Изменението на климата — урок по география

1. Климатът винаги се е менял

Климатът е средното време за десетилетия (повече в урока Климатите на Земята). Той се е менял много пъти: преди около 50 милиона години в Канадската Арктика са живели алигатори, а край Антарктида са растели палми, а преди около 20 000 години лед с дебелина над 2 km е покривал Скандинавия и Канада. Термометри има едва от около 300 години. За по-старите времена учените четат климатични архиви – природни записи, които се трупат слой по слой и пазят следи от тогавашния климат. Науката за климата в миналото е палеоклиматологията, а самият минал климат – палеоклимат.

Архив	Колко назад	Какво казва
Ледени ядки	до около 800 000 г.	състав на въздуха (CO₂, CH₄) в мехурчетата, температура по изотопите на кислорода и водорода, вулканичен прах
Морски седименти	десетки милиони години	изотопи на кислорода в черупките на фораминиферите (обем на ледовете и температура на водата)
Годишни пръстени на дърветата	около 10 000 г.	дебелината и плътността на пръстена – топло или студено, сухо или влажно лято
Полени в езерни утайки	стотици хиляди години	кои растения са растели наоколо – гора, степ или тундра
Корали и сталагмити	стотици хиляди години	изотопи и примеси, натрупани слой по слой, датирани по разпада на урана

Най-ценни са ледените ядки – цилиндри лед, пробити до 3 km дълбочина. Снегът, който се уплътнява до лед, затваря мехурчета въздух – истински проби от древната атмосфера. Температурата пък се чете по : водните молекули с тежкия кислород $^{18}\mathrm{O}$ се изпаряват по-трудно и кондензират по-лесно, затова колкото по-студено е, толкова по-малко от тях стигат с облаците до Антарктида. Отношението на $^{18}\mathrm{O}$ към $^{16}\mathrm{O}$ в леда е своеобразен термометър.

Пример

Ядката от станция Восток показва, че в най-студените части на ледниковите периоди CO₂ е бил около 180 ppm, а в топлите междуледникови – около 280 ppm. Какво следва от това, че двете криви – на температурата и на CO₂ – вървят заедно?

Леко затопляне, предизвикано от орбитата, кара океана да отделя CO₂ (топлата вода разтваря по-малко газ).
Повече CO₂ засилва парниковия ефект и затоплянето продължава – CO₂ работи като усилвател на първоначалния тласък.
Затова в миналото CO₂ понякога изостава от температурата, а днес я изпреварва: сега първо расте CO₂ – от горивата.

2. Ледниковите цикли и Миланкович

През последните около 800 000 години с продължителност от около 90 000 години се сменят с по-кратки топли междуледникови периоди от 10 000–30 000 години. Сега живеем в такъв – холоцена, започнал преди около 11 700 години. В разгара на последния ледников период (преди около 20 000 години) Земята е била средно с около 5–7 °C по-студена, а морското равнище – с около 120 m по-ниско (виж урока Външни сили и релеф).

Сръбският учен Милутин Миланкович изчислява на ръка през 1920–1941 г. как орбитата на Земята бавно се мени под притеглянето на другите планети. Самите движения на Земята са обяснени в урока Движение на Земята.

О

Цикли на Миланкович

Ексцентрицитет – орбитата е ту почти кръгова, ту по-издължена (

e

от около 0 до 0,06; днес 0,0167), с период около 100 000 и 400 000 години. Наклон на земната ос – между 22,1° и 24,5° (днес 23,44°) за около 41 000 години. Прецесия – оста описва конус и сезонът, в който Земята минава през перихелия, обикаля цялата година за около 19 000–23 000 години.

Общото количество слънчева енергия за година почти не се мени. Мени се как тя се разпределя по сезони и ширини. Ключово е лятото на около 65° с.ш., където са били ледените щитове на Северна Америка и Европа: ако лятото е хладно, част от зимния сняг оцелява и година след година ледът нараства. Белият лед отразява повече светлина и охлажда още. Днес Земята минава през около 3 януари, т.е. през северната зима – затова северното лято е малко по-хладно, отколкото преди 11 000 години.

Циклите тук са чисти синусоиди, а ледът – прост модел, в който той нараства бавно и се топи бързо. Истинските орбитални промени са по-сложни.

хил. г.0

e0,0167наклон23,44°перихелийянуариинсолация478 W/m²спрямо днес+0 W/m²

Лятното слънце е близо до днешното. Изключи цикъл, за да видиш какво допринася той.

През 1976 г. изследване на морски седименти потвърждава, че в записа наистина има периоди от около 100 000, 41 000 и 23 000 години. Орбиталният тласък обаче е слаб – цялата разлика между ледников и междуледников период идва от усилването му от леда, CO₂ и океана. Защо преобладават циклите от 100 000 години, макар да влияе най-слабо, учените още обсъждат.

3. Въглеродният диоксид и въглеродният цикъл

Как въглеродът обикаля между въздуха, океана, растенията и скалите и кои газове са парникови, е обяснено в урока Химия на околната среда. Тук ни интересуват количествата. В атмосферата има около 870 милиарда тона (Gt) въглерод, в растенията – около 450, в почвите – около 1700, във вечно замръзналите почви на Сибир и Канада – около 1400, а в океана – около 38 000 Gt.

Т

Колко CO₂ е 1 ppm

1\ \mathrm{ppm\ CO_2} \approx 2{,}12\ \mathrm{Gt\ C} \approx 7{,}8\ \mathrm{Gt\ CO_2}

. Годишните емисии са около 40 Gt CO₂ (горива, цимент, изсичане на гори). От тях около 45% остават във въздуха, около една четвърт поема океанът и около 30% – растенията и почвите на сушата.

От 1958 г. концентрацията на CO₂ се мери непрекъснато. Кривата на Кийлинг има две части: дълъг възходящ тренд и годишен „зъб“. Защо зъбът е различен в Аляска и на Южния полюс?

Кривата е модел – тренд по годишните средни от Мауна Лоа и сезонен ход с размах, близък до измерения на станцията.

година2024

средно 2024 г.425,2 ppmприраст2,55 ppm/год.във въздуха+19,8 Gt CO₂/год.сезонен размах6,5 ppm

Максимумът е през май, минимумът – в края на лятото: през лятото горите на северните континенти поглъщат CO₂, а през зимата гниенето го връща.

Как знаем, че допълнителният CO₂ е от горивата, а не от вулканите или океана? Първо, вулканите изпускат под 1 Gt CO₂ годишно – около сто пъти по-малко от хората. Второ, океанът поглъща CO₂, а не го отделя – затова той се подкислява. Трето, въглеродът от въглищата и нефта е много стар и в него няма $^{14}\mathrm{C}$ , а и съдържа по-малко тежък $^{13}\mathrm{C}$ – и точно тези два изотопа намаляват във въздуха. Метанът също расте: от около 0,72 преди индустриалната епоха до около 1,9 ppm днес.

4. Радиационно въздействие и чувствителност на климата

Енергийният баланс на Земята и простият модел на са в урока Атмосферата и топлинният баланс. Когато добавим CO₂, Земята известно време излъчва в космоса по-малко, отколкото поглъща от Слънцето. Тази разлика в W/m² се нарича радиационно въздействие. Колкото повече CO₂ има, толкова по-малко действа всяка следваща порция – ивиците, в които той поглъща, вече са почти наситени. Затова въздействието расте с на концентрацията.

Т

Въздействие на CO₂

\Delta F \approx 5{,}35 \ln\dfrac{C}{C_0}\ \mathrm{W/m^2}

, където

C_0 \approx 280\ \mathrm{ppm}

е концентрацията преди индустриалната епоха. Всяко удвояване добавя около

3{,}7\ \mathrm{W/m^2}

.

Ако нищо друго не се промени, по-топлата Земя излъчва повече – около 3,2 W/m² на всеки градус. Тогава удвояването на CO₂ би затоплило Земята само с около $3{,}7 / 3{,}2 \approx 1{,}2\ ^\circ\mathrm{C}$ . Но затоплянето променя и други неща – това са климатичните обратни връзки:

Водна пара (+) – топлият въздух задържа около 7% повече пара на градус, а тя е най-силният . Това е най-силната усилваща обратна връзка.
Лед и албедо (+) – топи се лед и сняг, тъмната вода и земя поглъщат повече светлина. Затова Арктика се затопля между два и четири пъти по-бързо от средното за Земята (според различни оценки) – това е арктическото усилване.
Облаци (вероятно +) – най-голямата неизвестна: ниските облаци охлаждат, високите затоплят.
Вечно замръзналите почви (+) – при размразяване органичното вещество гние и отделя CO₂ и метан.
Излъчването на по-топлата Земя (−) – основната стабилизираща връзка, без която климатът би „избягал“.

Т

Усилване от обратните връзки

\Delta T = \dfrac{\Delta T_0}{1 - f}

, където

\Delta T_0

е затоплянето без обратни връзки, а

f

– каква част от него обратните връзки добавят отново. При

f = 0{,}6

усилването е 2,5 пъти: от 1,2 °C до 3 °C.

Затоплянето в равновесие при удвояване на CO₂ се нарича равновесна чувствителност на климата $\Delta T_{2\times}$ . По оценка на IPCC (2021 г.) тя е най-вероятно около 3 °C и вероятно е между 2,5 и 4 °C. Оценката идва от три независими пътя – физиката на обратните връзки, измерванията от последните 150 години и палеоклимата (например колко по-студено е било при 180 ppm в ледниковия период).

Пример

CO₂ се е покачил от 280 до 420 ppm. Колко е въздействието само от CO₂ и с колко би се затоплила Земята в равновесие при ΔT₂ₓ = 3 °C?

$\Delta F = 5{,}35 \ln\frac{420}{280} = 5{,}35 \ln 1{,}5 \approx 2{,}17\ \mathrm{W/m^2}$
Удвояването дава $3{,}71\ \mathrm{W/m^2}$ и 3 °C, значи $\Delta T = 3 \cdot \frac{2{,}17}{3{,}71} \approx 1{,}75\ ^\circ\mathrm{C}$ .
Наблюдаваното затопляне е по-малко (около 1,2 °C), защото океанът още се затопля, а аерозолите от замърсяването отчасти охлаждат. Метанът и другите газове пък добавят.

5. Какво вече се е променило

По оценка на IPCC десетилетието 2011–2020 г. е било с около 1,1 °C по-топло от периода 1850–1900 г. – над сушата с около 1,6 °C, над океана с около 0,9 °C. Затоплянето продължава: по данни на Световната метеорологична организация 2024 г. е първата календарна година, в която средната температура е около 1,5 °C над прединдустриалната. Целта от Париж обаче се отнася за средно за 20 години, така че една година още не означава, че е пропусната. Почти цялото затопляне според IPCC се дължи на човешката дейност.

Морското равнище се е покачило с около 20 cm от 1901 до 2018 г. Скоростта е нараснала от около 1,3 до около 3,7 mm годишно.
Площта на морския лед в Арктика през септември намалява с около 13% на десетилетие от началото на спътниковите измервания през 1979 г.
Планинските ледници почти навсякъде се топят – в Алпите те са загубили голяма част от обема си от средата на XIX век.
Горещите вълни зачестяват, а интензивните стават по-силни – по-топлият въздух носи повече вода.

Покачването на морското равнище има няколко източника. От 1971 до 2018 г. около половината се дължи на топлинното разширение на затоплящия се океан, около една пета – на топенето на планинските ледници, около една пета – на ледените щитове на Гренландия и Антарктида. Топенето на плаващия морски лед почти не покачва морето – той вече измества толкова вода, колкото тежи. Ако се стопи целият лед на Гренландия, морето би се покачило с около 7 m, а на Антарктида – с около 58 m, но това би станало за хилядолетия.

6. Сценарии и въглероден бюджет

Бъдещето зависи от това колко ще изпуснем. IPCC използва сценарии SSP – картини на развитието на света. Числото след тире е въздействието в W/m² през 2100 г.: SSP1-2.6 – бързо намаляване на емисиите до нетна нула през 2070-те години, SSP2-4.5 – продължаване по средния път, SSP5-8.5 – свят, който изгаря все повече горива. Средните оценки на IPCC за 2081–2100 г. са около 1,8 °C, 2,7 °C и 4,4 °C.

Опростен модел с два слоя (горен и дълбок океан). Концентрациите следват приблизително сценариите на IPCC; ΔT₂ₓ е затоплянето в равновесие при удвояване на CO₂.

ΔT₂ₓ3

CO₂ 2100603 ppmΔF 21004,5 W/m²ΔT 20201,2 °CΔT 21002,7 °Cв равновесие3,7 °C

До 2100 г. – около 2,7 °C, но океанът още не е „догонил“: в равновесие биха се стигнали 3,7 °C.

Изненадващо просто правило: затоплянето е почти на сумарното количество изпуснат CO₂ – около 0,45 °C на всеки 1000 Gt CO₂ (вероятно между 0,27 и 0,63). От 1850 до 2019 г. са изпуснати около 2400 Gt. Оттук идва идеята за въглероден бюджет – колко още можем да изпуснем, за да не надминем дадено затопляне.

Т

Въглероден бюджет

\Delta T \approx 0{,}45\ ^\circ\mathrm{C} \cdot \dfrac{E_{\text{сумарно}}}{1000\ \mathrm{Gt\ CO_2}}

. От началото на 2020 г. за 50% шанс затоплянето да остане под 1,5 °C остават около 500 Gt CO₂, а за 67% шанс да остане под 2 °C – около 1150 Gt CO₂ (IPCC, 2021). Затоплянето спира, когато нетните емисии на CO₂ станат нула.

7. Последици, смекчаване и приспособяване

Последиците не са еднакви навсякъде. Средиземноморието, към което климатично принадлежи и България, се затопля по-бързо от средното за планетата и по прогнозите лятото там вероятно ще става по-горещо и по-сухо. За нас това означава повече горещи вълни, засушавания и горски пожари, по-малко сняг в планините и промени в оттока на реките – а оттам и проблеми за земеделието, водоснабдяването и зимния туризъм. Точните местни промени са по-несигурни от глобалните. Последиците за и видовете са разгледани в урока Съобщества и биоразнообразие.

Отговорът има две части. Смекчаването на изменението на климата намалява причината – емисиите: енергия от Слънцето, вятъра, водата и атома вместо от въглища, по-ефективни сгради и транспорт, опазване и възстановяване на горите, улавяне на CO₂. По Парижкото споразумение (2015 г.) страните се стремят затоплянето да остане „доста под 2 °C“ и се опитват да го задържат до 1,5 °C. За 1,5 °C световните емисии на CO₂ трябва да спаднат до нулеви нетни емисии (колкото се изпуска, толкова се поглъща) около 2050 г. Приспособяването към изменението на климата намалява вредите от промените, които вече не можем да избегнем: по-пестеливо напояване и водохранилища, защита на бреговете, планове за горещини, засаждане на по-издръжливи на суша култури и гори.

8. Тренажор

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

B = 500\ \mathrm{Gt},\ E = 25\ \mathrm{Gt/год.}

B е бюджетът, а E – годишните емисии на CO₂. За колко години се изчерпва бюджетът (закръгли до десети)?

9. Климатът в числа

0 / 4

🌋 Кривата от Мауна Лоа

През 1958 г. на вулкана Мауна Лоа е измерено около 315 ppm CO₂, а средното за 2024 г. е около 425 ppm. С колко ppm средно на година е нараствала концентрацията?

🚗 Колата на семейството

Кола изпуска 120 g CO₂ на km и изминава 15 000 km годишно. Колко тона CO₂ изпуска за година? Колко тона от тях остават във въздуха, ако там остават около 45%?

⏳ Бюджетът за 1,5 °C

По оценка на IPCC от началото на 2020 г. човечеството е можело да изпусне още около 500 Gt CO₂, за да има 50% шанс затоплянето да остане под 1,5 °C. За колко години се изчерпва този бюджет при около 40 Gt CO₂ годишно?

🏖️ Плажът през 2100 г.

В периода 2006–2018 г. морското равнище се е покачвало средно с 3,7 mm годишно. С колко сантиметра ще се покачи от 2020 до 2100 г., ако скоростта остане същата?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

10. ⚠️ Чести грешки

Време и климат

✗ Тази зима беше студена – значи затопляне няма.

✓ Една зима е време; климатът е средното за десетилетия, а то расте.

Климатът се е менял и преди

✗ Щом се е менял и без хората, и сега е естествено.

✓ Естествените причини (орбитата, Слънцето, вулканите) днес не обясняват затоплянето; сегашната промяна е десетки пъти по-бърза.

Озоновата дупка

✗ Затоплянето идва от озоновата дупка.

✓ Това са два различни проблема; озоновата дупка пропуска ултравиолетови лъчи, а затоплянето идва от парниковите газове.

Морският лед

✗ Топенето на арктическия лед ще наводни бреговете.

✓ Плаващият лед почти не покачва морето; покачват го разширението на водата и ледът на сушата.

Логаритъмът

✗ Два пъти повече CO₂ – два пъти по-голямо затопляне.

✓ Въздействието расте с логаритъма: всяко удвояване добавя около $\displaystyle 3{,}7\ \mathrm{W/m^2}$ .

Спиране на емисиите

✗ Ако спрем емисиите, климатът веднага ще се върне.

✓ Затоплянето спира, но не се връща – CO₂ остава във въздуха с векове.

11. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Откъде знаем каква е била концентрацията на CO₂ преди 500 000 години?

Избери отговор (или натисни 1–4)

12. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

13. Обобщение

✓ Миналият климат се чете от архиви: ледени ядки, морски седименти, , полени, корали и
✓ Ледниковите цикли се задействат от циклите на Миланкович (около 100 000, 41 000 и 23 000 години) и се усилват от леда и CO₂
✓ CO₂ е нараснал от около 280 до над 420 ppm; около 45% от емисиите остават във въздуха; $1\ \mathrm{ppm} \approx 7{,}8\ \mathrm{Gt\ CO_2}$
✓ $\Delta F \approx 5{,}35 \ln(C/C_0)$ ; удвояването дава около 3,7 W/m²
✓ Обратните връзки (, лед и , облаци) усилват: $\Delta T = \Delta T_0/(1 - f)$ ; равновесната чувствителност е около 3 °C (вероятно 2,5–4 °C)
✓ Досега затоплянето е около 1,1–1,2 °C; морето се е покачило с около 20 cm, главно от разширението на водата и топенето на ледниците
✓ Затоплянето е пропорционално на сумарните емисии – оттук въглеродният бюджет; смекчаването намалява емисиите, приспособяването – вредите

💡 Интересен факт

Още през 1856 г. американката Юнис Фут показва, че съд с CO₂ се нагрява на слънце повече от съд с обикновен въздух. През 1896 г. шведският химик Сванте Арениус, всъщност търсейки причината за ледниковите периоди, изчислява на ръка, че удвояването на CO₂ би затоплило Земята с около 5–6 °C. Арениус смята, че това ще отнеме хилядолетия и дори ще е полезно за северните страни. Сметката му е само около два пъти по-висока от днешната оценка – а при сегашния темп удвояването спрямо 280 ppm би настъпило още през този век.