Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
7
Лекция 2
На прошлой лекции я указал несколько фундаментальных свойств всех проблем — это то, что они принадлежат 3 Миру Поппера и непосредственно возникают из конфликта меду 1 и 2 Мирами Поппера. Сам 3 Мир обладает автономией, в связи с чем, может конфликтовать с первыми двумя и оказывать на них воздействие, что приводит к образованию веера или дерева проблем.
Вообще проблем не много, а одна из них центральная — проблема неоднородности. Во-первых, проблема неоднородности групп (атомы, виды растений, животных, минералы и т.д.), свойств пространства (протяженности, массы, заряда и т.д.), течения времени (дление, скоростей процессов, разнонаправленность, разновозрастность протекающих явлений). Из неоднородности проистекает проблема иерархичности устройства природных объектов. Неоднородность и иерархичность обуславливают случайность. Причины, как неоднородности, так иерархичности и случайности, науке неизвестны. Эти причины присутствуют в любой проблеме, но они имеют мировзренческий смысл, и считается, что когда-нибудь и до них дойдет очередь решения, а пока следует решать проблемы более актуальные.
В продолжение темы можно выделить исходные причины, формирующие научные проблемы:
При формулировании актуальности решаемой научной проблемы эти причины называть не принято (хотя именно они являются причиной всякого исследования), а, обычно, называют проблемы, породившие изучаемую нами проблему, полагая, что их решение имело свою актуальность в прошлом. По мере решения подпроблем в рамках общей проблемы её актуальность может, как снижаться, так и увеличиваться. Решённая проблема не имеет своей актуальности, так как её актуальность передается последующим проблемам, вытекающих из неё. При постановке проблемы важно, что в задаваемом вопросе присутствует ключ к решению проблемы. Вопрос считается полностью исчерпанным, когда в нем уже содержится полный ответ.
Атмосфера
Проблема глобального потепления климата
Попытки перевода проблемы из плоскости критических дискуссий в плоскость научной веры (верификации теории по Поппер) не способствуют решению проблемы. Например, в докладе Четвертого оценочного доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) говорится (Изм. клим. 2010) — «Климат меняется — это теперь неоспоримо», или «Потепление климатической системы — неоспоримый факт», что можно рассматривать как попытку верификации проблемы. МГЭИК была образована в 1988 году в качестве совместной инициативы Всемирной метеорологической организации и Программы ООН в области окружающей среды для обобщения научных знаний об изменении климата в регулярной серии оценочных докладов по основным показателям. Первый такой оценочный доклад был завершен в 1990 году, второй — в 1995, третий — в 2001, четвертый — в 2007 году. МГЭИК в 2010 г. сообщает, что достигнут научный консенсус в отношении того, что «мир теплеет главным образом за счет человеческой деятельности» (Изм. клим. 2010).
Показано, что на протяжении почти 1 млн. лет до промышленной революции концентрация диоксида углерода (СО2) в атмосфере колебалась от 170 до 280 объемных частей на миллион (ррт). Теперешний уровень намного выше этого диапазона (387ррт), и даже выше пиковой отметки как минимум за последние 800 тыс. лет. Предполагается, что темпы роста, возможно, увеличатся (Raupach and others, 2007).
Имеются убедительные доказательства тому, что способность человечества и природы приспособится к глобальному изменению климата подвергается суровым испытаниям, которое прогнозируется при глобальном потеплении более чем на 2°С (Smith and others 2009).
Рисунок 1. Относительное увеличение средней температуры поверхности Земли за последние 1000 лет. За нулевой отчет принята средняя температура доиндустриального периода (зеленый цвет линии), желтым показаны инструментально измеряемые значения, красным дан прогноз на последующие 100 лет с двумя возможными исходами: +2оС и +5оС (Jones, P. D, D. E. Parker, T. J. Osborn, and K. R. Briffa. 2009. «Global and Hemispheric Temperature Anomalies — Land and Marine Instrumental Records.» In Trends: A Compendium of Data on Global Change. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy, Oak Ridge, TN. doi: 10.3334/CDIAC/di.OO2.)
Указывается, что увеличение средней температуры на 2 градуса кажется скромным изменением по сравнению с сезонными вариациями, но это равносильно переезду из Осло в Мадрид (из Тюмени в Омск). Условно на местности считается, что увеличение на 1 градус равносильно перемещению примерно на 200 км к югу. Например, склон южной экспозиции в среднем теплее на 1°С по сравнению с северным, это равносильно его переносу на 200 км к югу. Увеличение средней температуры на 2°С приведет к смещению природных зон в обозримом будущем. Глобальное выгорание лесов — это один из этапов такого смещения.
Наблюдаемое увеличение составило около 0,2°С за десятилетие с 1990 года, что дает нам уверенность в правильности дальнейших прогнозов с разбросом в 0,1-0,6°С по всем сценариям. Ожидается, что на протяжении нескольких последующих десятилетий среднемировая температура будет возрастать на 0,2-0,3°С за десятилетие. По мнению Шнейдера (2006) Верхний предел равносилен потеплению, происходившему во времена пика последнего ледникового периода, который привел к таянию ледников толщиной в 2 километра, покрывавших Северную Европу и Северную Америку (Schneider von Deimling and others 2006).
М.А. Глазовская (2009) считает, что проблема потепления климата в планетарном масштабе вызвана нарушением глобальных циклов углерода в результате взаимодействия природы и общества. В течение XX в. концентрация СО2 в атмосфере увеличилась от 0,00285 до 0,00345 %; в 2005 г. она достигла 0,00379 %. По данным В. Шлезингера (Schlesinger, 1990), в последней четверти XX в. ежегодное поступление парниковых газов в атмосферу было весьма значительным (табл. 1).
Таблица 1 — Темпы ежегодного увеличения концентрации в атмосфере (объемные части на миллион (ppt)) основных парниковых газов (Schlesinger, 1990)
|
Газ |
Концентрация в 1985 г |
Ежегодное увеличение по отношению к содержанию в 1985 г., % |
Вклад в глобальное потепление, % |
|
СО2 |
345 ppt |
0,5 |
50 |
|
CH4 |
1,65 ppt |
0,8 |
19 |
|
N2O |
90 ppt |
1,0 |
5 |
|
Остальные |
26 |
Прогноз изменения содержания в атмосфере углекислого газа строится на расчетах баланса СО2:
По данным доклада МГАИК 2007 года (Climate Change, 2007) (табл. 2), прибавка СО2 в атмосфере в 1980-е и 1990-е гг. держалась на уровне 3,2-3,3 Гт С/год; в период 2000-2005 гг. она резко увеличилась до 4,1 Гт С/год (Гт — гигатонна = 109т). Эта прибавка содержания СО2 в атмосфере связывается с увеличением эмиссии СО2 при сжигании топлива, так как сток СО2 из атмосферы в океан остался на уровне 1990 г. — 2,2 Гт С/год, так же как и поглощение СО2 на суше — 1,0 ± 0,6 Гт С/год в 1990 г. и 0,9 ± 0,6 Гт С/год в период 2000-2005 гг. Как следует из данных табл. 2, поглощение СО2 в океане более чем в 2 раза превышает его поглощение на суше. Остаточный член уравнения баланса СО2 (последняя строка табл. 2), названный В. Шлезингером (табл. 3) «неизвестным резервуаром» стока углерода, естественно, включает ошибки статистического анализа, однако это не исключает наличия на суше не учитываемых факторов и механизмов консервации части избыточного ежегодно поступающего в атмосферу СО2. Глазовская показывает, что таким стоком углерода может быть переход гуминовых кислот из коротко живущих форм в долгоживущие. Кроме того, по её мнению гумус может мигрировать в подпочву, где консервируется на длительное время.
Таблица 2. Глобальный баланс углерода Гт С/год (Climate Change, 2007)
|
Показатель |
1980-е гг. |
± |
1990-е гг. |
± |
2000-2005 гг. |
± |
|
Увеличение в атмосфере |
3,3 |
0,1 |
3,2 |
0,1 |
4,1 |
0,1 |
|
Эмиссия СО2 при сжигании ископаемого топлива |
5,4 |
0,3 |
6,4 |
0,4 |
7,2 |
0,3 |
|
Баланс СО2 в системе атмосфера <=> океан |
-1,8 |
0,8 |
-2,2 |
0,4 |
-2,2 |
0,5 |
|
Баланс СО2 в системе атмосфера <=> суша |
-0,3 |
0,9 |
-1,0 |
0,6 |
-0,9 |
0,6 |
|
Составляющие баланса СО2 на суше |
||||||
|
Поступает в атмосферу в результате изменений природопользования |
1,4 (0,4-2,3) |
Нет данных |
1,6 (0,5-2,7) |
Нет данных |
||
|
Остаточный член уравнения баланса СО2 на суше |
-1,7 (-3,4-+0,2) |
» |
-2,6 (-4,3 - -0,9) |
» |
М.А. Глазовская, ссылаясь на К. И. Кобак (1988), указывает, что при анализе циклов органического углерода в почвах в соответствии с данными радиоуглеродного датирования выделяются две формы: «лабильный гумус», время существования которого в почве не превышает 470 лет, и «стабильный гумус», возраст которого составляет 1300 лет (рис. 1).
Согласно К. И. Кобак, из общей массы поступающего в почвенный резервуар органического углерода (2,5·1012кг С) 0,3·1012кг С водорастворимого гумуса поступает в моря и океаны; 0,67·1012кг С составляет лабильный гумус, 1,35·1012кг С — стабильный. Основную массу гумуса в почвах составляет так называемый стабильный гумус, радиоуглеродный возраст которого больше 1300 лет (потерялось в атмосфере (F8) 0,15·1012кг С).
Рис. 1. Цикл органического углерода (n·1012кг С) (Кобак, 1988).
Обозначения: F1 — NPP наземных экосистем, F2 — дыхание корней, F3 — поступление с опадом, F4 — минерализация детрита, F5 — новообразование гумусовых веществ, F6 — чистый вывод гумусовых веществ, F7 и F8 — минерализация гумуса, F9 и F10 — вынос речным стоком и эоловая пыль, F11 — NPP фитопланктона и бентоса, F12 — минерализация в толще воды, F13 — образование взвешенного (ВОВ) и водорастворимого (РОВ) органического вещества, F14 и F15 — поступление на дно и минерализация, F16 — захоронение в верхних слоях литосферы, F17 — захоронение в глубоких слоях литосферы. Резервуары (данные справа в рамке) в 1012 кг С, потоки (стрелки) — в 1012 кг С / год
Общими недостатками (источником проблем) существующих моделей глобальных циклов углерода являются (Кобак, 1988, Schlesinger, 1995, Глазовская, 2009):
1. Неполный учет общих запасов педогенного органического углерода в современных почвах: запасы гумуса учитываются только в слое 0-100 см, тогда как значительная масса корней большинства древесных и травянистых растений (в том числе культурных) распространяется до глубины 160-200 см, а в аридных областях — до 300-400 см и глубже. Анализы содержания гумуса в глубоких горизонтах почв атмосферного увлажнения умеренного пояса свидетельствуют в слое 100-200 см содержится от 15 до 25 % его общих запасов.
2. Не были использованы многочисленные данные о радиоуглеродном возрасте гумуса в глубоких горизонтах (В2, ВС, С) современных почв. В модели глобального цикла органического углерода К. И. Кобак (1988) максимальный возраст «стабильного» гумуса не превышает 1300 лет, так как используются данные для гумусовых (А, АВ) горизонтов. Следует учесть, что на глубине 150-200 см в подпочве он достигает 7000-10 000 лет (Чичагова, 1985; Scharpenseel, Schiffman, 1977).
3. Не учитывается углерод вторичных карбонатов в почвах субаридных и аридных регионов. Таким образом, емкость современных (и погребенных) почв как резервуара стока и концентрации атмосферного углерода существенно преуменьшена.
Таблица 4 — Запасы органического углерода (т/га)
в зональных и торфяно-болотных почвах (Орлов, 1995)
|
Зона |
Почвы |
Запасы, т/га |
|
Южная тайга Лесостепь |
Дерново-подзолистые Торфяно-болотные Серые лесные Торфяно-болотные |
от 124-180 до 1400-2000 от 200-280 до 4345 |
Поглощение углерода из атмосферы при фотосинтезе и возвращение его в атмосферу в результате окисления органического вещества в почве происходит в форме двуокиси углерода (СО2), а в гидросферу — в форме бикарбонатов (НСОз).
В модели, приводимой А. И. Перельманом и Н. С. Касимовым (1999), представлены данные о глобальном поступлении из педосферы в атмосферу СО2 и СН4. Их массы составляют в сумме 10·109 С/год. Это показывает, что восстановительный цикл углерода на суше не менее значителен, чем окислительный.
Из этих данных вытекает проблема необходимости дальнейшего изучения роли процессов педолитогенеза в консервации и фоссилизации органического углерода на суше.
О значении торфяно-болотных почв как резервуара накопления органического углерода свидетельствуют данные Д. С. Орлова с соавт. (1995) о запасах органического углерода в зональных (автоморфных) и торфяно-болотных почвах южной тайги и лесостепи (табл. 4).
Как работает глобальная парниковая система
Климат Земли определяется входящей энергией, поступающей от Солнца, исходящей энергией, излучаемой от Земли, и обменом энергии между атмосферой, сушей, океанами, ледниками и живыми существами. Состав атмосферы особенно важен, потому что некоторые газы и аэрозоли (крайне малые частицы) воздействуют на поток входящего солнечного и исходящего инфракрасного излучения. Водяной пар, СО2, метан (СН4), озон (О3) и закись азота (N2O) — всё это парниковые газы (ПГ), естественным образом присутствующие в атмосфере.
Важность атмосферных газов и примесей, с точки зрения климатообразования, определяется их оптической активностью, влияющей на формирование радиационно-теплового баланса системы Земля-атмосфера. Атмосферные компоненты способны поглощать, рассеивать и отражать обратно в космос приходящую коротковолновую солнечную радиацию, а также задерживать уходящее от земной поверхности тепловое длинноволновое излучение, создавая парниковый эффект. Суть проблемы заключается в том, что возможно возникновение условий, когда энергия уходящего излучения меньше поступающего. Даже небольшая разница может привести со временем к перегреву планеты.
Электоронные оболочки атомов и молекул поглощают только определенные длинны волн, что используется в лабораторной технике (фотоэлектроколониметры, абсорбциометры) для оценки их присутствия. Чем боьше вещества содержится, тем выше поглощение света в некоторых областях спектра. Атмосферу можно представить как фильтр, отсекающей часть излучения до того как оно попадет на поверхность. В диапазоне от 0,300 до 0,700 мкм, т.е. в большей части видимого диапазона солнечного спектра, поглощение солнечной радиации минимально. Именно на этот интервал приходится около 40% интенсивности излучения солнечного спектра.
Солнечная радиация с длинами волн менее 0,100 мкм поглощается молекулярными кислородом О2 и азотом N2, и не проникает в атмосферу ниже уровня 100 км. Кроме этого, О2 имеет активные полосы поглощения в диапазоне 0,100-0,175 мкм (континуум Шумана-Рунге) и в диапазоне от 0,175 до 0,200 мкм (полосы Шумана-Рунге). Волны длиной 0,200-0,245 мкм поглощаются в стратосфере в основном О2 (континуум Герцберга).
Озон защищает биосферу задерживая жесткое ультрафиолетовое ЭМП излучение. Максимум полосы поглощения озона находится в диапазоне — 0,2553 мкм (полоса Хартли). В коротковолновой части солнечного спектра поглощение на участках с длинами волн менее 0,290 мкм происходит в основном за счет озона. Кроме того, полосы поглощения озона лежат в диапазоне 0,440-0,700 мкм.
В красном диапазоне длин волн (свыше 0,72 мкм) начинаются многочисленные полосы поглощения водяного пара с центрами полос 0,72; 0,84; 0,94; 1,14; 1,38; 1,87; 2,70; 3,20 мкм. Углекислый газ, как и водяной пар, поглощает в длинноволновой части солнечного спектра с центрами полос поглощения на длинах волн 1,44; 1,60; 2,02; 2,70 и 4,31 мкм.
Уходящая от поверхности и нижних слоев атмосферы длинноволновая радиация приходится на так называемое "окно прозрачности" Земли, находящееся в диапазоне длин волн 8-12 мкм. В этом "окне" практически отсутствуют полосы поглощения водяного пара. Здесь же, в соответствии с функцией Планка для излучения абсолютно черного тела, при типичных для атмосферы температурах максимальна интенсивность уходящего излучения (80%). Именно в этом диапазоне минимально его поглощение в атмосфере. Тем чувствительнее поток уходящего излучения к изменению концентрации газов, поглощающих в этом "окне прозрачности" и, таким образом, уменьшающих выхолаживание нижней атмосферы и подстилающей поверхности. В этом диапазоне лежат полосы поглощения малых газовых составляющих, таких, как СО2, О3, СН4, N2O, а также фреонов. Сравнительно небольшие изменения в концентрации этих газов могут значительно влиять на интенсивность потока уходящей длинноволновой радиации. Например, удвоение концентрации СО2 может привести к усилению парникового эффекта на 10-20% [IPCC, 1996]. Центр полосы максимального поглощения СО2 в диапазоне уходящего земного излучения лежит около 15 мкм. Континуум поглощения СО2 распространяется и на более длинные волны. Водяной пар поглощает уходящую радиацию наиболее активно в спектральных интервалах 5,5-7,0 и более 17 мкм.
ПГ нагревают поверхность Земли, мешая выделению инфракрасной (тепловой) энергии в космос. Эффект потепления, создаваемый естественными уровнями этих газов, - это «естественный парниковый эффект». Этот эффект нагревает температуру в мире примерно на 33°С выше уровня, который существовал бы без него, поддерживает большую часть мировых вод в жидком состоянии.
Газы, выделяемые в результате человеческой деятельности, сильно увеличили естественный парниковый эффект. Среднемировая концентрация атмосферного СО2 значительно возросла со времени начала Промышленной революции, особенно за последние 50 лет. На протяжении XX века содержание диоксида углерода увеличилось приблизительно с 280 до 387 ррт, почти на 40 процентов в основном за счет сжигания ископаемого топлива на углеродной основе и, в меньшей степени, в результате обезлесения и изменений в землепользовании.
Рисунок 2 Естественные и антропогенные состовляющие углеродного цикла.
Источники: Fischlin and others 2007; IPCC 2000; IPCC 2001; Canadell and others 2007; Houghton 2003; Prentice and others 2001; Sabine and others 2004.
Атмосферная концентрация СО2 ныне возрастает со скоростью около 2 ррт в год, что эквивалентно увеличению углеродной нагрузки атмосферы примерно на 4 гигатонны углерода в год (иными словами, около половины выбросов углерода от ископаемого топлива ведут к долговременному увеличению атмосферной концентрации). Остальные выбросы СО2 улавливаются «поглотителями углерода» — океаном и наземными экосистемами. Океаны улавливают около 2 гигатонн углерода в год (разница между 90,6 и 92,2, указанная на рис., плюс небольшой переток с суши в океан). С учетом чистого поглощения углерода океанами и наземными системами (фотосинтез минус дыхание) и оценочных показателей выбросов в результате изменений в землепользовании и сжигания ископаемого топлива, атмосферная концентрация может превысить прогнозные показатели. По всей видимости, в настоящее время наземные экосистемы улавливают излишек углерода. Предполагается, что так называемый «остаточный сток» в размере 2,7 гигатонны происходит главным образом по причине изменений почвенного покрова (чистое увеличение лесного массива в силу лесовозобновления и облесения, превышающего обезлесение) и усиленного улавливания углерода ввиду повышенного роста мировых лесов в ответ на более высокую концентрацию СО2 (известного как эффект фертилизации СО2).
Наземные экосистемы удерживают около 2300 гигатонн углерода — приблизительно 500 гигатонн в надземной биомассе и примерно в три раза больше этого количества в почвах. Снижение обезлесения должно стать важным компонентом замедления роста выбросов. В то время как необходимо будет всемерно повышать объем хранения углерода в земле, возникнут трудности по мере усиления изменений климата, более частых пожа-
Рисунок 3 — Сравнение воздействия естественных и антропогенных факторов на баланс энергии на Земле (ваттах на квадратный метр)
Обозначения: оранжевые столбики — увеличение энергии, синие — снижение (Изм. клим., 2009)
Рисунок 4 — Отклонение среднегодовой температуры °С от среднего значения за период 1901 – 2000 гг в сравнении с изменением концентрации СО2 (ppt)
обозначения: красное — выше среднего, синее — ниже среднего
Одной только нынешней повышенной концентрации парниковых газов достаточно для того, чтобы создать условия для установления в мире уровня потепления на 2°С выше уровня, за которым мир могут ожидать весьма разрушительные и даже «опасные» последствия. Колебания температуры от года к год происходят за счет, таких как глобальные океано-атмосферных явлений «Эль Ниньо», «Ла Нинья», а также извержений вулканов и подобных им.