов климата. Важнейший среди них – парниковый эффект.
Эта тема – наиболее обсуждаемая в средствах информации, когда речь идет о климате. С механизмом парникового эффекта, создаваемого деятельностью людей, связываются наиболее существенные его изменения. Однако, в силу наличия значительного числа публикаций, мы ограничимся рассмотрением лишь ключевых эффектов.
Парниковые шубы планеты
На рис.18 представлены результаты последних измерений концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, существовавшие в течение последних 400 тыс. лет. Их изменения сопоставляются с изменениями температуры, представленными выше, на рис.11.
Рис.18. Изменения температуры (синие линии) и концентрации углекислого газа (зеленый цвет), Википедия
Рисунок показывает, что понижение температуры «синхронно» сопровождается уменьшением концентрации углекислого газа, CO2. Отметим, что именно он считается одним из важнейших парниковых газов планет солнечной системы. Парниковый эффект состоит в следующем.
Поглощение солнечного тепла зависит еще и от действия атмосферы. Воздух прозрачен лишь для видимого света и радиоволн. Потому-то живые организмы и «выбрали», в процессе эволюции, этот диапазон электромагнитного излучения для своих органов зрения. В условиях Земли основное тепловое излучение относится к инфракрасному диапазону. Оно невидимо нами, но играет важнейшее значение для климата.
Самое существенное свойство ИК-излучения, это то, что оно поглощается в основном трех- и много-атомными газами. То есть кислород O2 и азот N2 прозрачны для него, а углекислый газ CO2 , водные пары H2O, озон O3 , сернистый газ SO2 сероводород H2S и метан C H4 – непрозрачны.
Рассмотренные трехатомные газы называются парниковыми, потому, что они позволяют накапливать энергию излучения Солнца на Земле так же, как полиэтиленовая пленка накапливает тепло в парнике на огороде. Действие этих газов объясняется тем, что видимые лучи проходят сквозь них и нагревают поверхность Земли (рис.19). Нагретая поверхность преобразует эту энергию в инфракрасное тепловое излучение. Далее парниковые газы задерживают инфракрасное излучение. Парниковые газы – это шуба Земли и Венеры. На Марсе так холодно, потому что там нет этой шубы. Его поверхность – «голая».
Рис.19. Схема действия парниковых газов, зеленая стрелка – видимый солнечный свет, красные стрелки – инфракрасное излучение
Эффект действия парниковых газов хорошо известен в практической деятельности людей. В частности, земледельцы перед заморозками зажигают костры в садах, создавая тепловую завесу в виде углекислого газа. Известен также прием обрызгивания садов водой. Пары воды – тоже парниковый газ.
Расчеты показывают, что если бы не было парниковых газов, то средняя температура Земли составляла бы около – 20 °C. В действительности же она равна +14 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 34 °C. Подобным образом, разреженная поверхность Марса также получает добавку, связанную с парниковым эффектом, но она невелика, 8 °C. Что касается Венеры, то по современным представлениям именно парниковый эффект и приводит к повышению ее температуры более чем на 500 градусов.
Сдует отметить, что атмосфера Земли содержит ничтожную часть общего количества углекислого газа Земли. В частности, в океанах растворено в сто раз большее его количество, чем в воздухе. Еще больше, на несколько порядков величины, его содержится в известняке, мраморе и доломите, в форме Ca CO3 и Mg CO3 , рис.20.
Влияние парниковых газов на изменения климата Земли обусловлено в частности тем, что углекислый газ обладает способностью поглощаться океанами и земной корой и покидать их. По мнению автора брошюры, важнейшая физическая проблема будущих исследований климатических катастроф – это необходимость математического описания процессов поглощения и обратного выделения углекислого газа.
Важнейшая особенность этого процесса – обратимость. Нетрудно (в заводских условиях) «газировать» обычную воду углекислым газом. В закрытой бутылке он никак себя не проявляет. Однако, если открыть пробку, начнется бурное выделение пузырьков газа. Океанская вода также поглощает и выделяет углекислый газ.
Количество поглощаемой водой углекислоты зависит от температуры. При охлаждении газ абсорбируется, а при нагревании – выделяется. Океаны представляют огромные механизмы, которые могут либо поглощать CO2 в глубинах океанов, либо извлекать их оттуда.
