Кліматичні параметри атмосфери Землі не є сталою величиною. Для клімату характерні флуктуації з більш-менш вираженим періодом (добовим, сезонним, багаторічним) та величиною амплітуди. Значне відхилення кліматичних параметрів від середніх величин, притаманних конкретному регіону Землі, називають кліматичною аномалією. Ступінь такого відхилення визначається статистично і не є якоюсь сталою величиною. Тому на розуміння кліматичних змін накладається значна частка невизначеності та суб'єктивізму. Ці причини зумовлюють неоднозначне трактування як величини кліматичних змін, так і чинників, що їх викликають.
12.8 Глобальні кліматичні зміни
В історії біосфери за останні 2000 років відбулося кілька тривалих кліматичних аномалій, що добре задокументовані. Зокрема визначальний вплив на розвиток сучасної європейської цивілізації мав кліматичний песимум раннього Середньовіччя, що тривав з 250 по 750 рр. Кульмінацією похолодання вважають період 535-536 рр. що на диво співпав з падінням Римської імперії. Іншим відомим періодом похолодання був "Малий льодовиковий період" 1400-1850 рр. протягом якого було кілька температурних мінімумів (1312-1315, 1621-1669, 1740).
Абрахам Хондіус, "Замерзла Темза", 1677 р.
Існує багато причин глобальних кліматичних змін. Можливі механізм впливу деяких з них добре узгоджуються з історичними фактами. Основними з них є:
- зміни розмірів, рельєфу та взаємного розташування материків та океанів;
- зміни сонячної активності;
- зміни параметрів орбіти та нахилу осі Землі;
-зміни прозорості та складу атмосфери;
-зміни параметрів поглинальної здатності поверхні Землі (альбедо);
-зміни кількості тепла, що надходить з глибин океанів.
Більшість наведених причин характеризуються явними ознаками, що можна легко ідентифікувати. Проте, зміни глобального клімату протягом останніх років не супроводжуються масштабними геологічними або космічними явищами. Тим не менше, аналіз багаторічної динаміки кліматичних параметрів біосфери дозволяє стверджувати наявність глобальної кліматичної аномалії.
З початку ХХ ст. спостерігається постійне зростання температури біосфери. Протягом 1906—2005 рр. середня температура поверхні Землі зросла на 0.74±0.18 °C. Проте таке зростання є нерівномірним в різних частинах планети. Це призводить до неоднозначного трактування як причин глобального потепління, так і самого факту такого потепління. Це повязано з тим, що основна кількість позитивних температурних аномалій фіксується у поверхневих водах Світового океану (до глибини 2000 м). У той же час на континентах частота таких аномалій є на порядки меншою.
Частота виникнення кліматичних аномалій в різних складових біосфери
(John Bruno, It’s not climate change, it’s ocean change!, Climate Shifts, July 12, 2010)
Крім того спостерігається нерівномірність виникнення аномалій температури за півкулями. Найбільша кількість таких змін є характерним для північної півкулі завдяки меридіональному перенесенню тепла в океанах, яке має диференціал близько 0,9 петаватт на північ. До цього ще додає різниця альбедо між полярними регіонами. Тому у антарктичній частині південної півкулі клімат навіть є дещо холоднішим за норму.
Частота виникнення кліматичних аномалій в у тропосфері у 2015 р. - одному з найтепліших за останні 100 років спостережень
(NASA Earth Observatory Image of the Day: 2009 Ends Warmest Decade on Record http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=42392)
Основною причиною виникнення позитивних температурних аномалій та загального потепління клімату Землі пов'язують з посиленням парникового ефекту завдяки надходженню до атмосфери парникових газів. Найважливішим парниковим газом, що можу зумовлювати приріст температури є вуглекислий газ. Інші парникові гази, які утворюються внаслідок діяльності людини, також можуть мати вплив на потепління клімату. Навіть водяна пара, що випаровується з нагрітої поверхні океану може посилювати цей ефект. Тривалій час вважали, що одночасне викидання пилу та аерозолів до атмосфери сприятиме її охолодженню завдяки екрануванню сонячних променів. Проте останніми дослідженнями показано, що значна частина пилу представлена сажею та "чорним вуглецем", які також посилюють парниковий ефект.
Аналіз динаміки сонячної активності показав відсутність суттєвого впливу на глобальну температуру. Більш того, у останні десятиліття спостерігається зменшення надходження сонячної енергії до біосфери. Вплив прецесії також не може пояснити швидкі зміни клімату через значну тривалість періоду прецесії осі Землі (понад 25 тис. років).
Зміна глобальної температури атмосфери та обсяги викидів вуглекислого газу
(https://summitcountyvoice.com/2010/12/26/epa-moving-ahead-with-fossil-fuel-greenhouse-gas-limits/)
Кількість сонячної енергії, що надійшла до верхньої межі атмосфери та зміна глобальної температури повітря
(https://archive.epa.gov/epa/climate-change-science/causes-climate-change.html)
4. Підкислення води Світового океану. Кислотність води за останні 300 років знизилася на 0,1, що означає збільшення концентрації іонів Н + в океаны майже на 35%. На даний момент водневий показник становить рН = 8,1. Подальше підкислення призведе до порушення процесів кальцифікації. Особливо постраждають організми, що мають арагонітовий скелет (коралові поліпи, двостулкові молюски). Це може бути одна з причин глобального побіління коралів. Зокрема, станом на 2017 рік понад 90% коралів Великого Бар'єрного рифу втратили симбіотичні зооксантели і знаходяться на межі вимирання.
5. Дефіцит кисню у воді через зменшення його розчинності (розчинність більшості газів знижується при підвищенні температури). Особливо небезпечним це явище є для полярних морських екосистем, які є чутливими до нестачі кисню у воді.
6. Порушення циркуляції океану в зонах апвелінгу. Це призведе до припинення надходження глибинних холодних вод, багатих на біогенні речовини. Як наслідок, розігрів приполярних вод прискориться, а екосистеми будуть зазнавати дефіциту поживних речовин.
7. Підвищення температури океану призводить до додаткового вивільнення парникових газів, головним чином - розчиненого вуглекислого газу. Іншим джерелом парникових газів стає метан, що міститься у складі метангідратних скупчень на абісальних глибинах океанів. Також зменшення площ вічної мерзлоти та висихання боліт призводить до додаткового вивільнення парникових газів.
Сучасний вигляд коралів Великого Бар'єрного рифу, березень 2017 р.
(Photo/ARC Centre of Excellence for Coral Reef Studies/Greg Torda)
Екологічні наслідки глобального потепління
1. Кліматичні зміни - збільшення частоти аномальних кліматичних явищ, часто з катастрофічними наслідками (повені, урагани). При цьому вважається доведеним, що на частоту виникнення та силу тропічних ураганів глобальне потепління не вплине (див. більш докладно Vecchi and Knutson 2008-2011). Проте, прогнозується перерозподіл кількості атмосферних опадів на суходолі (аридні райони стануть ще сухішими, вологі - будуть страждати на повені).
Райони підвищеного ризику виникнення посух та ймовірні напрямки їх поширення (за Herrera-Estrada et. al. 2017)
2. Зміна настання фенологічних періодів (головним чином весняних та осінніх), переміщення меж ареалів тварин та рослин у високі широти. Це призведе до вселення чужорідних видів та порушення функціонування біоценозів.
3. Підвищення рівня Світового океану. Між 1961 та 2003 рр. світовий середній рівень підвищувався з середньою швидкістю 1,8 мм/рік. У період з 1993 по 2003 рік темп збільшився до 3,1 мм/рік. Протягом 21 століття очікуваний рівень підняття становить 18-60 см. Цікаво те, що основною причиною (на 75%) є теплове розширення водних мас, а не танення льодовиків.
Зміни глобального середнього рівня Світового океану (https://www.epa.gov/climate-indicators/climate-change-indicators-sea-level)
Таким чином найбільш вразливими до глобальних змін клімату виявляються екосистеми морів та океанів. Також можливі інші опосередковані наслідки потепління клімату (наприклад, зміна продуктивності екосистем).