ДИПЛОМ 2020 года.. Методика оценки изменений климатических
 Скачать 1.63 Mb.
|
ВВЕДЕНИЕНа сегодняшний день проблема изменения климата является чрезвычайно актуальной. Изменение климата стало одной из популярных тем, обсуждаемых не только мировым сообществом учёных, но и политическими деятелями. Вызывают интерес и направления подобных изменений и причины, их обуславливающие. Климат на планете стремительно изменяется, и отрицать этого не берется ни один ученый. Не вызывает сомнений рост средней по планете температуры воздуха у земли, наблюдаемый в последние десятилетия и называемый в СМИ глобальным потеплением. В качестве причин учёные называют как внешние (циклическая природа солнечной активности, нестабильность параметров орбиты и оси вращения Земли и т.д.), так и внутренние факторы (движения литосферных плит; флуктуации атмосферных и океанических течений; изменение прозрачности атмосферы и её состава в результате вулканической активности; изменение количества тепла в глубинах океана, а также хозяйственная деятельность человека, связанная, прежде всего, с выбросами так называемых парниковых газов в результате сжигания ископаемого топлива [23, 25]. В результате влияния указанных факторов отмечаются различные последствия, которые далеко не исчерпываются ростом температуры воздуха. Температурные вариации приводят к повышению уровня моря, к изменению количества и характера осадков, к увеличению площади пустынь, к отступлению ледников, смещению границ вечной мерзлоты и морских льдов. Кроме того, увеличивается частота и интенсивность климатических аномалий и экстремальных погодных явлений, становятся реальными угрозы для нормального функционирования транспортных сообщений и, прежде всего, авиационных перевозок. При сохранении тенденции к увеличению температуры воздуха (глобальное потепление) возникнет необходимость в создании и усовершенствовании авиационной техники в целях повышения «устойчивости» к более высоким значениям температуры, что обуславливает существенные затраты. Также затраты будут вызваны связаны с необходимостью изменения учебно-материальной базы, учебной программы летчиков, технического состава и устоявшихся программ и методик обеспечения полетов авиации. С учетом вышеизложенного целью настоящей работы является количественная оценка и анализ климатических изменений на Европейской территории России в последние десятилетия, а также выбор метода предсказания ожидаемых изменений температурного режима для создания условий максимальной готовности авиации ВС РФ и других потребителей к изменению температурных характеристик. Для достижения цели работы необходимо решение следующих задач: 1. Выявление антропогенных и иных факторов изменения климата. 2. Анализ температурно-климатических характеристик Европейской территории России на примере Центрально-Черноземного района и Поволжья, а также близких географических регионов. 3. Разработка прогностической физико-статистической модели температуры. Работа состоит из введения, трех глав и заключения. В первой главе рассматриваются современные теории изменения климата, акцентируется внимание на астрономических и иных факторах изменения климата. Во второй главе анализируются климатические характеристики района г. Воронежа, а также Поволжья и Республики Казахстан. Третья глава содержит описание различных подходов к разработке климатических прогнозов на основе современных методов анализа данных, а также результаты оценки экономической полезности разработанного прогноза. В заключении сделаны выводы по результатам работы. 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРИИ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА 1.1. Астрономические и иные факторы изменения климатаКлиматообразующими факторами называют физические механизмы, определяющие внешние воздействия на климатическую систему, а также основные взаимодействия между звеньями климатической системы. Эти факторы делятся на две группы. В первую группу относятся внешние климатообразующие факторы, которые обусловливают энергетические воздействия на климатическую систему извне. Ко второй группе относятся внутренние климатообразующие факторы, характеризующие свойства самой климатической системы.[3]. Внешние факторы также делятся на две группы: Астрономические факторы – светимость Солнца, положение орбиты Земли в Солнечной системе, характеристики орбитального движения Земли, наклон ее оси к плоскости орбиты и скорость вращения вокруг оси. От данных факторов зависит распределение солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы Земли, а также, гравитационное воздействие Солнца и других планет Солнечной системы, а также Луны. Последнее, меняясь во времени, создает приливы и отливы, колебания характеристик орбитального движения и собственного вращения Земли, что в конечном счете приводит к колебаниям энергии, поступающей от Солнца на верхнюю границу атмосферы. Внешнее магнитное поле также играет определенную роль. 2. Факторы геофизические – масса и размер Земли, собственные гравитационное и магнитное поля Земли, внутреннее тепло, определяющее геотермические источники тепла и вулканизм [3, 7]. Ко внутренним климатообразующим факторам относятся состав атмосферы, ее масса, масса и состав океана, особенности распределения суши и океана, структура деятельного слоя суши и океана, рельеф поверхности суши. Обладают ли астрономические и геофизические климатообразующие факторы некоторыми постоянными свойствами физических систем или они изменяются со временем? Ответ зависит в течение которого временного интервала, изучается состояние климатической системы. Например, можно полагать, что при рассмотрении современного климата взаимодействие между звеньями климатообразующей системы происходит в условиях практически неменяющегося действия астрономических и геофизических климатообразующих факторов, но этого нельзя утверждать, если рассматривается динамика климата в течение, например, ближайших 500 млн. лет. Этот промежуток времени по сравнению с временем существования цивилизации является небольшим, если его сравнить с периодом существования Земли как планеты [4, 5]. Планеты Солнечной системы движутся по эллиптическим орбитам. В одном из фокусов такой орбиты находится Солнце. Движение Земли определяется известными законами Кеплера. Эти законы небесной механики можно выразить через некоторые инварианты. Первый из них является законом сохранения момента импульса М, под которым понимается величина
где  – секторальная скорость Земли,  – масса Земли.Момент импульса направлен перпендикулярно плоскости обращения Земли в северное полушарие звездного неба. Второй вариант является законом сохранения эксцентриситета орбиты. Если ввести вектор е, численно равный эксцентриситету и направленный в сторону перигелия, то движение Земли относительно Солнца можно определить следующими условиями:
Данные условия строго выполнялись бы, если бы на планету действовало только притяжение Солнца, но на Землю оказывает воздействие притяжение и других планет Солнечной системы. Так как массы планет сравнительно меньше массы Солнца, их влияние оказывается в виде малых возмущений элементов орбиты Земли, а соответственно, и характеристик орбитального движения. Один из наиболее важных элементов орбиты – эксцентриситет. Как показывают оценки, что характерное время изменения эксцентриситета равно 105 лет [5]. Изменения эксцентриситета непериодические. На рисунке 1.1 показана эволюция угла наклона эксцентриситета (в радианах) плоскости экватора Земли к плоскости ее орбиты за последние 200 тыс. лет.  Рис.1.1. Эволюция эксцентриситета Земли за 200 тыс. лет Соответственно значения эксцентриситета колеблются около 0,028 в пределах от 0,0163 до 0,0658. В настоящее время эксцентриситет орбиты продолжает уменьшаться и равен 0,0167, причем только через 25 тыс. лет минимальное значение его будет достигнуто. Предполагаются и более длительные периоды уменьшения эксцентриситета, до 400 тыс. лет [4, 5]. Солнечной постоянной принято характеризовать количество лучистой энергии Солнца, приходящей на верхнюю границу атмосферы,. Под солнечной постоянной  понимают поток солнечной радиации на верхней границе атмосферы через площадку, перпендикулярную солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца. Следовательно при другом расстоянии поток энергии от Солнца определяется соотношением
где  и  –текущее и среднее расстояние между Землей и Солнцем соответственно [4, 5].Таким образом, изменение эксцентриситета земной орбиты может привести к изменению расстояния между Землей и Солнцем, а следовательно, и количества энергии, поступающей в единицу времени на единичную площадку, перпендикулярную солнечным лучам на верхней границе атмосферы. Не составит труда установить, как зависит разность между потоками солнечной энергии от эксцентриситета для случаев, когда Земля проходит перигелий и афелий орбиты. Расстояние до Солнца при прохождении Земли в перигелии равно
а при прохождении в афелии
Отсюда следует, что в перигелии на единичную площадку проходит количество солнечной энергии, равное
или, с учетом малости эксцентриситета,
Аналогичные вычисления проводят для афелия орбиты:
Следовательно,
Следовательно при изменении эксцентриситета от 0,0007 до 0,0658 величина  меняется от 7 до 26% солнечной постоянной. Соответственно, при малых эксцентриситетах количества солнечной энергии, поступающей на Землю, находящуюся в перигелии или афелии орбиты, различаются незначительно. Эксцентриситет колеблется как правило с периодами около 0,1, 0,425 и 1,2 млн. лет. При наибольшем эксцентриситете в перигелий приходит энергии больше, чем в афелий, на величину, составляющую четверть солнечной постоянной. [1, 2, 11].И Тыс. лет зменение эксцентриситета орбиты Земли не является единственным проявлением возмущающего действия планет Солнечной системы. Наклоном оси вращения Земли к эклиптике, определяется смена времен года. В настоящее время угол между плоскостью экватора и плоскостью эклиптики составляет 23° 26' 30", но его значение меняется от 22 до 24,5° с периодом, равным 41 тыс. лет (кроме того, обнаружены и другие периоды, около 200 тыс. лет). Это будет означать, что широты тропиков и полярных кругов колеблются в пределах 2,5°, но наиболее существенным проявлением гравитационных возмущений наряду с изменением эксцентриситета орбиты, является прецессия земной оси относительно перпендикуляра к эклиптике. На рисунке 1.2 показаны изменения угла наклона земной оси за последние 500 тыс. лет [3, 7].  Рис.1.2. Изменение параметров наклона оси Земли за последние 500 тысяч лет Период прецессии земной оси составляет приблизительно 26 000 лет. Прецессия - медленное движение оси вращения Земли по круговому конусу. Прецессия земной оси приводит к взаимному изменению положения точек зимнего и летнего солнцестояния относительно перигелия орбиты. Период, с которым повторяется взаимное положение перигелия орбиты и точки зимнего солнцестояния, равен 21 тыс. лет, в 1250 г., перигелий орбиты совпадал с точкой зимнего солнцестояния. Теперь Земля проходит перигелий 4 января, а зимнее солнцестояние осуществляется 22 декабря. Разница между ними составляет 13 сут. или 12°65'. Следующее совпадение перигелия с точкой зимнего солнцестояния произойдёт через 20 тыс. лет, а предыдущее было 22 тыс. лет назад. Однако между указанными событиями с перигелием совпадала точка летнего солнцестояния. Это происходило 11,2, 33,2 и т. д. тыс. лет назад. При малых эксцентриситетах положение точек летнего и зимнего солнцестояния относительно перигелия орбиты, как уже было сказано, не приводит к существенному изменению количества тепла, поступающего на землю в течение зимнего и летнего сезонов. Картина резко меняется, если эксцентриситет орбиты оказывается большим, например 0,06. Таким эксцентриситет был 230 тыс. лет назад и будет через 620 тыс. лет [3, 7]. При больших эксцентриситетах Земля является частью орбиты, где требуется количество солнечной энергии, а также скорость, с которой происходит вытяжка орбиты через точку весеннего равноденствия в афелию - медленно, долго находясь в большом удалении от Солнца. Если в это время и наступит точка зимнего солнцестояния, то в течение ближайшего полушария будет наблюдаться короткая зима и долгое лето, в южном полушарии - короткое теплое лето и долгая холодная зима. Если орбиты будут совпадать с точкой летнего солнца-стояния, то в северном полушарии будет наблюдаться жаркое лето и длилась холодная зима, а в южном - наоборот. Длительное прохладное и влажное лето является благоприятным фактором для роста ледников в полушариях, где сосредоточена основная часть суши. Таким образом, существующее влияние на условия изменения климата вызывает изменение количества солнечной энергии, вызванной малыми гравитационными возмущениями рассмотренными выше астрономическими факторами [1, 2, 11]. Однако существенное влияние оказывают климатические факторы. |
,
.
. 
.
.