Обычно изменение климата описывает глобальное потепление —
продолжающееся повышение средней глобальной температуры — и его
влияние на климатическую систему Земли. Изменение климата в
более широком смысле также включает предыдущие долгосрочные
изменения климата Земли. Нынешний рост средней глобальной
температуры происходит быстрее, чем предыдущие изменения, и в
первую очередь вызван тем, что люди сжигают ископаемое топливо.
Использование ископаемых видов топлива, вырубка лесов и
некоторые сельскохозяйственные и промышленные методы увеличивают
выбросы парниковых газов, особенно двуокиси углерода и метана.
Парниковые газы поглощают часть тепла, которое излучает Земля
после нагревания солнечным светом. Большие количества этих газов
удерживают больше тепла в нижних слоях атмосферы Земли, вызывая
глобальное потепление.
Из-за изменения климата пустыни
расширяются, а жара и лесные пожары становятся все более
частыми. Увеличение потепления в Арктике способствовало таянию
вечной мерзлоты, отступлению ледников и потере морского льда.
Более высокие температуры также вызывают более сильные штормы,
засухи и другие экстремальные погодные явления. Быстрые
изменения окружающей среды в горах, коралловых рифах и Арктике
вынуждают многие виды переселяться или вымирать. Даже если
усилия по минимизации будущего потепления увенчаются успехом,
некоторые эффекты будут сохраняться веками. К ним относятся
нагревание океана, закисление океана и повышение уровня моря.
Изменение климата угрожает людям нехваткой продовольствия и
воды, учащением наводнений, сильной жарой, увеличением числа
болезней и экономическими потерями. Миграция людей и конфликты
также могут быть результатом. Всемирная организация
здравоохранения (ВОЗ) называет изменение климата самой большой
угрозой глобальному здоровью в 21 веке. Сообщества могут
адаптироваться к изменению климата с помощью таких усилий, как
защита береговой линии или расширение доступа к
кондиционированию воздуха, но некоторые последствия неизбежны.
На более бедные страны приходится небольшая доля глобальных
выбросов, но они имеют наименьшие возможности для адаптации и
наиболее уязвимы к изменению климата.
Многие последствия
изменения климата уже ощущаются при нынешнем уровне потепления
на 1,2 ° C (2,2 ° F). Дополнительное потепление усилит эти
воздействия и может спровоцировать переломные моменты, такие как
таяние ледяного щита Гренландии. В соответствии с Парижским
соглашением 2015 года страны коллективно согласились
поддерживать потепление «значительно ниже 2 ° C». Однако с
учетом обязательств, данных в соответствии с Соглашением, к
концу века глобальное потепление все равно достигнет примерно
2,7 ° C (4,9 ° F). Ограничение потепления до 1,5 °C потребует
сокращения вдвое выбросов к 2030 году и достижения нулевого
уровня выбросов к 2050 году.
Сокращение выбросов требует
производства электроэнергии из низкоуглеродных источников, а не
сжигания ископаемого топлива. Это изменение включает поэтапный
отказ от электростанций, работающих на угле и природном газе,
значительное увеличение использования ветра, солнца и других
видов возобновляемой энергии, а также сокращение потребления
энергии. Электроэнергия, вырабатываемая из источников, не
выбрасывающих углерод, должна будет заменить ископаемое топливо
для питания транспорта, обогрева зданий и эксплуатации
промышленных объектов. Углерод также можно удалить из атмосферы,
например, за счет увеличения лесного покрова и ведения сельского
хозяйства с использованием методов, улавливающих углерод из
почвы.
До 1980-х годов, когда было неясно, сильнее ли
согревающий эффект увеличения количества парниковых газов, чем
охлаждающий эффект переносимых по воздуху твердых частиц в загрязнении
воздуха, ученые использовали термин непреднамеренное изменение климата
для обозначения воздействия человека на климат.
В 1980-х годах
термины глобальное потепление и изменение климата стали более
распространенными. Хотя эти два термина иногда используются
взаимозаменяемо, с научной точки зрения глобальное потепление относится
только к усилению поверхностного потепления, в то время как изменение
климата описывает совокупность изменений в климатической системе Земли.
Глобальное потепление, использовавшееся еще в 1975 году, стало более
популярным после того, как климатолог НАСА Джеймс Хансен использовал его
в своих показаниях в Сенате США в 1988 году. С 2000-х годов увеличилось
использование климатических изменений. Изменение климата также может
более широко относиться как к изменениям, вызванным деятельностью
человека, так и к естественным изменениям на протяжении всей истории
Земли.
Различные ученые, политики и средства массовой информации
теперь используют термины климатический кризис или климатическая
чрезвычайная ситуация, чтобы говорить об изменении климата и глобальном
потеплении вместо глобального потепления.
Несколько независимых наборов инструментальных данных
показывают, что климатическая система нагревается. Десятилетие 2011–2020
годов потеплело в среднем на 1,09 °C [0,95–1,20 °C] по сравнению с
доиндустриальным базовым уровнем (1850–1900 годы). Температура
поверхности повышается примерно на 0,2 °C за десятилетие, а к 2020 году
она достигнет температуры на 1,2 °C выше, чем в доиндустриальную эпоху.
С 1950 года количество холодных дней и ночей уменьшилось, а количество
теплых дней и ночей увеличилось.
Между 18 веком и серединой 19
века было небольшое чистое потепление. Климатическая информация за этот
период поступает из климатических косвенных данных, таких как деревья и
ледяные керны. Записи термометров начали обеспечивать глобальный охват
примерно в 1850 году. Исторические модели потепления и похолодания,
такие как средневековая климатическая аномалия и малый ледниковый
период, не происходили одновременно в разных регионах. Температуры,
возможно, достигли таких же высоких значений, как в конце 20-го века в
ограниченном наборе регионов. Были доисторические эпизоды глобального
потепления, такие как палеоцен-эоценовый тепловой максимум. Однако
наблюдаемое в настоящее время повышение температуры и концентрации CO2
было настолько быстрым, что даже внезапные геофизические события в
истории Земли не приближаются к нынешним темпам.
Свидетельства
потепления, полученные в результате измерений температуры воздуха,
подкрепляются широким спектром других наблюдений. Например,
прогнозировались и наблюдались изменения естественного круговорота воды,
такие как увеличение частоты и интенсивности сильных осадков, таяние
снега и материкового льда и повышение влажности воздуха. Флора и фауна
также ведут себя в соответствии с потеплением; например, растения весной
зацветают раньше. Еще одним ключевым показателем является охлаждение
верхних слоев атмосферы, которое демонстрирует, что парниковые газы
удерживают тепло вблизи поверхности Земли и не позволяют ему излучаться
в космос.
Регионы мира нагреваются с разной скоростью. Эта
картина не зависит от того, где выбрасываются парниковые газы, потому
что газы сохраняются достаточно долго, чтобы распространяться по
планете. С доиндустриального периода средняя приземная температура над
сушей росла почти в два раза быстрее, чем глобальная средняя приземная
температура. Это связано с большей теплоемкостью океанов и с тем, что
океаны теряют больше тепла при испарении. Тепловая энергия в глобальной
климатической системе росла с короткими перерывами по крайней мере с
1970 года, и более 90% этой дополнительной энергии хранится в океане.
Остальное нагрело атмосферу, растопило лед и нагрело континенты.
Северное полушарие и Северный полюс нагревались намного быстрее, чем
Южный полюс и Южное полушарие. В Северном полушарии не только гораздо
больше суши, но и больше сезонного снежного покрова и морского льда.
Поскольку после таяния льда эти поверхности из отражающих много света
становятся темными, они начинают поглощать больше тепла. Местные
отложения черного углерода на снегу и льду также способствуют потеплению
в Арктике. Температуры в Арктике растут более чем в два раза быстрее,
чем в остальном мире. Таяние ледников и ледяных щитов в Арктике нарушает
циркуляцию океана, в том числе ослабление Гольфстрима, что еще больше
меняет климат.
Климатическая система сама испытывает различные циклы,
которые могут длиться годами (например, Эль-Ниньо–Южное колебание
(ЭНЮК)), десятилетиями или даже веками. Другие изменения вызваны
дисбалансом энергии, которая является «внешней» по отношению к
климатической системе, но не всегда внешней по отношению к Земле.
Примеры внешних воздействий включают изменения концентрации парниковых
газов, солнечной светимости, извержения вулканов и изменения орбиты
Земли вокруг Солнца.
Чтобы определить вклад человека в изменение
климата, необходимо исключить известную внутреннюю изменчивость климата
и естественные внешние воздействия. Ключевой подход состоит в том, чтобы
определить уникальные «отпечатки пальцев» для всех потенциальных причин,
а затем сравнить эти «отпечатки пальцев» с наблюдаемыми закономерностями
изменения климата. Например, солнечное воздействие можно исключить как
основную причину. Его отпечаток согреет всю атмосферу. Тем не менее,
только нижние слои атмосферы нагрелись, что согласуется с воздействием
парниковых газов. Атрибуция недавнего изменения климата показывает, что
основной движущей силой является повышенное содержание парниковых газов,
при этом аэрозоли оказывают демпфирующее действие.
Парниковые газы прозрачны для солнечного света и,
таким образом, позволяют ему проходить через атмосферу и нагревать
поверхность Земли. Земля излучает его в виде тепла, а парниковые газы
поглощают часть его. Это поглощение замедляет скорость выхода тепла в
космос, задерживая тепло у поверхности Земли и со временем нагревая ее.
До промышленной революции из-за природного количества парниковых газов
воздух у поверхности был примерно на 33 ° C теплее, чем он был бы в их
отсутствие. Хотя водяной пар (~ 50%) и облака (~ 25%) вносят наибольший
вклад в парниковый эффект, они увеличиваются в зависимости от
температуры и, следовательно, являются обратными связями. С другой
стороны, концентрации таких газов, как CO2 (~20%), тропосферный озон,
фреоны и закись азота, не зависят от температуры и, следовательно,
являются внешними воздействиями.
Деятельность человека после
промышленной революции, в основном добыча и сжигание ископаемого топлива
(уголь, нефть и природный газ), увеличила количество парниковых газов в
атмосфере, что привело к радиационному дисбалансу. В 2019 году
концентрации CO2 и метана увеличились примерно на 48% и 160%
соответственно с 1750 года. Эти уровни CO2 выше, чем когда-либо за
последние 2 миллиона лет. Концентрации метана намного выше, чем за
последние 800 000 лет.
Глобальные антропогенные выбросы
парниковых газов в 2019 году были эквивалентны 59 миллиардам тонн CO2.
Из этих выбросов 75 % приходится на CO2, 18 % — на метан, 4 % — на
закись азота и 2 % — на фторированные газы. Выбросы CO2 в основном
происходят в результате сжигания ископаемого топлива для производства
энергии для транспорта, производства, отопления и электричества.
Дополнительные выбросы CO2 связаны с вырубкой лесов и промышленными
процессами, включая выбросы CO2 в результате химических реакций при
производстве цемента, стали, алюминия и удобрений. Выбросы метана
происходят от животноводства, навоза, выращивания риса, свалок, сточных
вод и добычи угля, а также добычи нефти и газа. Выбросы закиси азота в
основном происходят в результате микробного разложения удобрений.
Несмотря на вклад обезлесения в выбросы парниковых газов,
поверхность земли, особенно ее леса, остаются значительным поглотителем
углерода для CO2. Поверхностные стоковые процессы, такие как фиксация
углерода в почве и фотосинтез, удаляют около 29% ежегодных глобальных
выбросов CO2. Океан также служит значительным поглотителем углерода
благодаря двухступенчатому процессу. Во-первых, CO2 растворяется в
поверхностных водах. После этого опрокидывающая циркуляция океана
распределяет его глубоко вглубь океана, где он накапливается с течением
времени в рамках углеродного цикла. За последние два десятилетия Мировой
океан поглотил от 20 до 30% выбрасываемого CO2.
Загрязнение воздуха в виде аэрозолей влияет на климат
в больших масштабах. Аэрозоли рассеивают и поглощают солнечное
излучение. С 1961 по 1990 годы наблюдалось постепенное уменьшение
количества солнечного света, достигающего поверхности Земли. Это явление
широко известно как глобальное затемнение и связано с аэрозолями,
образующимися в результате пыли, загрязнения и сжигания биотоплива и
ископаемого топлива. Во всем мире количество аэрозолей сокращается с
1990 года из-за контроля загрязнения, а это означает, что они больше не
маскируют потепление парниковыми газами.
Аэрозоли также косвенно
влияют на радиационный баланс Земли. Сульфатные аэрозоли действуют как
ядра конденсации облаков и приводят к образованию облаков, в которых
больше и меньше облачных капель. Эти облака отражают солнечную радиацию
более эффективно, чем облака с меньшим количеством капель большего
размера. Они также уменьшают рост капель дождя, что делает облака более
отражающими падающий солнечный свет. Косвенное воздействие аэрозолей
является самой большой неопределенностью в радиационном воздействии.
В то время как аэрозоли обычно ограничивают глобальное потепление,
отражая солнечный свет, черный углерод в саже, попадающей на снег или
лед, может способствовать глобальному потеплению. Это не только
увеличивает поглощение солнечного света, но также увеличивает таяние и
повышение уровня моря. Ограничение новых залежей черного углерода в
Арктике может снизить глобальное потепление на 0,2 °C к 2050 году.
Люди изменяют поверхность Земли в основном для
создания большего количества сельскохозяйственных угодий. Сегодня
сельское хозяйство занимает 34 % площади суши Земли, при этом 26 %
составляют леса, а 30 % непригодны для проживания (ледники, пустыни и т.
д.). Площадь лесных угодий продолжает сокращаться, что является основным
изменением в землепользовании, вызывающим глобальное потепление. Вырубка
лесов высвобождает CO2, содержащийся в деревьях, когда они уничтожаются,
а также не позволяет этим деревьям поглощать больше CO2 в будущем.
Основными причинами обезлесения являются: постоянное изменение
землепользования с леса на сельскохозяйственные угодья, производящие
такие продукты, как говядина и пальмовое масло (27%), вырубка леса для
производства лесной продукции (26%), краткосрочное сменное земледелие
(24%). и лесные пожары (23%).
Тип растительности в регионе влияет
на местную температуру. Он влияет на то, сколько солнечного света
отражается обратно в космос (альбедо) и сколько тепла теряется при
испарении. Например, переход от темного леса к лугу делает поверхность
светлее, заставляя ее отражать больше солнечного света. Вырубка лесов
также может влиять на температуру, изменяя выброс химических соединений,
влияющих на облака, и изменяя характер ветра. В тропических и умеренных
зонах результирующий эффект должен вызвать значительное потепление, в то
время как на более близких к полюсам широтах усиление альбедо (поскольку
лес заменяется снежным покровом) приводит к эффекту охлаждения. По
оценкам, в глобальном масштабе эти эффекты привели к небольшому
похолоданию, в основном за счет увеличения альбедо поверхности.
Поскольку Солнце является основным источником энергии
Земли, изменения в поступающем солнечном свете напрямую влияют на
климатическую систему. Солнечное излучение измерялось непосредственно
спутниками, а косвенные измерения доступны с начала 1600-х годов. Не
было тенденции к увеличению количества солнечной энергии, достигающей
Земли.
Взрывные извержения вулканов представляют собой крупнейшее
естественное воздействие за всю индустриальную эпоху. Когда извержение
достаточно сильное (двуокись серы достигает стратосферы), солнечный свет
может быть частично перекрыт на пару лет. Температурный сигнал длится
примерно в два раза дольше. В индустриальную эпоху вулканическая
активность оказала незначительное влияние на глобальные температурные
тренды. Современные вулканические выбросы CO2 эквивалентны менее чем 1%
текущих антропогенных выбросов CO2.
Физические модели климата не
могут воспроизвести быстрое потепление, наблюдавшееся в последние
десятилетия, если принимать во внимание только колебания солнечной
активности и вулканической активности. Дополнительные доказательства
того, что парниковые газы вызывают глобальное потепление, получены из
измерений, которые показывают потепление нижних слоев атмосферы
(тропосферы) в сочетании с охлаждением верхних слоев атмосферы
(стратосферы). Если бы наблюдаемое потепление было вызвано солнечными
вариациями, нагревались бы и тропосфера, и стратосфера.
Реакция климатической системы на первоначальное
воздействие модифицируется обратными связями: увеличивается за счет
«самоусиливающихся» или «положительных» обратных связей и уменьшается за
счет «уравновешивающих» или «отрицательных» обратных связей. Основными
усиливающими обратными связями являются обратная связь водяного пара,
обратная связь лед-альбедо и суммарный эффект облаков. Основным
механизмом уравновешивания является радиационное охлаждение, поскольку
поверхность Земли отдает больше тепла в космос в ответ на повышение
температуры. В дополнение к температурным обратным связям в углеродном
цикле существуют обратные связи, такие как удобряющий эффект CO2 на рост
растений. Неопределенность в отношении обратных связей является основной
причиной того, что разные климатические модели предсказывают разные
величины потепления для данного количества выбросов.
Когда воздух
нагревается, он может удерживать больше влаги. Водяной пар, как мощный
парниковый газ, удерживает тепло в атмосфере. Если облачный покров
увеличится, больше солнечного света будет отражаться обратно в космос,
охлаждая планету. Если облака становятся выше и тоньше, они действуют
как изолятор, отражая тепло снизу вниз и нагревая планету. Влияние
облаков является крупнейшим источником неопределенности обратной связи.
Другой важной обратной связью является сокращение снежного покрова и
морского льда в Арктике, что снижает отражательную способность
поверхности Земли. В настоящее время в этих регионах поглощается больше
солнечной энергии, что способствует усилению температурных изменений в
Арктике. Усиление Арктики также приводит к таянию вечной мерзлоты, что
приводит к выбросу метана и CO2 в атмосферу. Изменение климата также
может вызвать выбросы метана из водно-болотных угодий, морских и
пресноводных систем. В целом ожидается, что обратная связь с климатом
будет становиться все более положительной.
Около половины
антропогенных выбросов CO2 поглощается наземными растениями и океанами.
На суше повышенный уровень CO2 и удлиненный вегетационный период
стимулировали рост растений. Изменение климата усиливает засухи и
аномальную жару, которые препятствуют росту растений, что делает
неясным, будет ли этот поглотитель углерода продолжать расти в будущем.
Почвы содержат большое количество углерода и могут выделять некоторое
его количество при нагревании. По мере того как океан поглощает больше
CO2 и тепла, он закисляется, его циркуляция изменяется, и фитопланктон
поглощает меньше углерода, уменьшая скорость, с которой океан поглощает
атмосферный углерод. В целом, при более высоких концентрациях CO2 Земля
будет поглощать уменьшенную долю наших выбросов.