Атмосфера (греч. atmos — пар и sphaira — шар) — воздушная оболочка Земли. Атмосфера не имеет резкой верхней границы. Около 99,5% всей ее массы сосредоточено в нижних 80 км.
Метеорология (греч. meteora – небесные явления и logos – учение) как наука об атмосфере, о ее составе, строении, свойствах и происходящих в ней процессах сформировалась во второй половине XVIII в. С тех пор начались систематические наблюдения за отдельными метеорологическими элементами.
Основные сведения о физическом состоянии приземных слоев атмосферы, о погоде и климате получают на метеорологических станциях с помощью инструментальных и визуальных наблюдений. В мире более 8000 метеостанций и 800 аэрологических станций. Есть и автоматические метеостанции в труднодоступных районах (во льдах Арктики, высоко в горах).
С 30-х гг. нашего столетия начали осуществляться аэрологические наблюдения за состоянием свободной атмосферы с помощью воздухоплавательных аппаратов – аэростатов и стратостатов. Стратосфера была первой трудной ступенькой на дороге в Космос. Одновременно стали применяться шары-зонды, поднимающиеся до высоты 15-16 км, и радиозонды – до высоты 40-50 км. После Второй мировой войны появились метеорологические ракеты, поднимающиеся до 100-120 км с весом научной аппаратуры до 1,5 т. Для исследования ионосферы начали применяться геофизические ракеты (в том числе с подопытными животными), достигшие высоты почти 500 км с весом научной аппаратуры более 1,5 т. Первый в истории человечества искусственный спутник Земли (ИСЗ) был запущен в СССР 4 октября 1957 г. на высоту 947 км (в апогее), а 12 апреля 1961 г. – первый космический аппарат «Восток», пилотируемый Ю. А. Гагариным. Начиная с 60-х гг. высокие слои атмосферы исследуются ИСЗ серии «Космос», систематически запускаются метеорологические спутники и др.
С конца 90-х гг. XX столетия постоянные наблюдения из Космоса осуществляют четыре полярно-орбитальных спутника, движущиеся вокруг Земли па высоте от 800 до 1000 км, и пять геостационарных спутников – нa высоте около 36 000 км. Орбита последних совпадает с плоскостью экватора, они движутся с той же угловой скоростью, что и Земля, на меридианах 0° в, д., 74° в. д., 140° в. д., 75° з. д. и 135° з. д. Они как бы подвешены над одной и той же точкой Земли и своими наблюдениями охватывают широтный пояс от 50° с. ш. до 50° ю. ш. и передают из Космоса на Землю непрерывную информацию о температуре земной и морской поверхности, облачности, ведут наблюдения за смежным и ледовым покровом и т. д. Исключительно ценную и разностороннюю информацию, в том числе и об атмосфере Земли, дают долговременные научные экспедиции на автоматических космических станциях, в частности до 2001 г. на станции «Мир, а в наши дни МКС. Исследования верхних слоев атмосферы существенно уточнили наши знания о строении воздушной оболочки Земли, а космонавтика открыла огромные перспективы в ее изучении. В России руководство метеослужбой осуществляет Федеральная служба РФ по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет).
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 для обозначения изменения в современном климате.
Гипотеза о циклических изменениях климата - чередовании прохладно-влажных и тепло-сухих периодов в интервале 35-45 лет, выдвинута еще в конце XIX в. русскими учеными Э.А.Брикнером [30] и А.И.Воейковым [7]. В последствии эти научные положения были существенно развиты А.В.Шнитниковым [26, 27, 28] в виде стройной теории о внутривековой и многовековой изменчивости климата и общей увлажненности материков Северного полушария. В основу системы доказательств положены факты о характере изменения горного оледенения Евразии и Северной Америки, уровней наполнения внутренних водоемов, в том числе Каспийского моря, уровня Мирового океана, изменчивость ледовой обстановки в Арктике, исторические сведения о климате.
По А.В.Шнитникову [27] длительность отдельных внутривековых «брикнеровских» климатических циклов колеблется от 20-30 до 45-47 лет, на фоне которых развиваются циклы продолжительностью в 7-11 лет. В каждом втором «брикнеровском» цикле максимальные и минимальные значения температуры и влажности существенно превышают внутривековые показатели и классифицируются как циклы векового масштаба проявления. Вековые циклы развиваются в интервале 60-80 лет, приближаясь в северных районах к 90 годам [27, 10].
При обосновании многовековой изменчивости климата А.В.Шнитниковым показано, что с момента окончания ледникового периода, в последующий период – 12 тыс. лет назад – современность, получивший название «голоцен», климат и общая увлажненность материков Северного полушария изменялись циклически, в интервале 1500-2100 лет. Всего за голоцен развивалось 6 макроклиматических циклов, в каждом из которых прохладно-влажная эпоха занимала 300-500 лет, сменяясь тепло-сухой в 600-800 лет, а затем переходной с продолжительностью 700-800 лет.
Обосновывая факт существования 2000 летних циклов А.В.Шнитников особо акцентировал, что такие циклы существуют и в настоящее время. С этих позиций середина XIX века расценена им как принципиальный рубеж - окончания очередной прохладно-влажной климатической эпохи и начала тепло-сухой эпохи, которая развивается по настоящее время. Современный многовековой тренд потепления особенно заметно проявился в 70-е годы XIX века и в 30-е годы ХХ века.
Оценивая изложенную теорию, особенно о внутривековой изменчивости климата, необходимо обратить внимание на то, что она формировалась на данных о изменении уровней наполнения бессточных озер засушливых территорий, как интегральном показателе изменений климата, который проявляется через баланс количества выпадающих осадков и величину испарения.
Современная климатология и государственная система слежения за изменениями климата до сих пор не принимает во внимание фактор природной цикличности. Это вполне естественно – инструментальные данные: температура, влажность, осадки – недостаточно объективно отражают многолетние климатические тенденции. Замеры речного стока на крупных реках с неоднородной площадью водосбора еще более «затушевывают» картину. Да и период инструментальных измерений за имением климата – сравнительно не велик.
Позднее ряд исследований существенно укрепили концепцию А.В.Шнитникова. Так Э. Ле Руа Ладюри [29] изучая историю климата Западной Европы, на основании анализа обширного фактического материала подтвердил существование «малого ледникового периода» (прохладно-влажную эпоху XIV-XIIIV вв.) и внутривековую изменчивость климата. Е. П. Борисенков и В. М. Пасецкий [4] на основании летописных источников Древней Руси за последнее тысячелетие выделили для Европы три качественно различных климатических эпохи: малый климатический оптимум, пришедшийся на VIII-XII вв.; малый ледниковый период – XIII-XVIII вв.; современное потепление, обозначившееся с середины XIX в. На примере Западно-Сибирского региона рассчитаны климатические циклы с продолжительностью в 2000 лет.
Совершенно самостоятельные взгляды на существование циклических многовековых изменений климата и их влияние на этногенез развиты Л. Н. Гумилевым [8].
Развитие в 50-60-х годах целого комплекса физических и радиоизотопных методов определения возраста четвертичных отложений дало толчок исследованиям, связанным с разработкой геохронологической шкалы четвертичного периода, особенно позднего плейстоцена и голоцена. В частности, за голоцен были реконструированы кривые: палеоэкологическая - по планктонным фораминиферам; изменения температуры воздуха вблизи гренландских ледников; изменения уровня мирового океана; зимних температур для Западной Европы за 1000 лет. Указанный цикл работ позволил Н.В.Кинду [12] обобщить сведения о климатических тенденциях в последние 10 тыс. лет. Данный анализ подтвердил, что за рассматриваемый период произошло 6 климатических циклов в интервале 1300-2000 лет. Исследования гидрологического режима Каспийского моря показали, что за последние 9-10 тыс. лет имело 6 сильно выраженных трансгрессий и такое же количество регрессий, свидетельствующих о чередовании прохладно-влажных и тепло-сухих климатических эпох с интервалом в 1500-2000 лет [23, 6].
Таким образом, для периода голоцена со всей очевидность доказана многовековая изменчивость климата как ритмического процесса, продолжающегося и в настоящее время.
История наблюдений за озоновым слоем Земли
С начала 20 века ученые наблюдают за состоянием озонового слоя атмосферы. Сейчас уже все понимают, что стратосферный озон является своего рода естественным фильтром, препятствующим проникновению в нижние слои атмосферы жесткого космического излучения - ультрафиолета-В.
16 сентября 1987 г. был принят Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Впоследствии по инициативе ООН этот день стал отмечаться как День защиты озонового слоя.
Озоновый «экран» расположен в стратосфере, на высотах от7-8 км на полюсах, 17-18 километров на экваторе и примерно до 50 километров над земной поверхностью. Гуще всего озон в слое 22 - 24 километров над Землей.
Причины ослабления озонового щита
Озоновый слой защищает жизнь на Земле от вредного ультрафиолетового излучения солнца. Обнаружено, что в течение многих лет озоновый слой претерпевает небольшое, но постоянное ослабление над некоторыми районами Земного шара, включая густо населенные районы в средних широтах Северного полушария. Над Антарктикой обнаружена обширная "озоновая дыра".
Разрушение озона происходит из-за воздействия ультрафиолетовой радиации, космических лучей, некоторых газов: соединений азота, хлора и брома, фторхлоруглеродов (фреонов). Деятельность человека, приводящая к разрушению озонового слоя, вызывает наибольшую тревогу. Поэтому многие страны подписали международное соглашение, предусматривающее сокращение производства озоно-разрушающих веществ.
Предполагается множество причин ослабления озонового щита. Вот некоторые из них.
Во-первых, - это запуски космических ракет. Сгорающее топливо «выжигает» в озоновом слое большие дыры. Когда-то предполагалось, что эти «дыры» затягиваются. Оказалось, нет, они существуют довольно долго.
Во-вторых, самолеты. Особенно, летящие на высотах в 12-15 км. Выбрасываемый ими пар и другие вещества разрушают озон. Но, в то же время самолеты, летающие ниже 12 км. дают прибавку озона. В городах он - один из составляющих фотохимического смога.
В - третьих, это хлор и его соединения с кислородом. Огромное количество (до 700 тысяч тонн) этого газа поступает в атмосферу, прежде всего от разложения фреонов. Фреоны - это не вступающие у поверхности Земли ни в какие химические реакции газы, кипящие при комнатной температуре, а потому резко увеличивающие свой объем, что делает их хорошими распылителями. Поскольку при их расширении снижается их температура, фреоны широко используют в холодильной промышленности. Каждый год количество фреонов в земной атмосфере увеличивается на 8-9%. Они постепенно поднимаются наверх, в стратосферу и под воздействием солнечных лучей становятся активными - вступают в фотохимические реакции, выделяя атомарный хлор. Каждая частица хлора способна разрушить сотни и тысячи молекул озона.
9 февраля 2004 года на сайте Института Земли НАСА появилась новость о том, что учёные Гарвардского Университета нашли молекулу разрушающую озон. Учёные назвали эту молекулу "димер одноокиси хлора", потому что она составлена из двух молекул одноокиси хлора. Димер существует только в особенно холодной стратосфере над полярными регионами, когда уровни одноокиси хлора относительно высоки. Эта молекула происходит из хлорфторуглеродов. Димер вызывает разрушение озона, поглощая солнечный свет и распадаясь на два атома хлора и молекулу кислорода. Свободные атомы хлора начинают взаимодействовать с молекулами озона, приводя к уменьшению его количества.
Понимание взаимодействий между озоном и изменением климата, и предсказание последствий изменения требует громадных вычислительных мощностей, надежных наблюдений, и здравых диагностических способностей. Способности сообщества науки быстро развились за прошлые десятилетия, но все же некоторые фундаментальные механизмы работы атмосферы все еще не ясны. Успех будущего исследования зависит от общей стратегии, с реальным взаимодействием между наблюдениями ученых и математическими моделями.
Гипотеза «парникового эффекта». Наукой доказано, что на протяжении геологической истории Земли ее климат неоднократно изменялся в сторону потепления или похолодания. Например, в плиоцене температура воздуха была на 3—4°С, во время последнего межледникового периода на 2—3°С, а в голоцене на 1—2°С выше современной. И тем не менее это сильнейшим образом сказалось на размещении природных зон и ледового покрова. В течение последнего тысячелетия, несмотря на относительную стабильность климата, его колебания прослеживаются достаточно четко. Их изучение необходимо не только для понимания прошлого, но и для прогнозов на будущее. По мнению ученых, в XXI веке человечеству предстоит пережить новое сильное потепление климата, которое произойдет в результате «парникового эффекта». Механизм возникновения такого эффекта уже хорошо изучен. Он возникает в результате скопления в атмосфере водяного пара и так называемых парниковых газов — углекислого газа, метана, озона, закиси азота, хлорфторуглеродов, которые затрудняют отдачу поверхностью Земли в космос солнечного и глубинного тепла и тем самым вызывают тепловой эффект, наподобие того, который наблюдается в парнике или теплице. Изучением «парникового эффекта» занимаются ученые во всем мире. В России эта проблема получила освещение в работах академиков М. И. Будыко [176], И.П.Герасимова, В.М.Котлякова, К. Я. Кондратьева, А. Л. Яншина, в исследованиях многих других видных ученых (А. А. Величко, В. Г. Горшков, А. С. Монин и др.). Но их прогнозы довольно сильно расходятся.
Так, по прогнозам акад. М. И. Будыко, относящимся к 60-м — началу 70-х годов, «парниковый эффект» должен был заметно сказаться уже к концу XX века, а в XXI веке привести к довольно сильному смещению климатических поясов и таянию ледяных покровов Антарктиды и Гренлан-
Они считают, что в конце палеозоя радиус Земли составлял 3500— 4000 км и материки полностью покрывали всю ее поверхность. При расширении Земли она раскололась на несколько сегментов (континентов), которые затем отодвинулись далеко друг от друга. Параллельно происходило образование океанических впадин.
дни с соответствующим повышением уровня Мирового океана на 66 м. Подобные же тревожные (алармистские) прогнозы делались и на Западе. Затем алармизм несколько поутих, но в последнее время — в связи с непрекращающимся выбросом в атмосферу парниковых газов — он стал снова набирать силу. Впрочем, как это вообще характерно для гипотез, расчеты ученых различаются довольно сильно. Например, одни из них считают, что к 2050 году средняя температура у земной поверхности повысится на 2°С, другие же называют более высокие показатели. Прогнозы подъема уровня Мирового океана колеблются от нескольких сантиметров до нескольких метров. По мнению акад. А. Л. Яншина, отрицательные последствия «парникового эффекта» вообще слишком преувеличиваются, тогда как в действительности и угроза потепления и угроза подъема уровня Мирового океана не столь велики. Во всяком случае они не представляют слишком серьезной опасности для человечества и даже, напротив, могут дать определенный положительный эффект.
Геоэкологические проблемы атмосферы
Загрязнение атмосферы происходит в результате работы промышленности, транспорта и некоторых других отраслей производства, которые выбрасывают в атмосферу как твердые частицы (аэрозоли), так и газообразные вещества. Из этих веществ наиболее опасен диоксид серы (SО2), вызывающий кислотные осадки. Такие осадки получили уже широкое распространение в Европе, Северной Америке, некоторых странах зарубежной Азии (Япония, Китай, Индия), Латинской Америки (Бразилия). Особую проблему составляет выброс в атмосферу парниковых газов, в первую очередь диоксида углерода (СО2). Общий объем поступления углерода в атмосферу Земли уже превысил 6 млрд. т в год. Больше всего таких выбросов приходится на США, Китай, Россию, Японию и Германию.
Основные направления работ по снижению загрязнений воздушного бассейна:
Среди многочисленных направлений работ по снижению загрязнения воздушного бассейна важнейшими являются следующие:
- внедрение эффективных экономических и моральных методов стимулирования деятельности по охране атмосферы, включая различные поощрения и плату за выбросы и т.д;
- сокращение выбросов от автомобильного транспорта за счет совершенствования двигателей и топливной аппаратуры, внедрение нейтрализаторов выхлопных газов, увеличение доли дизельных и работающих на газообразном топливе двигателей, прекращение выпуска этилированных бензинов, а также лучшей организации дорожного движения;
- внедрение малоотходных и безотходных или чистых технологических процессов и производств, прежде всего в теплоэнергетике, черной и цветной металлургии, химической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, при производстве строительных материалов и в других отраслях ;
- оптимизация энергетического баланса страны (закрытие мелких и устаревших агрегатов, котельных и других установок, использование альтернативных ископаемым источников энергии и т.д.);
- внедрение экономически оправданных процессов сжигания топлива, а также предварительного обессеривания угля, нефти и газа, глубокой переработки угля и сланцев перед сжиганием (газификация, пиролиз);
- внедрение современных методов пылегазоочистки дымовых и других отходящих газов с высоким КПД и максимальным использованием продуктов очистки. Особое внимание следует уделить комплексной очистке отходящих газов от оксидов серы и азота, выделению и использованию углеводородов, сероводорода, соединений фтора, хлора, тяжелых металлов, обезвреживанию канцерогенных веществ;
- развитие эффективных систем контроля за загрязнением атмосферы, в том числе автоматизированных и дистанционных систем.
