Изменение климата
Изменение климата - колебания климата Земли в целом или отдельных её регионов с течением времени, выражающиеся в статистически достоверных отклонениях параметров погоды от многолетних значений за период времени от десятилетий до миллионов лет. Учитываются изменения как средних значений погодных параметров, так и изменения частоты экстремальных погодных явлений. Изучением изменений климата занимается наука палеоклиматология . Причиной изменения климата являются динамические процессы на Земле, внешние воздействия, такие как колебания интенсивности солнечного излучения, и, по одной из версий, с недавних пор, деятельность человека. В последнее время термин «изменение климата» используется как правило (особенно в контексте экологической политики) для обозначения изменения в современном климате (см. глобальное потепление).
Имеются четкие доказательства того, что изменение климата происходит. Это изменение температуры не было одинаковым повсюду; рост был выше по сравнению с землей, чем над океанами, и был особенно быстрым в Арктике. Хотя ясно, что климат в течение долгого времени прогревается, отмечают, что температура не ожидается, что каждый год будет расти. Естественные колебания будут по-прежнему вызывать необычно холодные годы и времена года.
Проблема в теории и истории
Наряду с потеплением на поверхности Земли происходит множество других изменений климата. Потепление океанов, плавающих полярный лед и ледники, поднимающиеся на уровень моря, более экстремальные погодные явления. В то время как повышение температуры на поверхности Земли может получить большинство заголовков, температура океанов также увеличивается. Это потепление было измерено вплоть до глубины 2 км.
Проблема в теории и истории
8000 тысяч лет назад началась сельскохозяйственная деятельность в узком поясе: от долины Нила через Междуречье и долину Инда до территории, находящейся между Янцзы и Хуанхэ. Там люди начали выращивать пшеницу, ячмень и другие злаки.
5000 лет назад люди стали активно выращивать рис. Это, в свою очередь, требует искусственной ирригации земель. Следовательно, естественные ландшафты превращаются в антропогенные болота, что является источником метана.
Таяние полярного льда и ледников
Химия океанов также меняется, поскольку они поглощают большую часть избыточного диоксида углерода, выброшенного в атмосферу. Это приводит к тому, что океаны становятся кислыми быстрее, чем в любой момент за последние 65 миллионов лет. По мере согревания Арктики морской лед быстро уменьшается. В Антарктике морской лед медленно увеличивался, чему способствовали местные изменения в моде ветра и освежающие морские воды. За последние 20 лет ледниковые покровы в Гренландии и Антарктиде сократились, как и большинство ледников по всему миру.
Факторы изменения климата
Изменения климата обусловлены переменами в земной атмосфере, процессами, происходящими в других частях Земли, таких как океаны , ледники , а также эффектами, сопутствующими деятельности человека. Внешние процессы, формирующие климат, - это изменения солнечной радиации и орбиты Земли.
По мере того как земной лед тает и расширяются океаны потепления, уровень моря повышается. Более разрушительные экстремальные погодные явления видны во всем мире. Тепловые волны участились и продолжаются дольше. Рост экстремальных уровней моря, вызванных штормами, увеличился. Ожидается, что потепление вызовет более сильные, сильные осадки. В Северной Америке и Европе, где существуют долгосрочные измерения осадков, это изменение уже наблюдается.
Повышение уровня углекислого газа и других газов, таких как метан, в атмосфере создает «парниковый эффект», захватывая энергию Солнца и заставляя Землю, в частности океаны, нагреваться. Чем выше количество парниковых газов в атмосфере, тем теплее становится Земля. Недавнее изменение климата происходит в значительной степени в результате этого потепления, с меньшими вкладами от естественных влияний, таких как изменения в выходе Солнца.
- изменение размеров, рельефа и взаимного расположения материков и океанов,
- изменение светимости солнца,
- изменения параметров орбиты и оси Земли,
- изменение прозрачности атмосферы и ее состава в результате изменений вулканической активности Земли,
- изменение концентрации парниковых газов (СО 2 и CH 4) в атмосфере,
- изменение отражательной способности поверхности Земли (альбедо),
- изменение количества тепла, имеющегося в глубинах океана.
Климатические изменения на Земле
Погода - это ежедневное состояние атмосферы. Погода является хаотичной нелинейной динамической системой. Климат - это усредненное состояние погоды и он предсказуем. Климат включает в себя такие показатели, как средняя температура, количество осадков, количество солнечных дней и другие переменные, которые могут быть измерены в каком-либо определенном месте. Однако на Земле происходят и такие процессы, которые могут оказывать влияние на климат. Погода, состояние атмосферы в рассматриваемом месте в определённый момент или за ограниченный промежуток времени (сутки, месяц, год). Многолетний режим П. называют климатом. П. характеризуют метеорологическими элементами: давлением, температурой, влажностью воздуха, силой и направлением ветра, облачностью (продолжительностью солнечного сияния), атмосферными осадками, дальностью видимости, наличием туманов, метелей, гроз и др. атмосферными явлениями. По мере расширения хозяйственной деятельности соответственно расширяется и понятие П. Так, с развитием авиации возникло понятие о П. в свободной атмосфере; возросло значение такого элемента П., как атмосферная видимость. К характеристикам П. могут быть отнесены также данные о притоке солнечной радиации, атмосферной турбулентности, некоторые характеристики электрического состояния воздуха.
Уровень углекислого газа увеличился более чем на 40% до промышленной революции. Другие парниковые газы увеличились на столь же большие суммы. Все данные свидетельствуют о том, что это увеличение парниковых газов почти полностью связано с деятельностью человека. Увеличение обусловлено главным образом.
Сжигание ископаемого топлива для энергетического сельского хозяйства и обезлесения производство цемента, химических веществ и металлов. Около 43% произведенного углекислого газа поступает в атмосферу, а остальные поглощаются растениями и океанами. Обезлесение уменьшает количество деревьев, поглощающих углекислый газ, и выделяет углерод, содержащийся в этих деревьях.
Оледенения
Имеется скептическое отношение к геоинженерным методам изъятия углекислоты из атмосферы, в частности, к предложениям захоранивать углекислый газ в тектонических трещинах или закачивать его в породы на океанском дне: изъятие 50 миллионных долей газа по этой технологии будет стоить, по меньшей мере, 20 триллионов долларов, что в два раза больше национального долга США.
Свидетельства прошлого изменения климата
Древний лед из полярных ледниковых щитов показывает естественные изменения температуры в течение десятков-сотен тысяч лет. Они показывают, что уровни парниковых газов в атмосфере тесно связаны с глобальными температурами. Повышение температуры сопровождается увеличением количества парниковых газов.
Естественные колебания климата
За последние миллион лет или около того климат Земли имел естественный цикл холодных ледниковых и теплых межледниковых периодов. Этот цикл в основном обусловлен постепенными изменениями на орбите Земли на протяжении многих тысяч лет, но усиливается изменениями парниковых газов и других влияний. Изменение климата всегда происходит естественным образом, но парниковые газы, образующиеся в результате человеческой деятельности, изменяют этот цикл.
Тектоника литосферных плит
На протяжении длительных отрезков времени тектонические движения плит перемещают континенты , формируют океаны , создают и разрушают горные хребты , т. е. создают поверхность, на которой существует климат. Недавние исследования показывают, что тектонические движения усугубили условия последнего ледникового периода: около 3 млн лет назад северо- и южноамериканская плиты столкнулись, образовав Панамский перешеек и закрыв пути для прямого смешивания вод Атлантического и Тихого океанов.
Вулканические извержения и изменения солнечной активности также влияют на наш климат, но они сами по себе не могут объяснить изменения температуры, наблюдавшиеся в течение прошлого века. Ученые использовали сложные компьютерные модели для расчета того, насколько человеческая деятельность - в отличие от природных факторов - отвечает за изменение климата. Эти модели показывают ясный человеческий «отпечаток» на недавнем глобальном потеплении.
Климатические модели и будущее глобальное потепление
Мы можем многое понять о возможных последствиях климата потепления в будущем, посмотрев на изменения, которые уже произошли. Но мы можем получить гораздо больше информации, используя математические модели климата. Климатические модели могут варьироваться от очень простого набора математических уравнений до очень сложных, сложных моделей, работающих на суперкомпьютерах.
Солнечное излучение
Изменение солнечной активности на протяжении последних нескольких столетий
На более коротких временных отрезках также наблюдаются изменения солнечной активности: 11-летний солнечный цикл и более длительные модуляции. Однако 11-летний цикл возникновения и исчезновения солнечных пятен не отслеживается явно в климатологических данных. Изменение солнечной активности считается важным фактором наступления малого ледникового периода , а также некоторых потеплений, наблюдаемых между 1900 и 1950 годами. Циклическая природа солнечной активности ещё не до конца изучена; она отличается от тех медленных изменений, которые сопутствуют развитию и старению Солнца.
Тектоника литосферных плит
Хотя эти модели не могут дать очень конкретные прогнозы того, какая погода будет походить во вторник через 100 лет, они могут прогнозировать большие изменения в глобальном климате, которые мы могли видеть. Обратите внимание, что это глобальное среднее значение, и региональные изменения в некоторых местах будут еще выше. Это означает, что наши действия - или бездействие - на выбросы парниковых газов сегодня будут иметь существенное влияние на изменение климата в будущем.
Мы уже можем видеть последствия изменения климата, и они станут более серьезными по мере роста глобальной температуры. Насколько велики будут последствия, зависит от нашего успеха в сокращении выбросов парниковых газов. Если глобальные выбросы не будут снижены, средняя летняя температура на юго-востоке Англии, согласно прогнозам, возрастет.
Изменения орбиты
По своему влиянию на климат изменения земной орбиты сходны с колебаниями солнечной активности, поскольку небольшие отклонения в положении орбиты приводят к перераспределению солнечного излучения на поверхности Земли. Такие изменения положения орбиты называются циклами Миланковича , они предсказуемы с высокой точностью, поскольку являются результатом физического взаимодействия Земли, ее спутника Луны и других планет. Изменения орбиты считаются главными причинами чередования гляциальных и интергляциальных циклов последнего ледникового периода. Результатом прецессии земной орбиты являются и менее масштабные изменения, такие как периодическое увеличение и уменьшение площади пустыни Сахара .
Эффект потепления при воздействии осадков и водоснабжения
Изменение параметров осадков повлияет на водоснабжение. Слишком много осадков в некоторых районах и недостаточно в других, будет способствовать как наводнениям, так и засухе. Мы уже наблюдаем все большее количество событий с сильным дождем и ожидаем, что это увеличение продолжится, с большим риском речного и внезапного наводнения.
Ожидается, что горные ледники продолжат плавление, которое наряду с уменьшенным снежным покровом поставит ударение на сообщества, которые полагаются на них как на источники воды. Повышение температуры и подкисление океанов угрожают морской жизни во всем мире. Коралловые рифы, в частности, будут подвержены серьезному риску, если температура океана будет возрастать.
Вулканизм
Одно сильное извержение вулкана способно повлиять на климат, вызвав похолодание длительностью несколько лет. Например, извержение вулкана Пинатубо в 1991 году существенно повлияло на климат. Гигантские извержения, формирующие крупнейшие магматические провинции, случаются всего несколько раз в сто миллионов лет, но они влияют на климат в течение миллионов лет и являются причиной вымирания видов. Первоначально предполагалось, что причиной похолодания является выброшенная в атмосферу вулканическая пыль, поскольку она препятствует достигнуть поверхности Земли солнечному излучению. Однако измерения показывают, что большая часть пыли оседает на поверхности Земли в течение шести месяцев.
Уровни моря будут расти, когда полярные ледяные покровы и ледники растают, а океаны потепления расширятся. Даже небольшое увеличение в десятки сантиметров может привести к тому, что тысячи людей и объектов подвергаются риску от прибрежных наводнений во время бурной погоды.
Влияние потепления на производство продуктов питания
Особенно уязвимы прибрежные города с густым населением, особенно те, которые не могут обеспечить защиту от наводнений. Даже при низких уровнях потепления глобальное производство основных сельскохозяйственных культур, таких как пшеница, рис и кукуруза, может пострадать. Хотя потепление может помочь некоторым культурам расти в высоких широтах, производство продуктов питания в низких широтах, скорее всего, пострадает. Это вызовет растущий разрыв между спросом на продовольствие и предложением.
Вулканы являются также частью геохимического цикла углерода . На протяжении многих геологических периодов диоксид углерода высвобождался из недр Земли в атмосферу, нейтрализуя тем самым количество СО 2 , изъятого из атмосферы и связанного осадочными породами и другими геологическими поглотителями СО 2 . Однако этот вклад не сравнится по величине с антропогенной эмиссией оксида углерода, которая, по оценкам Геологической службы США, в 130 раз превышает количество СО 2 , эмитированного вулканами.
Поскольку торговые сети становятся все более глобальными, последствия экстремальных погодных явлений в одной части мира будут влиять на продовольствие в другом. Быстрые, большие изменения в глобальных температурах могут привести к исчезновению целых видов. Даже при меньших количествах согревающих видов будет больше подвергать риску. Животными и растениями, наиболее подверженными риску, будут те, которые.
Не имеют новых мест обитания для перемещения, не могут быстро двигаться к новым местам обитания, уже находятся под угрозой из-за других факторов. Вымирания могут оказать огромное влияние на пищевую цепь. Большинство экосистем будут стремиться жить с большими изменениями климата, которые происходят быстро через столетие или около того.
Антропогенное воздействие на изменение климата
Антропогенные факторы включают в себя деятельность человека, которая изменяет окружающую среду и влияет на климат. В некоторых случаях причинно-следственная связь прямая и недвусмысленная, как, например, при влиянии орошения на температуру и влажность, в других случаях эта связь менее очевидна. Различные гипотезы влияния человека на климат обсуждались на протяжении многих лет. В конце 19-го века в западной части США и Австралии была, например, популярна теория «дождь идёт за плугом» (англ. rain follows the plow).
Ожидается, что изменение климата приведет к ухудшению некоторых существующих проблем со здоровьем по мере повышения температуры. Недоедание может стать более распространенным, так как посевы затронуты, а более теплые температуры могут увеличить число насекомых, несущих болезни. Уязвимые люди будут подвержены повышенному воздействию тепла, хотя, вероятно, будет меньше проблем со здоровьем, связанных с холодными температурами.
Популяции с низким доходом как в развитых, так и в развивающихся странах будут наиболее уязвимы к последствиям изменения климата. Снижение производства продуктов питания, увеличение проблем здравоохранения, связанных с изменением климата, и более экстремальная погода замедляют экономический рост, что затрудняет сокращение бедности.
Главными проблемами сегодня являются: растущая из-за сжигания топлива концентрация СО 2 в атмосфере, аэрозоли в атмосфере, влияющие на её охлаждение, и цементная промышленность. Другие факторы, такие как землепользование, уменьшение озонового слоя, животноводство и вырубка лесов, также влияют на климат.
Воздействие экстремальных погодных явлений во всем мире
Растущее население и все более дорогая инфраструктура делают наши общества более уязвимыми для экстремальных погодных явлений. Ожидается, что жаркие волны и засухи станут более распространенными и более интенсивными в течение ближайшего столетия, а более частые проливные дожди и повышение уровня моря повысят риск наводнений.
Хотя не все экстремальные погодные явления могут быть напрямую связаны с влиянием человека, мы уже видим огромное влияние на общество, которое могут иметь экстремальные погодные явления. Большинство обсуждений по проблеме изменения климата смотрят на то, что, скорее всего, произойдет, например, вероятные изменения температуры, если мы это сделаем или не примем меры по сокращению выбросов парниковых газов.
Сжигание топлива
Взаимодействие факторов
Влияние на климат всех факторов, как естественных, так и антропогенных, выражается единой величиной – радиационным прогревом атмосферы в Вт/м 2 .
Извержения вулканов, оледенения, дрейф континентов и смещение полюсов Земли – мощные природные процессы, влияющие на климат Земли. В масштабе нескольких лет вулканы могут играть главную роль. В результате извержения вулкана Пинатубо в 1991 года на Филиппинах на высоту 35 км было заброшено столько пепла, что средний уровень солнечной радиации снизился на 2,5 Вт/м 2 . Однако эти изменения не являются долгосрочными, частицы относительно быстро оседают вниз. В масштабе тысячелетий определяющим климат процессом будет, вероятно, медленное движение от одного ледникового периода к следующему.
Но ученые определили, что с устойчивыми высокими температурами основные элементы земного климата могут быть радикально изменены. В то время как известные воздействия от небольших повышений температуры могут управляться, передача точки опрокидывания может вызвать большие или резкие изменения, некоторые из которых могут быть эффективно необратимыми.
Арктическая вечная мерзлота может быстро оттаивать, высвобождая парниковые газы, которые в настоящее время «заперты» и приводят к дальнейшему быстрому нагреванию большого листа льда, покрывающего Гренландию, которая содержит достаточное количество льда, чтобы вызвать повышение уровня моря до 7 метров, и может почти полностью расплавиться. Хотя это займет много времени, возможно, что ледниковый щит не сможет восстановиться после определенного количества плавления. Хотя такие события считаются маловероятными, их нельзя исключать, даже при относительно низких температурах выше 2 ° С выше температуры по всем показаниям, что, если мы пройдем одну из этих точек опрокидывания, будет диапазон чрезвычайно сильных ударов.
В масштабе нескольких столетий на 2005 год по сравнению с 1750 годом имеется комбинация разнонаправленных факторов, каждый из которых значительно слабее, чем результат роста концентрации в атмосфере парниковых газов, оцениваемый как прогрев на 2,4–3,0 Вт/м 2 . Влияние человека составляет менее 1% от общего радиационного баланса, а антропогенное усиление естественного парникового эффекта – примерно 2%, с 33 до 33,7 град С. Таким образом, средняя температура воздуха у поверхности Земли увеличилась с доиндустриальной эпохи (примерно с 1750 года) на 0,7 °С{
Обзор нынешнего глобального изменения климата
Изменение климата - колебания климата Земли в целом или отдельных её регионов с течением времени, выражающиеся в статистически достоверных отклонениях параметров погоды от многолетних значений за период времени от десятилетий до миллионов лет. Учитываются изменения как средних значений погодных параметров, так и изменения частоты экстремальных погодных явлений. Изучением изменений климата занимается наука палеоклиматология. Причиной изменения климата являются динамические процессы на Земле, внешние воздействия, такие как колебания интенсивности солнечного излучения, и, по одной из версий, с недавних пор, деятельность человека. В последнее время термин «изменение климата» используется как правило (особенно в контексте экологической политики) для обозначения изменения в современном климате (см. глобальное потепление).
Факторы изменения климата
Изменения климата обусловлены переменами в земной атмосфере, процессами, происходящими в других частях Земли, таких как океаны, ледники, а также эффектами, сопутствующими деятельности человека. Внешние процессы, формирующие климат, - это:
изменения солнечной радиации и орбиты Земли.
изменение размеров и взаимного расположения материков и океанов,
изменение светимости солнца,
изменения параметров орбиты Земли,
изменение прозрачности атмосферы и ее состава в результате изменений вулканической активности Земли,
изменение концентрации парниковых газов (СО2 и CH4) в атмосфере,
изменение отражательной способности поверхности Земли (альбедо),
изменение количества тепла, имеющегося в глубинах океана.
Климатические изменения на Земле
Погода - это ежедневное состояние атмосферы. Погода является хаотичной не линеарной динамической системой. Климат - это усредненное состояние погоды и он, напротив, стабилен и предсказуем. Климат включает в себя такие показатели как средняя температура, количество осадков, количество солнечных дней и другие переменные, которые могут быть измерены в каком-либо определенном месте. Однако на Земле происходят и такие процессы, которые могут оказывать влияние на климат.
Оледенения
Ледники признаны одними из самых чувствительных показателей изменения климата. Они существенно увеличиваются в размерах во время охлаждения климата (т. н. «малые ледниковые периоды») и уменьшаются во время потепления климата. Ледники растут и тают из-за природных изменений и под влиянием внешних воздействий. В прошлом веке ледники не были способны регенерировать достаточно льда в течение зим, чтобы восстановить потери льда во время летних месяцев.
Самые значительные климатические процессы за последние несколько миллионов лет - это гляциальные и интергляциальные циклы текущего ледникового периода, обусловленные изменениями орбиты Земли. Изменение состояния континентальных льдов и колебания уровня моря в пределах 130 метров являются в большинстве регионов ключевыми следствиями изменения климата.
Изменчивость мирового океана
В масштабе десятилетий климатические изменения могут быть результатом взаимодействия атмосферы и мирового океана. Многие флуктуации климата, включая наиболее известную южную осцилляцию Эль-Ниньо, а также североатлантическую и арктическую осцилляции, происходят отчасти благодаря возможности мирового океана аккумулировать тепловую энергию и перемещению этой энергии в различные части океана. В более длительном масштабе в океанах происходит термохалинная циркуляция, которая играет ключевую роль в перераспределении тепла и может значительно влиять на климат.
Климатическая память
В более общем аспекте изменчивость климатической системы является формой гистерезиса, т. е. это значит, что настоящее состояние климата является не только следствием влияния определенных факторов, но также и всей историей его состояния. Например, за десять лет засухи озера частично высыхают, растения погибают, и площадь пустынь увеличивается. Эти условия вызывают, в свою очередь, менее обильные дожди в последующие за засухой годы. Т. о. изменение климата является саморегулирующимся процессом, поскольку окружающая среда реагирует определенным образом на внешние воздействия, и, изменяясь, сама способна воздействовать на климат.
Парниковые газы
Принято считать, что парниковые газы являются главной причиной глобального потепления. Парниковые газы имеют также значение для понимания климатической истории Земли. Согласно исследованиям, парниковый эффект, возникающий в результате нагревания атмосферы тепловой энергией, удерживаемой парниковыми газами, является ключевым процессом, регулирующим температуру Земли.
В течение последних 600 млн лет концентрация диоксида углерода в атмосфере варьировались от 200 до более чем 5 000 чнм из-за воздействия геологических и биологических процессов. Однако в 1999 г. Вейзер и др. показали, что на протяжении последних десятков миллионов лет нет строгой корреляции между концентрацией парниковых газов и изменением климата и что более важная роль принадлежит тектоническому движению литосферных плит. Позднее Ройер и др. использовали корреляцию СО2 - климат, чтобы вывести значение «чувствительности климата». Есть несколько примеров быстрых изменений концентрации парниковых газов в земной атмосфере, имеющих строгую корреляцию с сильным потеплением, среди которых термальный максимум палеоцена - эоцена, вымирание видов перми - триаса и конец варяжской «Земли - снежка» (snowball earth event).
Растущий уровень диоксида углерода считается главной причиной глобального потепления, начиная с 1950 года. Согласно данным Межгосударственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) от 2007 года, концентрация СО2 в атмосфере в 2005 году составила 379 чнм3, в доиндустриальный период она составляла 280 чнм3.
Чтобы предотвратить резкое потепление в ближайшие годы, концентрация углекислоты должна быть снижена до уровня, существовавшего до индустриальной эпохи - до 350 частей на миллион (0,035%) (сейчас - 385 частей на миллион и увеличивается на 2 миллионные доли (0,0002%) в год, в основном из-за сжигания ископаемого топлива и вырубки лесов).
Ученым уже давно известны способы приостановления или даже прекращения массовых вырубок леса. Ещё в начале прошлого века американские исследователи прогнозировали, что выращивание конопли в промышленных масштабах способно остановить вырубку лесов, потому что урожай конопли с 10 тысяч гектаров пашни даёт столько же бумаги, сколько и лес, поваленный на площади 40 тысяч гектаров. Это связано с тем, что один гектар конопли даёт 5-6 кубометров древесины в год, а один гектар лесных угодьев – вдвое меньше.
Имеется скептическое отношение к геоинженерным методам изъятия углекислоты из атмосферы, в частности, к предложениям захоранивать углекислый газ в тектонических трещинах или закачивать его в породы на океанском дне: изъятие 50 миллионных долей газа по этой технологии будет стоить, по меньшей мере, 20 триллионов долларов, что в два раза больше национального долга США.
Тектоника литосферных плит
На протяжении длительных отрезков времени тектонические движения плит перемещают континенты, формируют океаны, создают и разрушают горные хребты, т. е. создают поверхность, на которой существует климат. Недавние исследования показывают, что тектонические движения усугубили условия последнего ледникового периода: около 3 млн лет назад северо- и южноамериканская плиты столкнулись, образовав Панамский перешеек и закрыв пути для прямого смешивания вод Атлантического и Тихого океанов.
Солнечное излучение
Изменение солнечной активности на протяжении последних нескольких столетий
Солнце является основным источником тепла в климатической системе. Солнечная энергия, превращённая на поверхности Земли в тепло, является неотъемлемой составляющей, формирующей земной климат. Если рассматривать длительный период времени, то в этих рамках Солнце становится ярче и выделяет больше энергии, так как развивается согласно главной последовательности. Это медленное развитие влияет и на земную атмосферу. Считается, что на ранних этапах истории Земли Солнце было слишком холодным для того, чтобы вода на поверхности Земли была жидкой, что привело к т. н. «парадоксу слабого молодого Солнца».
На более коротких временных отрезках также наблюдаются изменения солнечной активности: 11-летний солнечный цикл и более длительные модуляции. Однако 11-летний цикл возникновения и исчезновения солнечных пятен не отслеживается явно в климатологических данных. Изменение солнечной активности считается важным фактором наступления малого ледникового периода, а также некоторых потеплений, наблюдаемых между 1900 и 1950 годами. Циклическая природа солнечной активности ещё не до конца изучена; она отличается от тех медленных изменений, которые сопутствуют развитию и старению Солнца.
Изменения орбиты
По своему влиянию на климат изменения земной орбиты сходны с колебаниями солнечной активности, поскольку небольшие отклонения в положении орбиты приводят к перераспределению солнечного излучения на поверхности Земли. Такие изменения положения орбиты называются циклами Миланковича, они предсказуемы с высокой точностью, поскольку являются результатом физического взаимодействия Земли, ее спутника Луны и других планет. Изменения орбиты считаются главными причинами чередования гляциальных и интергляциальных циклов последнего ледникового периода. Результатом прецессии земной орбиты являются и менее масштабные изменения, такие как периодическое увеличение и уменьшение площади пустыни Сахара.
Вулканизм
Одно сильное извержение вулкана способно повлиять на климат, вызвав похолодание длительностью несколько лет. Например, извержение вулкана Пинатубо в 1991 году существенно повлияло на климат. Гигантские извержения, формирующие крупнейшие магматические провинции, случаются всего несколько раз в сто миллионов лет, но они влияют на климат в течение миллионов лет и являются причиной вымирания видов. В начале ученые полагали, что причиной похолодания является эмитированная в атмосферу вулканическая пыль, поскольку она препятствует достигнуть поверхности Земли солнечному излучению. Однако измерения показывают, что большая часть пыли оседает на поверхности Земли в течение шести месяцев.
Вулканы являются также частью геохимического цикла углерода. На протяжении многих геологических периодов диоксид углерода высвобождался из недр Земли в атмосферу, нейтрализуя тем самым количество СО2, изъятого из атмосферы и связанного осадочными породами и другими геологическими поглотителями СО2. Однако этот вклад не сравнится по величине с антропогенной эмиссией оксида углерода, которая, по оценкам Геологической службы США, в 130 раз превышает количество СО2, эмитированного вулканами.
Антропогенное воздействие на изменение климата
Антропогенные факторы включают в себя деятельность человека, которая изменяет окружающую среду и влияет на климат. В некоторых случаях причинно-следственная связь прямая и недвусмысленная, как, например, при влиянии орошения на температуру и влажность, в других случаях эта связь менее очевидна. Различные гипотезы влияния человека на климат обсуждались на протяжении многих лет. В конце 19-го века в западной части США и Австралии была, например, популярна теория «дождь идёт за плугом» (англ. rain follows the plow).
Главными проблемами сегодня являются: растущая из-за сжигания топлива концентрация СО2 в атмосфере, аэрозоли в атмосфере, влияющие на её охлаждение, и цементная промышленность. Другие факторы, такие как землепользование, уменьшение озонового слоя, животноводство и вырубка лесов, также влияют на климат.
Сжигание топлива
Начав расти во время промышленной революции в 1850-х годах и постепенно ускоряясь, потребление человечеством топлива привело к тому, что концентрация СО2 в атмосфере возросла с ~280 чнм до 380 чнм. При таком росте спроецированная на конец 21-го века концентрация будет составлять более 560 чнм. Известно, что сейчас уровень СО2 в атмосфере выше, чем когда-либо за последние 750 000 лет. Вместе с увеличивающейся концентрацией метана эти изменения предвещают рост температуры на 1.4-5.6°С в промежутке между 1990 и 2040 годами.
Аэрозоли
Считается, что антропогенные аэрозоли, особенно сульфаты, выбрасываемые при сжигании топлива, влияют на охлаждение атмосферы. Полагают, что это свойство является причиной относительного «плато» на графике температур в середине XX века.
Цементная промышленность
Производство цемента является интенсивным источником выбросов СО2. Диоксид углерода образуется, когда карбонат кальция(CaCO3) нагревают, чтобы получить ингредиент цемента оксид кальция (СаО или негашёная известь). Производство цемента является причиной приблизительно 2.5 % выбросов СО2 индустриальных процессов (энергетический и промышленный сектора). При затворении цемента то же количество СО2 поглощается из атмосферы при протекании обратной реакции СаО + СО2 = СаСО3. Поэтому производство и потребление цемента изменяет только локальные концентрации СО2 в атмосфере, не изменяя среднее значение.
Землепользование
Существенное влияние на климат оказывает землепользование. Орошение, вырубка лесов и сельское хозяйство коренным образом меняют окружающую среду. Например, на орошаемой территории изменяется водный баланс. Землепользование может изменить альбедо отдельно взятой территории, поскольку изменяет свойства подстилающей поверхности и тем самым количество поглощаемого солнечного излучения. Например, есть причины предполагать, что климат Греции и других средиземноморских стран поменялся из-за масштабной вырубки лесов между 700 лет до н. э. и началом н. э. (древесина использовалась для строительства, кораблестроения и в качестве топлива), став более жарким и сухим, а те виды деревьев, которые использовались в кораблестроении, не растут больше на этой территории.
Согласно исследованию 2007 года Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) средняя температура в Калифорнии возросла за последние 50 лет на 2°С, причём в городах этот рост намного выше. Это является в основном следствием антропогенного изменения ландшафта.
Скотоводство
Согласно отчету ООН «Длинная тень скотоводства» от 2006 года скот является причиной 18% выбросов парниковых газов в мире. Это включает в себя и изменения в землепользовании, т. е. вырубку леса под пастбища. В тропических лесах Амазонки 70% вырубки лесов производится под пастбища, что послужило основной причиной, почему Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (англ. Food and Agriculture Organization, FAO) в сельскохозяйственном отчёте за 2006 год включила землепользование в сферу влияния скотоводства. В дополнение к выбросам СО2, скотоводство является причиной выброса 65% оксида азота и 37% метана, имеющих антропогенное происхождение.
Взаимодействие факторов
Влияние на климат всех факторов, как естественных, так и антропогенных, выражается единой величиной – радиационным прогревом атмосферы в Вт/м2.
Извержения вулканов, оледенения, дрейф континентов и смещение полюсов Земли – мощные природные процессы, влияющие на климат Земли. В масштабе нескольких лет вулканы могут играть главную роль. В результате извержения вулкана Пенатубо в 1991 года на Филиппинах на высоту 35 км было заброшено столько пепла, что средний уровень солнечной радиации снизился на 2,5 Вт/м2. Однако эти изменения не являются долгосрочными, частицы относительно быстро оседают вниз. В масштабе тысячелетий определяющим климат процессом будет, вероятно, медленное движение от одного ледникового периода к следующему.
В масштабе нескольких столетий на 2005 год по сравнению с 1750 годом имеется комбинация разнонаправленных факторов, каждый из которых значительно слабее, чем результат роста концентрации в атмосфере парниковых газов, оцениваемый как прогрев на 2,4–3,0 Вт/м2. Влияние человека составляет менее 1% от общего радиационного баланса, а антропогенное усиление естественного парникового эффекта – примерно 2%, с 33 до 33,7 град С. Таким образом, средняя температура воздуха у поверхности Земли увеличилась с доиндустриальной эпохи (примерно с 1750 года) на 0,7 °С.