Global Warming Potential
(Потенциал глобального потепления)

С начала промышленной революции в атмосфере наблюдается рост концентрации парниковых газов, прежде всего CO₂ , увеличиваются также и темпы этого роста.

Чарльз Килинг стал первым исследователем, который начал вести регулярные документируемые наблюдения за концентрацией парниковых газов в атмосфере, в атмосферной обсерватории на склоне вулкана Мауна-Лоа на Гавайях с 1958 года.

График этих изменений, кривая Килинга, назван в его честь.

Кривая Килинга

Обсерватория на Мауна-Лоа принадлежит NOAA. Сейчас существует множество аналогичных обсерваторий по всему миру. В России действует обсерватория в поселке Тикси (Республика Саха).

О том, почему именно возрастающая концентрация парниковых газов приводит к глобальному изменению климата, мы расскажем в разделе “Экологический механизм антропогенного влияния на климат”.

Изотопное фракционирование - процесс неравномерного распределения изотопов между двумя фазами вещества или веществами из-за различий в их атомной массе (более легкие изотопы движутся быстрее и испаряются легче).

Именно этот процесс лежит в основе изменения концентрации изотопов в атмосфере, ледниковых щитах, горных породах и донных осадках.

Основные изотопы, которые исследуют в климатологии, это углерод, кислород и бериллий.

Существует несколько изотопов углерода, 3 из которых встречается в природе:

• стабильный 12С или Углерод-12 (98.93% от всего количества углерода) 
• стабильный 13С или Углерод-13 (1.07%)
• радиоактивный 14С или Углерод-14(10-12 от количества С12) 

Растения в процессе фотосинтеза усваивают более легкий изотоп 12С, поэтому его концентрация в растениях выше, чем в атмосфере на 15—25 ‰, хотя некоторые растения могут отклонятся на 3—8 ‰. Растения послужили основой всех видов ископаемого топлива.

С 1970-х годов наблюдается повышение концентрации 12С и снижение концентрации 13С и 14С. Это изменение связывают со сжиганием больших объемов ископаемого топлива. Радиоактивные изотопы за время формирования ископаемого топлива уже распались, а изотопов 13С в растениях было мало. Соответственно, только сжиганием ископаемого топлива и, следовательно, высвобождением накопленных запасов 12С можно объяснить наблюдаемое изменение концентрации изотопов углерода.

Изменение соотношения концентраций тяжёлых изотопов углерода (13C и 14C) в атмосфере из-за примеси большого количества 12C, полученного из ископаемого топлива, которое не содержит 14C и содержит меньше 13C по сравнению с углекислым газом в атмосфере, называется эффектом Зюсса.

Уже сейчас этот эффект искажает результаты радиоуглеродной датировки. За разработку этого метода Уиллард Либби получил Нобелевскую премию в 1960 году, но сейчас метод корректируется с учетом эффекта Зюсса.

Также для изучения изменения климата используется изотопное фракционирование бериллия и кислорода.

Бериллий имеет 3 основных изотопа:

• стабильный 9Be (практически весь бериллий на Земле стабильный)
• космогенный 7Be, который имеет очень относительно короткий период полураспада (примерно 53 дня). Его концентрация в приповерхностном слое атмосферы может использоваться для изучения динамики воздушных масс и прогнозирования погоды. 
• космогенный 10Be, который имеет период полураспада 1.38 млн лет, что делает его ценным источником палеоклиматических данных.

Основной источник 10Be - расщепление ядер атомов азота (N) и кислорода (O) в земной атмосфере под воздействием галактических космических лучей (в основном протоны и более тяжелые ядра), которые приходят из-за пределов Солнечной системы, вероятно, от вспышек сверхновых и других мощных астрофизических явлений в галактике. Одними из продуктов этого ядерного расщепления являются легкие ядра, такие как 10Be и 7Be, а также 14C.

Солнце модулирует поток галактических космических лучей, достигающих Земли, за счет солнечного ветра (испускаемого Солнцем потока заряженных частиц, обладающего магнтиным полем). Солнечный ветер и его магнитное поле создают вокруг Солнечной системы защитный "пузырь" - гелиосферу, которая простирается далеко за орбиты планет. Гелиосфера действует как щит для галактических космических лучей. Чем сильнее солнечный ветер и его магнитное поле (то есть чем выше солнечная активность), тем эффективнее они отклоняют галактические космические лучи от Земли и тем меньше концентрация 10Be и 7Be в атмосфере.

Кислород также представлен тремя изотопами:

• стабильный 16O (99.76% от всего количества кислорода)
• стабильный 17O (0.037% от всего количества кислорода)
• стабильный 18O (0.204% от всего количества кислорода)

В отличие от космогенных изотопов, стабильные изотопы кислородно первично образовались в звездах и являются частью материи, из которой сформировалась Земля. В исследованиях климата разная концентрация изотопов кислорода помогает судить об особенностях осадков и испарения влаги, который зависят от температуры.

Сразу следует сказать, что климат на Земле неоднократно менялся и раньше, так же, как и средняя температура планеты менялась в широких пределах. Помимо целых эпох, когда не только климат планеты, но и состав атмосферы, и биосфера были другими, существуют и более локальные явления, описания которых дошли и до наших дней.

Реконструкция аномалий летней температуры воздуха в Северном полушарии по сравнению с периодом 1961–1990 годов (красная кривая). Синяя кривая — инструментальные измерения температуры. Зеленая и голубая заливка — теплые и холодные эпохи (RWP — Римский теплый период, LALIA — Позднеантичная малая ледниковая эпоха, MWP — Средневековый теплый период, LIA — Малая ледниковая эпоха, MWT — современное потепление). Розовые и синие кружки — десять самых теплых и самых холодных лет. На нижней шкале показана «оптическая толщина стратосферного аэрозоля» — одна из характеристик мощности извержений — и подписаны некоторые из известных извержений. Также на рисунке обозначены некоторые ключевые исторические события, а звездочками показаны годы, когда случались крупные эпизоды голода. Из статьи Büntgen et al., 2020 и материалов “Троицкий вариант”

Как мы узнаем об изменениях климата в прошлом?

Во-первых, мы читаем об этом в соответствующих исторических источниках, хотя и делаем поправку на то, что эти данные не очень точные. Например, считается, что Римский климатический оптимум был одной из причин процветания и экспансии Римской империи.

Во-вторых, мы изучаем палеоклиматические данные, которые служат “палеотермометрами”, окном в прошлое. Изменение температуры и количества поступающей солнечной энергии влияет на множество систем планеты: циркуляцию потоков в мировом океане и в атмосфере, осадки, изотопный состав осадков и атмосферы, ледники, наземные и морские экосистемы.

В этом разделе мы будем часто опираться на материал “Солнце, лед, вулканы и климат: как менялся климат Земли за последние два тысячелетия?” Алексея Екайкина в медиа “Троицкий вариант”. Этот материал содержит подробное описание палеоклиматических данных, способов их получения и обработки, а также материалы для дальнейшего погружения в тему.

Основную информацию исследователи получают, изучая изотопный состав атмосферных осадков (концентрация тяжелых стабильных изотопов кислорода и водорода). Как и в случае с изотопами углерода, изотопы кислорода и водорода фракционируются, то есть распределяются неравномерно в зависимости от условий. В случае с осадками чем выше температура конденсации - тем больше тяжелых изотопов в осадках.

Вот некоторые источники палеоклиматических данных: 

• Ледяные керны (состав пузырьков воздуха и изотопный состав осадков)
• Горные породы, сталактиты и сталагмиты пещер (изотопный состав)
• Кораллы и раковины моллюсков (изотопный состав)
• Озерные и морские донные осадки (минеральный состав, останки тепло- и холодолюбивых организмов)
• Древесные кольца (дендрохронологические исследования толщины годовых колец деревьев, плотности и изотопного состава целлюлозы)

Многие знают об исследовании ледяных кернов. Ледяные керны - это вертикальные столбы льда, извлеченные из ледяного покрова, например, из ледяных щитов Арктики и Антарктики, своего рода летопись климатических событий за десятки тысяч лет. После извлечения керны необходимо хранить при температуре не выше -20 °C, чтобы избежать артефактов или искажения получаемой информации. Из-за таяния льдов на полюсах происходит также потеря важной информации о планете, поэтому было организовано несколько крупных международных проектов по извлечению и консервации ледяных кернов.

В холодных регионах выпавший снег не тает полностью, а накапливается, постепенно спрессовываясь под весом вновь выпадающих осадков. Эти слои спрессованного снега содержат в себе следы таяния, пузырьки атмосферы, частицы дыма, золы, пыльцы растений и еще множество включений. Чем старше слои льда, тем больше неопределенности в той информации, которую можно извлечь, так как лед двигается, перемещается, неравномерно прессуется, подвергается эрозии и деформациям, меняет кристаллическую структуру. Поэтому выбор места для бурения кернов требует тщательной предварительной проработки. Если выбрать подходящее место, то можно получать ледяные керны длиной более 3000 метров, содержащие лед возрастом до 800 000 лет (керн EPICA Dome C); недавно был запущен проект Beyond EPICA - Oldest Ice, цель которого получить керн с климатической информацией до 1.2 млн лет. Самый длинный керн был получен на станции “Восток” (3769 м).

Тем не менее, из-за артефактов, которые содержат самые древние слои льда, результаты реконструкции климата ранее, чем на 120 000 - 150 000 лет пока являются предметом дискуссии. Некоторые исследования показывают, что нижние части кернов могут давать информацию, где погрешности возраста могут достигать десятков тысяч лет (раз, два, три). Это связано с нарастанием неопределенности в имеющихся климатических данных:

• сжатие слоев льда, что сужает временное разрешение (нижележащие слои подвергаются все более сильному сжатию по мере образования новых слоев и становятся тоньше). Очень тонкие слои может быть сложно отнести к конкретному отрезку времени
• когда подсчет по слоям (annual layer counting) становится невозможен, используют различные модели (движения льда, влияния возрастающего давления и пр), которые вносят свои неопределенности
• разница между возрастом льда и возрастом воздуха в пузырьках (ice age vs. gas age). Воздух запечатывается в слое льда не сразу, и в течение некоторого периода времени (до тысяч лет) газ старее, чем окружающий его лед
• нарушения структуры льда, которые нарушают непрерывность слоев и вносят в имеющуюся климатическую информацию собственные артефакты (деформация, плавление, перемещение, включения грунта).

Для понимания того, как человеческая деятельность сказалась на климате планеты такие значительные сроки не нужны, а на относительно коротких периодах ледяные керны предоставляют достаточно точную информацию, которая согласуется с другими источниками.

Фото ледяных кернов от museumoftheearth.org

Структурные элементы ледяного керна, которые изучают исследователи. Источник

Каждый из источников палеоклиматических данных имеет свои особенности, которые необходимо учитывать. Палеоклиматические данные из разных источников (например, годовые кольца деревьев и донные осадки) должны согласовываться друг с другом, чаще всего так и происходит. Также проблемой является неравномерность распределения источников климатических данных. Например, в Северном полушарии много как источников климатических данных (леса, ледники, озера и пр.), так и исследовательских центров, а в других местах источников меньше и история изучения климата не такая долгая.

Для компиляции данных из разнородных точечных источников в целостную картину изменений температуры в прошлом, используют модели общей циркуляции атмосферы (PAGES2k, 2019). Несмотря на эту неоднородность на данный момент получилось создать убедительную реконструкцию изменений температуры как в отдельных регионах, так и в среднем для всей планеты. Тем не менее, важно понимать, что любые палеоклиматические данные изначально несут в себе неопределенности, которые приводят к тому, что значимые климатические колебания заметны на периодах в несколько сотен лет. Кроме того, в разных частях планеты климат менялся по-разному, как впрочем и сейчас.

Основные выводы, которые можно сделать на основании палеоклиматических данных:

• до начала индустриальной эпохи температура поверхности планеты менялась незначительно (в пределах от +0.1 °C до –0.7 °C) по сравнению с 1961–1990 годами, что подтверждает относительно небольшую изменчивость основных климатических факторов, и, следовательно радиационного форсинга
• на протяжении этих двух тысячелетий (и вплоть до середины XIX века) наблюдался небольшой нисходящий тренд (похолодание), на фоне которого имели место периоды потепления (в I–II и IX–X веках) и похолодания (в IV–VII и XII–XIX веках)
• самой заметной температурной аномалией была так называемая “Малая ледниковая эпоха”, которая началась где-то в XIII веке и сменилась резким потеплением во второй половине XIX века
• в течение последних 2000 лет до начала индустриальной эпохи основным факторами, влияющими на климатические изменения были: 
1. солнечная активность
2. вулканическая активность
3. орбитальные параметры (в намного меньшей степени)
• с начала индустриального периода наблюдается резкое повышение концентрации парниковых газов в атмосфере, рекордное за 800 000 лет. До индустриальной эпохи в течение последних двух тысячелетий содержание CO₂ в атмосфере менялось в небольших пределах (приблизительно на 8 ppm, между 276 и 284 ppm). Это в 18 раз меньше, чем современное антропогенное повышение (от 280 до 420 ppm).
• реконструированная температурная кривая совпадает с данными, которые являются результатом инструментальных измерений, оба ряда хорошо согласуются друг с другом, а это дополнительно подтверждает надежность реконструкции
• график воспроизводится независимо от того, какие исследователи его строят и какими климатическими моделями они пользуются. На рисунке ниже реконструкции, полученные с помощью разных методов обработки данных, отражены в виде кривых разных цветов. Этот график получил название “Клюшка Манна” (Mann et al., 1998).

Данные разных методов реконструкции (линии разных цветов) дают схожие результаты.

Происходит глобальное антропогенное изменение климата, основная причина которого - повышение концентрации парниковых газов из-за сжигания ископаемого топлива

К этим выводами независимо друг от друга приходят исследователи из различных областей знания, подтверждая свои наблюдения прямыми замерами, анализом палеоклиматических данных и моделированием.

Думать о такой глобальной проблеме, как антропогенное изменение климата, неприятно.

Изменение климата значительно, системно, вызывает множество последствий, не замечать которые все сложнее. При этом для решения этой проблемы нужны слаженные действия миллионов людей, никто не может справиться с этим один. Такое положение дел может разочаровывать и обескураживать.

Поэтому появляется соблазнительная мысль утверждать, что никакого изменения климата нет, а если и есть, то человеческая деятельность тут не причем, это просто естественные изменения на планете.

На самом деле, задавать вопросы о том, существует ли в принципе некоторое явление, или предлагать альтернативные гипотезы, которые его объясняют, нужно и полезно.

Разберем основные альтернативные гипотезы, которые предлагаются вне научного сообщества.

Мы видим устойчивое повышение средней температуры на планете в течение достаточно длительного периода, что позволяет научному сообществу прийти к консенсусу по поводу глобального изменения климата. Повышается температура нижних слоев атмосферы и всех слоев мирового океана. Нет никаких данных, указывающих на обратное.

Следует оговориться, что всегда можно подобрать короткую последовательность измерений, которая покажет либо отсутствие изменений, либо даже снижение средней температуры.

Например, с 1940 по 1975 год средняя глобальная температура стабилизировалась, но затем продолжила расти рекордными темпами. Это связывают с возросшей ролью мирового океана в аккумулировании избыточного тепла.

Важно оценивать климатические изменения на длительных отрезках времени и сопоставлять результаты измерений с другими методиками оценки климата.

Климат менялся неоднократно в истории Земли, ледниковые периоды тому пример! Все верно, существуют различные естественные причины, которые приводили к значительным изменениям климата: изменения орбиты Земли, колебания солнечной активности, вулканическая активность. Ниже мы разобрали вклад этих факторов в поддержание климата планеты, и ни один из них не объясняет текущего резкого повышения средней температуры.

Например, циклы Миланковича, определяющие возникновение ледниковых периодов. Если рассматривать циклы Миланковича, то сейчас мы должны были бы наблюдать тенденцию к похолоданию, и тот факт, что мы наблюдаем обратную тенденцию, говорит нам о том, что есть другие факторы, действие которых настолько сильно, что нивелирует действие циклов Миланковича. Кроме того, циклы Миланковича действуют на горизонте десятков тысяч лет, а рекордные изменения средней поверхностной температуры наблюдаются в последние 150 лет.

Климатические изменения, связанные с естественными солнечными вариациями, также происходят в гораздо более длительные временные интервалы, либо не совпадают с наблюдаемым изменением солнечной активности и контрастируют с быстрым и беспрецедентным трендом потепления, наблюдаемым в последние десятилетия.

Вклад вулканической активности вообще характеризуется превалирующим охлаждающим эффектом.

Таким образом, столь быстрое и заметное повышение средней температуры невозможно объяснить исключительно естественными факторами.

Обсуждать теории заговора нет практического смысла, так как они выходят за рамки методологии научного познания.

Скажем только, что в “заговоре” с целью продвижения своих интересов можно обвинить абсолютного любого участника любого процесса, от владельцев нефтедобывающих компаний до климатических активистов. Такая позиция ничего не добавляет к аргументации и является пороком мышления.

Изменение климата за счет повышения средней температуры на планете наблюдается со времен промышленной революции. Эти изменения однозначны, наблюдаются по всему миру и во всех климатических оболочках планеты. Они подтверждаются ростом концентрации парниковых газов, которые и приводят к этим изменениям. Все изменения наблюдаются, фиксируются и имеют непротиворечивое объяснение.

Использование климатических моделей также подтверждает факт антропогенного изменения климата.

Научный консенсус состоит в следующем: климат меняется в сторону потепления и причиной этого изменения является человеческая деятельность.

В основе повышения средней температуры планеты лежит парниковый эффект, которым обладают некоторые парниковые газы, поступающие в атмосферу в результате человеческой деятельности. Усиление парникового эффекта за счет выбросов парниковых газов и есть тот экологический механизм, который стоит за повышением средней приповерхностной температуры планеты.

Парниковый эффект - повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой. Упрощая, можно сказать, что парниковый эффект - это повышение температуры нижних слоев атмосферы и верхних слоев океана за счет удержания парниковыми газами излучаемого планетой тепла. Источник тепла может быть как внутренним, так и внешним.

Эффективная температура - это полная мощность излучения абсолютно черного тела с размерами, равными размерам сравниваемого с ним небесного тела и излучающего такое же количество энергии в единицу времени.

Абсолютно черное тело - это модельный объект, абсолютно черных тел не существует в природе. Исследователи выдумывают его, желая получить ответ на вопрос: “А что если существовало бы некоторое небесное тело такого же размера, как то, которое мы изучаем в реальности, и при этом оно бы поглощало абсолютно все поступающее на его поверхность излучение и отражало бы его максимально эффективно? Какой бы оно было температуры?”

Если бы на месте Земли находилось бы абсолютно черное тело, то средняя температура его поверхности была бы −18°C. Это и есть эффективная температура Земли. А средняя глобальная температура поверхности земли в XX веке была по разным оценкам +14°C или +15°C (сейчас она повышается), и эту разницу обеспечивает парниковый эффект газов атмосферы, а также особенности поверхности планеты, например, территории с разным альбедо (отражающей способностью).

Соответственно, проблема не в парниковом эффекте как таковом (как мы видим, именно он обеспечивает комфортные условия существования нынешних экосистем), проблема в усилении парникового эффекта за счет антропогенного воздействия.

Схематическое изображение влияния парниковых газов на приходящие и отраженное инфракрасное излучение. Источник

Парниковые газы - газы с высокой прозрачностью в видимом диапазоне и высоким поглощением излучения в инфракрасном диапазоне. Это значит, что эти газы пропускают солнечный свет, но удерживают излучаемое планетой тепло, то есть создают парниковый эффект. Солнечное коротковолновое излучение преобразуется в длинноволновое инфракрасное излучение, которое и удерживается парниковыми газами.

Основной парниковый газ на планете - это водяной пар. Он отвечает примерно за половину парникового эффекта на планете. Тем не менее, в текущих климатических моделях водяной пар сам по себе рассматривается не столько как парниковый газ, сколько как агент обратной связи и фактор, усиливающий влияние остальных парниковых газов.

Водяной пар в атмосфере имеет в основном естественное происхождение, а антропогенные выбросы водяного пара незначительны. Водяной пар находится в атмосфере недолго, около 9 дней, быстро циркулирует, а отличие от парниковых газов, которые образуются при сжигании ископаемого топлива, а его концентрация зависит от температуры окружающей среды.

Остальные парниковые газы неконденсируемы в условиях нижних слоев атмосферы, поэтому их концентрация не меняется с изменением температуры, что и позволяет этим газам влиять на изменение климата.

Наиболее распространенные парниковые газы в атмосфере после водяного пара:

• Углекислый газ
• Метан
• Закись азота
• Тропосферный озон
• Фторированные газы

Их совокупное количество в атмосфере около 0.05%, но именно они отвечают за повышение средней температуры поверхности земли.

Помимо немедленного парникового эффекта, следует учитывать, что парниковые газы находятся в атмосфере в течение разного количества лет, что сказывается на итоговой способности газов влиять на изменения климата. Например, метан находится в атмосфере относительно недолго, в то время как фторированные газы могут оставаться в атмосфере сотни лет и обладают гораздо более выраженным парниковым эффектом.

Модели оценки климата учитывают взаимодействие атмосферы, океанов, поверхности суши, криосферы (морской и наземный лед), биосферу и литосферу. Эти компоненты обмениваются энергией, водой и импульсом, а также испытывают влияние климатических факторов естественного и антропогенного происхождения.

Изменение климатических факторов, которое приводит к изменению радиационного баланса, называют радиационным форсингом (forcing).

Влияние климатических факторов на температуру планеты выражается в единицах потока тепла — ваттах на квадратный метр ( ).

Для понимания того, как изменения климатических факторов сказывается на средней температуре поверхности, введено понятие “климатической чувствительности”. По сути климатическая чувствительность показывает, насколько изменение какого-либо радиационного форсинга изменит температуру.

Алексей Екайкин со ссылкой на Gregory et al., 2004 указывает, как изменение одного форсинга (солнечной радиации) влияет на изменение средней температуры: “Теоретически при изменении приходящей радиации на 1  температура менялась бы примерно на 0.2 °C (это справедливо лишь для современной температуры Земли, поскольку зависимость не линейная). Но в реальности надо учитывать огромное количество обратных связей в климатической системе, а также ее инертность, поэтому эффективное значение климатической чувствительности составляет порядка 0.8 °C на 1 ”.

Солнечное излучение (солнечная радиация) - основной источник энергии для всех физических процессов, происходящих на Земле. Солнечная радиация измеряется мощностью переносимой ею энергии на единицу площади поверхности ( ).

Получаемое Землей количество солнечной энергии отражено в солнечной постоянной. Солнечная постоянная показывает суммарную мощность солнечного излучения, проходящего через единицу площади, ориентированной перпендикулярно потоку солнечных лучей, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца.

Способ расчета солнечной постоянной. Источник.

По сути это количество тепла, которое приходит через перпендикулярную солнечным лучам площадку площадью 1  на внешней границе атмосферы Земли. Солнечная постоянная примерно равна 1361 , но меняется в пределах 2  в зависимости от изменения солнечной активности.

Измеряя солнечную постоянную, исследователи получают данные о солнечной активности.

Солнечная энергия распределяется по поверхности планеты неравномерно, до верхней границы атмосферы доходит примерно четверть поступившей энергии 340 . Еще треть отражается атмосферой Земли, и в итоге поглощается 240 , что и обеспечивает эффективную температуру в -18 °C.

Существует несколько механизмов влияния солнечной активности на климат Земли: 

• Солнечная цикличность - периодическое изменение мощности солнечной радиации. 
• 11-летний цикл Швабе-Вольфа - изменение солнечной активности, связанное с изменением количества солнечных пятен. Одиннадцатилетним цикл является условно, так как выявленная Швабе, а затем и Вольфом периодичность колеблется от 7 до 17 лет. В пик этого цикла (солнечный максимум), общая яркость Солнца незначительно выше (примерно на 0.1%), чем во время солнечного минимума. Это изменение общей солнечной иррадиации (TSI) составляет приблизительно 1 - 1.4 Вт/м² во время сильных циклов. Прямое влияние этой 11-летней вариации на глобальную температуру поверхности Земли оценивается как относительно небольшое, обычно вызывая колебания на 0.1 °C или менее
• 22-летний цикл Хейла - по сути удвоенный цикл Швабе-Вольфа. За один цикл магнитное поле Солнца меняет знак, также меняются магнитные полярности в группах солнечных пятен. Соответственно, за два цикла Швабе-Вольфа общее магнитное поле Солнца вернулось к своему исходному состоянию.
• 100-летний цикл Гляйсберга - цикл длиной от 70 до 100 лет. Этот цикл модулирует 11-летние циклы Швабе-Вольфа, то есть влияет на их амплитуду, что проявляется как чередование эпох относительно сильной и слабой солнечной активности. Исторические записи указывают на три таких цикла Гляйсберга: 1700-1810, 1810-1910 и 1910-2010 годы. XX век, особенно его первая половина, пережил период необычно высокой солнечной активности, называемый “Современным максимумом”, пик которого пришелся примерно на 1957 год. Следующий пик ожидается в середине XXI века. 
• Орбитальные изменения, известные как циклы Миланковича. Циклы Миланковича - изменения орбиты Земли, вызванные влиянием движения Земли и других небесных тел относительно друг друга. Эти долгосрочные орбитальные изменения признаны в качестве основных триггеров ледниковых и межледниковых периодов на протяжении всей истории Земли. Теория Миланковича основана на 3 основных астрономических вариациях орбиты Земли и ориентации ее оси. Каждая из этих вариаций происходит в различных временных масштабах и по-разному влияет на распределение солнечной радиации:
• Эксцентриситет - изменение формы орбиты Земли вокруг Солнца, которая колеблется от почти круговой до слегка эллиптической. Этот цикл длится приблизительно 100 000 лет.
• Обликвитет - изменение наклона оси вращения Земли относительно плоскости ее орбиты. Этот наклон колеблется между 22.1° и 24.5°. Цикл этих изменений составляет приблизительно 41 000 лет.
• Прецессия - колебание медленное колебание оси вращения Земли, похожее на движение вращающегося волчка. Это медленное, непрерывное, гравитационно-индуцированное изменение ориентации оси. Цикл прецессии завершается приблизительно каждые 26 000 лет.

Вулканическая активность оказывает разнонаправленное влияние на климат планеты.

Существует представление о том, что вулканы выбрасывают значительные объемы парниковых газов, что на самом деле не так. За год все вулканы на планете выбрасывают в атмосферу в 100 раз меньше парниковых газов, чем люди в ходе своей деятельности.

Извержения вулканов описываются шкалой VEI (volcanic explosivity index), баллы которой отражают объем выброшенной в атмосферу породы (тефра) и высоту столба пепла. Чем сильнее извержение, тем больший балл в диапазоне от 0 до 8 ему присваивается.

Вулканическая активность чаще всего приводит к временному снижению средней поверхностной температуры, а не ее повышению, что было неоднократно зафиксировано после крупных извержений вулканов. Исключение могут представлять подводные вулканы, извержения которых приводят также к выбросу водяного пара, который является парниковым газом.

Например, извержение вулкана Пинатубо в 1991 привело к снижению средней температуры на планете на 0.5 °C. Существуют исторические данные о том, что извержение вулкана Тамбора в 1815 году привело к “Году без лета”, самому холодному году в Европе за всю историю наблюдений, который обернулся голодом и неурожаями.

Это связано с тем, что крупные извержения вулканов (4 и больше баллов по шкале VEI) приводят к выбросам в воздух аэрозолей (частиц породы), а также таким соединениям как оксиды серы, сероводород, соляная кислота, угарный газ, которые достигают стратосферы. А начиная с VEI 6 извержения оказывают уже влияние на климат в планетарном масштабе.

Частицы выброшенной породы препятствуют проникновению солнечной радиации на поверхность планеты, хотя и относительно недолгое время. Это явление называется “вулканический смог”, и оно преимущественно локальное.

А вот соединения серы, оказавшись в стратосфере, образуют т.н. “сульфатные аэрозоли”, которые способствуют рассеиванию и отражению поступающей солнечной радиации, а также являются ядрами конденсации облаков. Это способствует изменению альбедо облаков, что усиливает охлаждающий эффект за счет увеличения отражательной способности облаков. Это явление известно как вулканические взаимодействия сульфатных аэрозолей с облаками (volcanic aerosol–cloud interactions, VACIs). В совокупности, эти явления приводят к тому, что средняя температура на планете снижается после крупных извержений вулканов.

Если соединения серы не достигают стратосферы, они довольно скоро выпадают в виде кислотных дождей, не оказывая существенного влияния на климат. Именно этим объясняется, что только крупные извержения вулканов оказывают заметное влияние на климат.

Помимо охлаждающего эффекта, сульфатные аэрозоли приводят к дополнительному нагреву стратосферы, так как длинноволновое инфракрасное излучение от поверхности Земли они также удерживают. Это приводит к изменениям в циклонах, подкислению океана, изменению количества, состава и интенсивности осадков.

Такое комплексное влияние сульфатных аэрозолей на экосистемы планеты подробно изучается в такой области, как геоинженерия. Например, исследователи предлагают использовать сульфатные аэрозоли для борьбы с глобальным изменением климата, но именно потенциальные побочные эффекты пока удерживают мировое сообщество от внедрения таких методов, хотя исследования продолжаются.

Вулканическая активность подробно рассматривается во всех современных климатических моделях.

Как мы уже отметили выше, помимо антропогенных выбросов парниковых газов, на планете существовали и существуют парниковые газы естественного происхождения, благодаря которым на планете поддерживалась комфортная для современных человечеству экосистем средняя температура. О парниковом эффекте и антропогенном влиянии на него см. выше.

Для оценки и прогнозирования изменений климата используются климатические модели.

В сухом остатке климатическая модель - это набор компьютерного кода на разных языках (Fortran, C, Python) и заданных параметров. Разрабатываются и запускаются эти климатические модели на базе крупных исследовательских центров, большинство из которых расположены на территории США и стран Европы: 

• Met Office Hadley Centre разрабатывает семейство климатических моделей HadGEM3
• Met Office Hadley Centre совместно с Natural Environment Research Council работают над моделью системы Земли UKESM1
• NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory разрабатывает модель системы Земли GFDL ESM2M 
• NCAR разрабатывает модель системы Земли CESM
• Max Planck Institute for Meteorology разрабатывает модель общей циркуляции ECHAM6
• NASA Goddard Institute for Space Studies’ разрабатывает модель общей циркуляции ModelE
• Institut Pierre Simon Laplace Climate Modelling Centre разрабатывает семейство климатических моделей IPSL-CMC

Как мы покажем ниже, все исследовательские центры сотрудничают друг с другом и проводят совместные эксперименты. 

Климатическая модель учитывает все важные для понимания законы и уравнения, описывающие динамику климатических процессов: 

• первый закон термодинамики
• Закон Стефана-Больцмана - закон, описывающий зависимость энергии теплового излучения абсолютно черного тела от его температуры.
• Уравнения Навье-Стокса - система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих движение вязкой жидкости. Помогают рассчитывать скорость, давление, температуру и плотность газов в атмосфере и воды в океане.
• Уравнение Клапейрона-Клаузиуса - описывает теплоту фазового перехода, то есть характеризует взаимосвязь между температурой воздуха и максимальным давлением водяного пара в нём

Также любая климатическая модель характеризуется количеством включенных процессов, а также пространственным и временным разрешением. Чем больше разрешение модели, тем она точнее, с одной стороны, а с другой - требовательнее к вычислительным ресурсам. 

Современные климатические модели накладывают на Землю вертикальную и горизонтальную сетки, что на выходе дает множество ячеек на пересечении сеток. Так как Земля сферической формы, размеры ячеек сетки, основанной на долготе и широте, больше у экватора и меньше у полюсов. Для решения этой проблемы можно использовать другие подходы к построению сетки (кубическая сфера или икосаэдр). Чем больше разрешение, тем больше ячеек меньшего размера содержит модель.

После этого модель может рассчитать состояние климатической системы в каждой ячейке с учётом всех важных параметров (температуры и влажности воздуха, давления, солнечного излучения и т.д). Там, где разрешение модели не позволяет провести расчет, используется параметризация, то есть предварительно заданные, а не расчетные значения. Например, высота поверхности над уровнем моря задается одним значением на ячейку, а значит, какая-то часть информации (перепад высот между горами и равнинами) может теряться. Аналогично параметризуется образование и рассеяние облаков, свойства почвы и т.д. Также параметризация используется, если процесс недостаточно изучен.

Параметризация является одним из основных источников неопределенности в климатических моделях, которая приводит к тому, что модели необходимо калибровать и настраивать.

Источник: GDFL NOAA

Иллюстрация процессов , добавленных в глобальные климатические модели за десятилетия, с середины 1970-х годов, в рамках первых четырех оценочных докладов МГЭИК: первый («FAR») был опубликован в 1990 году, второй («SAR») — в 1995 году, третий («TAR») — в 2001 году и четвёртый («AR4») — в 2007 году. Рисунки 1.2 и 1.4 из IPCC (2007c)

Также, как и с пространственным разрешением, в модели необходимо определить и временное, то есть промежутки времени, для которых модель может рассчитать состояние климатической системы. Чем меньше временной шаг, тем более подробную информацию о климате может предоставить модель, но для этого потребуется больше вычислений для каждой ячейки в сетке. На данный момент компромисс между точностью и затратами на вычисление - временной шаг в 30 минут на горизонте в десятки и даже сотни лет для большинства климатических моделей.

По мере развития информационных технологий климатические модели стали включать в себя все больше и больше процессов. Тем не менее, начиная с 1970-х результаты моделирования климатической системы становились все более точными.

Модели энергетического баланса

Радиационно-конвективные модели

Модели общей циркуляции

Модели системы Земли

Региональные климатические модели

Интегрированные оценочные модели

Результаты климатических моделей

CMIP (Проект взаимного сравнения связанных моделей)