Войти
Все пять компонентов климатической системы взаимодействуют. климат Земли возникает в результате взаимодействия пяти основных компонентов климатической системы : атмосферы (воздух), гидросферы (воды), криосфера (лед и вечная мерзлота), литосфера (верхний скальный слой земли) и биосфера (живые существа). Климат - это средняя погода, обычно в течение 30 лет, и определяется сочетанием процессов в климатической системе, таких как океанские течения и характер ветра. Циркуляция в атмосфере и океанах в основном обусловлена солнечной радиацией и переносит тепло из тропических регионов в регионы, которые получают меньше энергии от Солнца. Круговорот воды также перемещает энергию по всей климатической системе. Кроме того, различные химические элементы, необходимые для жизни, постоянно перерабатываются между различными компонентами.
Климатическая система может измениться из-за внутренней изменчивости и внешних воздействий. Эти внешние воздействия могут быть естественными, такими как изменения солнечной интенсивности и извержения вулканов, или вызваны людьми. Накопление удерживающих тепло парниковых газов, в основном выделяемых людьми, сжигающими ископаемое топливо, вызывает глобальное потепление. В результате деятельности человека также выделяются охлаждающие аэрозоли, но их чистый эффект намного меньше, чем у парниковых газов. Изменения могут усиливаться за счет процессов обратной связи в различных компонентах климатической системы.
Атмосфера окружает Землю и простирается на сотни километров от поверхность. Он состоит в основном из инертного азота (78%), кислорода (21%) и аргона (0,9%). Некоторые следовые газы в атмосфере, такие как водяной пар и двуокись углерода, являются газами, наиболее важными для работы климатической системы, поскольку они парниковые газы, которые позволяют видимому свету Солнца проникать на поверхность, но блокируют часть инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью Земли, чтобы сбалансировать солнечное излучение. Это вызывает повышение температуры поверхности. гидрологический цикл - это движение воды в атмосфере. Гидрологический цикл не только определяет характер осадков, он также влияет на движение энергии по всей климатической системе.
Собственно гидросфера содержит всю жидкую воду на Земле, причем большая его часть содержится в Мировом океане. Океан покрывает 71% поверхности Земли на средней глубине почти 4 км (2,5 мили) и может удерживать значительно больше тепла, чем атмосфера. Он содержит морскую воду с содержанием соли в среднем около 3,5%, но это варьируется в пространстве. Солоноватоводная вода встречается в устьях и некоторых озерах, а в большинстве пресная вода, 2,5% всей воды, содержится во льду и снеге.
Криосфера содержит все части климатической системы, где вода является твердой. Сюда входят морской лед, ледяной покров, вечная мерзлота и снежный покров. Поскольку в Северном полушарии больше суши по сравнению с Южным полушарием, большая часть этого полушария покрыта снегом. В обоих полушариях примерно одинаковое количество морского льда. Больше всего замерзшей воды содержится в ледяных щитах Гренландии и Антарктиды, которые в среднем составляют около 2 километров (1,2 мили) в высоту. Эти ледяные щиты медленно текут к своим краям.
Земная кора, особенно горы и долины, формирует глобальные схемы ветров: огромные горные хребты создают барьер для ветров и влияют на то, где и насколько сильно. дожди. Земля ближе к открытому океану имеет более умеренный климат, чем земля дальше от океана. Для целей моделирования климата земля часто считается статичной, поскольку она изменяется очень медленно по сравнению с другими элементами, составляющими климатическую систему. Положение континентов определяет геометрию океанов и, следовательно, влияет на модели циркуляции океана. Расположение морей важно для управления переносом тепла и влаги по земному шару и, следовательно, для определения глобального климата.
Наконец, биосфера также взаимодействует с остальной климатической системой. Растительность часто темнее или светлее, чем почва под ней, поэтому большая или меньшая часть солнечного тепла улавливается в областях с растительностью. Растительность хороша в улавливании воды, которая затем поглощается корнями. Без растительности эта вода стекала бы к ближайшим рекам или другим водоемам. Вода, потребляемая растениями, вместо этого испаряется, внося свой вклад в гидрологический цикл. Осадки и температура влияют на распределение различных зон растительности. Ассимиляция углерода из морской воды за счет роста мелких фитопланктона почти такая же, как и у наземных растений из атмосферы. Хотя люди технически являются частью биосферы, их часто рассматривают как отдельные компоненты климатической системы Земли, антропосферы, из-за большого воздействия человека на планету.
атмосферная циркуляция Земли вызвана энергетическим дисбалансом между экватором и полюсами. На это также влияет вращение Земли вокруг собственной оси. Климатическая система получает энергию от Солнца и в гораздо меньшей степени от Солнца. Ядро Земли, а также приливная энергия Луны. Земля излучает энергию в космическое пространство в двух формах: она напрямую отражает часть излучения Солнца и излучает инфракрасное излучение в виде излучения черного тела. Баланс входящей и исходящей энергии и прохождение энергии через климатическую систему определяет энергетический бюджет Земли. Когда общее количество поступающей энергии превышает исходящую, энергетический баланс Земли является положительным, и климатическая система нагревается. Если уходит больше энергии, энергетический баланс становится отрицательным, и Земля охлаждается.
В тропики поступает больше энергии, чем в полярные регионы, и последующая разница температур стимулирует глобальную циркуляцию атмосферы и океаны. Воздух поднимается, когда нагревается, течет к полюсу и снова опускается, когда остывает, возвращаясь к экватору. Из-за сохранения момента импульса вращение Земли отклоняет воздух вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии, образуя отдельные атмосферные ячейки. Муссоны, сезонные изменения ветра и осадков, которые происходят в основном в тропиках, формируются из-за того, что суша нагревается легче, чем океан. Разница температур вызывает разницу давлений между сушей и океаном, вызывая устойчивый ветер.
Океанская вода с большим содержанием соли имеет более высокую плотность, и разница в плотности играет важную роль в циркуляция океана. термохалинная циркуляция переносит тепло из тропиков в полярные регионы. Циркуляция океана также определяется взаимодействием с ветром. Солевой компонент также влияет на температуру точки замерзания. Вертикальные движения могут поднимать более холодную воду на поверхность в процессе, называемом апвеллингом, который охлаждает воздух выше.
Гидрологический цикл или круговорот воды описывает как он постоянно перемещается между поверхностью Земли и атмосферой. Растения испаряют, а солнечный свет испаряет воду из океанов и других водоемов, оставляя соль и другие минералы. Испарившаяся пресная вода позже снова выпадает на поверхность. Осадки и испарение распределяются по земному шару неравномерно: в некоторых регионах, например в тропиках, выпадает больше осадков, чем испарений, а в других - больше, чем осадков. Для испарения воды требуется значительное количество энергии, тогда как при конденсации выделяется много тепла. Это скрытое тепло является основным источником энергии в атмосфере.
Углерод постоянно переносится между различными элементами климатической системы: фиксируется живыми существами и переносится через океан и атмосфера. Химические элементы, жизненно важные для жизни, постоянно проходят через различные компоненты климатической системы. углеродный цикл имеет непосредственное значение для климата, так как он определяет концентрации двух важных парниковых газов в атмосфере: CO. 2 и метана. В быстрой части углеродного цикла растения поглощают углекислый газ из атмосферы с помощью фотосинтеза ; позже это повторно испускается дыханием живых существ. В рамках медленного углеродного цикла вулканы выделяют CO. 2 путем дегазации, выделяя углекислый газ из земной коры и мантии. Поскольку CO. 2 в атмосфере делает дождь немного кислым, этот дождь может медленно растворять некоторые породы, процесс, известный как выветривание. Минералы, которые выделяются таким образом и переносятся в море, используются живыми существами, останки которых могут образовывать осадочные породы, возвращая углерод обратно в литосферу.
азотный цикл описывает поток активного азота. Поскольку атмосферный азот инертен, микроорганизмы сначала должны преобразовать его в активное азотистое соединение в процессе, называемом фиксация азота, прежде чем его можно будет использовать в качестве строительного блока в биосфере.. Деятельность человека играет важную роль как в углеродном, так и в азотном циклах: сжигание ископаемого топлива вытеснило углерод из литосферы в атмосферу, а использование удобрений значительно увеличило количество доступного фиксированного азота.
Климат постоянно меняется, во временных масштабах от времен года до времени жизни Земли. Изменения, вызванные собственными компонентами и динамикой системы, называются внутренней изменчивостью климата. Система также может испытывать внешнее воздействие от явлений за пределами системы (например, изменение орбиты Земли). Более длительные изменения, обычно определяемые как изменения, продолжающиеся не менее 30 лет, называются изменениями климата, хотя эта фраза обычно относится к текущему глобальному изменению климата. Когда климат изменяется, эффекты могут накладываться друг на друга, передаваясь каскадом через другие части системы в серии климатических обратных связей (например, изменения альбедо ), вызывая множество различных эффектов ( например, повышение уровня моря ).
Разница между нормальной декабрьской температурой поверхности моря [° C] и температурой во время сильного Эль-Ниньо 1997 года. Эль-Ниньо обычно приносит в Мексику более влажную погоду. и США. Компоненты климатической системы постоянно меняются, даже без внешних воздействий (внешнего воздействия). Одним из примеров в атмосфере является Североатлантическое колебание (САК), которое действует как атмосферное качели давления. Португальцы Азорские острова обычно имеют высокое давление, тогда как в Исландии давление часто ниже. Разница в давлении колеблется, и это влияет на погодные условия в Североатлантическом регионе. в центральную Евразию. Например, погода в Грин На суше и в Канаде во время положительного САК холодно и сухо. Различные фазы североатлантического колебания могут поддерживаться в течение нескольких десятилетий.
Океан и атмосфера также могут работать вместе, спонтанно порождая внутреннюю изменчивость климата, которая может сохраняться от многих лет до десятилетий. Примеры этого типа изменчивости включают Эль-Ниньо – Южное колебание, Тихоокеанское десятилетнее колебание и Атлантическое многодесятилетнее колебание. Эти колебания могут влиять на среднюю глобальную температуру поверхности за счет перераспределения тепла между океанскими глубинами и атмосферой; но также изменяя распределение облаков, водяного пара или морского льда, что может повлиять на общий энергетический баланс Земли.
Океанические аспекты этих колебаний могут создавать изменчивость в столетних временных масштабах из-за того, что океан имеет сотни раз больше массы, чем атмосфера, и, следовательно, очень высокая тепловая инерция. Например, изменения в океанских процессах, такие как термохалинная циркуляция, играют ключевую роль в перераспределении тепла в Мировом океане. Понимание внутренней изменчивости помогло ученым связать недавнее изменение климата с парниковыми газами.
В долгосрочной перспективе климат определяется в основном количеством энергии в система и куда она идет. Когда меняется энергетический баланс Земли, следует климат. Изменение в энергетическом балансе называется воздействием, а когда изменение вызвано чем-то вне пяти компонентов климатической системы, оно называется внешним воздействием. Например, вулканы возникают в результате глубоких процессов на Земле, которые не считаются частью климатической системы. Изменения за пределами планеты, такие как изменение Солнца и приход астероидов, также являются «внешними» по отношению к пяти компонентам климатической системы, как и действия человека.
Солнце является преобладающим источником энергии, поступающей на Землю, и управляет атмосферной циркуляцией. Количество энергии, исходящей от Солнца , изменяется в более коротких временных масштабах, включая 11-летний солнечный цикл и более долгосрочные временные масштабы. Хотя солнечный цикл слишком мал, чтобы непосредственно нагревать и охлаждать поверхность Земли, он действительно влияет напрямую на более высокий слой атмосферы, стратосферу, что может влиять на атмосферу у поверхности.
Незначительные изменения в движении Земли могут вызвать большие изменения в сезонном распределении солнечного света, достигающего поверхности Земли, и в том, как он распределяется по земному шару, но не к глобальному и среднегодовому солнечному свету. Три типа изменения кинематики - это вариации эксцентриситета Земли, изменения угла наклона оси вращения Земли и прецессия Ось Земли. Вместе они образуют циклы Миланковича, которые влияют на климат и примечательны своей корреляцией с ледниковыми и межледниковыми периодами.
Парниковые газы удерживают тепло в нижней части атмосферы за счет поглощения длинноволнового излучения. В прошлом на Земле многие процессы способствовали колебаниям концентраций парниковых газов. В настоящее время выбросы людей являются причиной увеличения концентраций некоторых парниковых газов, таких как CO. 2, метан и N. 2O. Основным фактором парникового эффекта является водяной пар (~ 50%), при этом важную роль также играют облака (~ 25%) и CO. 2 (~ 20%). Когда концентрация долгоживущих парниковых газов, таких как CO. 2, увеличивается, а температура повышается, количество водяного пара также увеличивается, так что водяной пар и облака рассматриваются не как внешние воздействия, а как обратные связи. Горные породы выветривание - очень медленный процесс, который удаляет углерод из атмосферы.
Жидкие и твердые частицы в атмосфере, вместе называемые аэрозолями, имеют различные эффекты по климату. Некоторые в первую очередь рассеивают солнечный свет и тем самым охлаждают планету, а другие поглощают солнечный свет и согревают атмосферу. Косвенные эффекты включают тот факт, что аэрозоли могут действовать как ядра конденсации облаков, стимулируя образование облаков. Естественные источники аэрозолей включают морские брызги, минеральную пыль и вулканы, но люди также вносят свой вклад, поскольку при сгорании ископаемого топлива аэрозоли выделяются в атмосферу. Аэрозоли частично нейтрализуют эффект потепления от выбросов парниковых газов, но только до тех пор, пока они не вернутся на поверхность через несколько лет или меньше.
При температуре атмосферы с 1979 по 2010 год, определяемой MSU спутники НАСА, эффекты возникают от аэрозолей, выпущенных в результате крупных извержений вулканов (Эль-Чичон и Пинатубо ). Эль-Ниньо - это отдельное событие от изменчивости океана. Хотя вулканы технически являются частью литосферы, которая сама по себе является частью климатической системы, вулканизм определяется как внешний фактор воздействия. В среднем за столетие происходит только несколько вулканических извержений, которые влияют на климат Земли более года, выбрасывая тонны SO2 в стратосферу. Диоксид серы химически превращается в аэрозоли, которые вызывают охлаждение, блокируя часть солнечного света на поверхности Земли. Небольшие извержения воздействуют на атмосферу лишь незначительно.
Вырубка лесов или другие изменения в использовании земли человеком могут повлиять на климат. Отражательная способность области может измениться, в результате чего область будет захватывать больше или меньше солнечного света. Кроме того, растительность взаимодействует с гидрологическим циклом, что также влияет на осадки. Ландшафтные пожары выбрасывают в атмосферу парниковые газы и выделяют черный углерод, который затемняет снег, что облегчает его таяние.
Различные элементы климатической системы реагируют на внешнее принуждение по-разному. Одним из важных различий между компонентами является скорость, с которой они реагируют на воздействие. Атмосфера обычно реагирует в течение нескольких часов или недель, в то время как глубоководным слоям океана и ледяным покровам требуются столетия или тысячелетия, чтобы достичь нового равновесия.
Первоначальная реакция компонента на внешнее воздействие может быть подавляется отрицательными отзывами и усиливается положительными отзывами. Например, значительное снижение интенсивности солнечного излучения быстро приведет к снижению температуры на Земле, что затем приведет к расширению льда и снежного покрова. Дополнительный снег и лед имеют более высокое альбедо или отражательную способность, и поэтому отражают больше солнечного излучения обратно в космос, прежде чем оно может быть поглощено климатической системой в целом; это, в свою очередь, вызывает дальнейшее охлаждение Земли.
