"Позеленіння" Землі прискорює потепління в холодних районах і гальмує в посушливих • Олександр Березін • Новини науки на "Елементи" • Клімат, Науки про Землю

“Позеленіння” Землі прискорює потепління в холодних районах і гальмує в посушливих

Мал. 1. Зміна індексу листкової поверхні (ИЛП) в різних точках земної кулі за 1982-2015 роки. Кольори на карті відповідають процентної шкалою під нею. білим показані ділянки, де рослинність представлена ​​дуже слабо. Зображення © R. Myneni з сайту bu.edu

Європейські кліматологи на чолі з Джованні Форціері (Giovanni Forzieri) з Об'єднаного дослідницького центру Європейської комісії, вивчаючи супутникові знімки, виявили незвичайну зв'язок між позеленінням планети, що йде через глобальне потепління, і зміною середніх температур в зонах посушливого і помірного клімату. У помірному кліматі позеленіння, як і очікувалося, веде до прискорення зростання температур. Несподіваним виявився інший висновок роботи: поширення рослинності в посушливих зонах гальмує там подальше потепління.

В останні роки накопичується все більше фактичних даних про те, що зростання вмісту вуглекислого газу в атмосфері і викликане цим підвищення температур ведуть до так званого "масштабного позеленіння" (widespread greening) – збільшення площі рослинного покриву (див. E. Anagnostou et al., 2016. Changing atmospheric CO2 concentration was the primary driver of early Cenozoic climate, а також новина Зростання концентрації CO2 в атмосфері сприяє збільшенню рослинного покриву, "Елементи", 04.05.2016).У цій роботі було встановлено, що на 25-50% земної суші, покритої рослинністю (дані різняться в залежності від конкретного супутника, оскільки знімки робилися в різний час) збільшується індекс листкової поверхні (ИЛП, або листової індекс; див. Також Leaf Area Index , LAI) – площа листя на одиницю поверхні суші. На менш ніж 4% він, навпаки, падає, причому місця цього падіння збігаються з районами активної вирубки лісів.

Щоб зрозуміти, які чинники відповідають за позеленіння планети, автори цього дослідження 2016 року моделювали процес позеленіння, "посилюючи" або "послаблюючи" в ньому окремі параметри і оцінюючи, як це впливає на збільшення або зменшення інтенсивності моделируемого явища. У модель при цьому були закладені основні впливу, які надає на рослини діяльність людини. В результаті з'ясувалося, що 70% від зафіксованого зростання ИЛП забезпечується зростанням концентрації вуглекислого газу в атмосфері: "вимкнувши" цей параметр, дослідники отримали зниження моделируемого позеленіння на 70%. Механізм такого впливу CO2 в моделі був двояким. По-перше, вуглекислий газ – головний "будівельний матеріал" рослин, так як саме з нього в процесі фотосинтезу будуються органічні молекули.По-друге, його надлишок знижує потребу рослин у воді. Щоб отримати вуглекислий газ з повітря, рослини відкривають продихи. Чим більше CO2, Тим менше потрібна їм поверхню устьиц (див. H. J. de Boer et al., 2011. Climate forcing due to optimization of maximal leaf conductance in subtropical vegetation under rising CO2). Оскільки через устьічниє щілини також йде випаровування води, зменшення їх площі уповільнює втрату вологи. А коли рослини отримують більше двоокису вуглецю, а втрата ними води при диханні падає, вони активніше розростаються і індекс площі листя збільшується.

З даних того ж моделювання (коли автори знову "включали" і "вимикали" ті чи інші фактори і порівнювали підсумки моделируемого "позеленіння") слід, що на 8% за цей процес відповідає зростання середньорічних температур, що дозволяє рослинності просуватися туди, де раніше була тундра. Ще 9% дали азотні добрива, які, після їх внесення, поступово поширюються за межі сільськогосподарських площ. Решта 13% припали на посадки лісів (в основному в КНР і США), скорочення сільгоспугідь та інші фактори. Європейська частина Росії відноситься до регіонів, де позеленіння позначилося найсильніше. Оскільки вплив тих чи інших факторів по країнам не вивчалося, конкретні причини позеленіння для нашої країни вказати складно.

Кліматологи з Об'єднаного дослідницького центру Європейської комісії і Гентського університету (Бельгія) під керівництвом Джованні Форціері (Giovanni Forzieri) вирішили з'ясувати, яким було минуле, фактичний вплив позеленіння планети на глобальне потепління в 1982-2011 роках. Для цього вони взяли супутникові знімки за цей період (масив даних Global Inventory Modeling and Mapping Studies), порівняли зміни ИЛП по різних регіонах світу (рис. 2, A) і таким чином уточнили оцінку своїх колег, зроблену роком раніше.

Мал. 2. А – зміни в індексі площі листя (ИЛП, на графіку LAI) за 1982-2011 роки. B – чутливість локальної середньої температури до ефектів позеленіння, виміряна як відношення середньої денної температури до ИЛП. C – зміни локальної середньої температури в результаті зрушень в ИЛП за 1982-2011 роки. чорними точками виділені райони, де коливання згаданих вище параметрів мають високу статистичну значущість. Зображення з обговорюваної статті вScience, зі змінами

Згідно з результатами роботи групи Форціері, статистично значуще позеленіння спостерігалося на 46% всієї суші, покритої рослинністю (а всього нею вкрите 85% суші).Це значно конкретніше торішньої оцінки (в діапазоні 25-50%), оскільки в тій роботі використовували ще один масив супутникових знімків, які належали до періоду до 2014 року, і пов'язати дані різних років без втрати точності не виходило. Виключивши дані 2011-2014 років, вдалося отримати більш точну оцінку.

статистично значущим називають результат, вірогідність випадкового виникнення якого мала. Як правило, кордоном значущості вважається так званий p-рівень, рівний 0,05. При p-рівні в 0,05 зможе призвести до 5%, що знайдена у вибірці зв'язок між змінними (тут – зростання ИЛП з плином часу) є лише випадковою особливістю даної вибірки. Якщо залежність між змінними на справі відсутній (нульова гіпотеза, в даному випадку – що ИЛП з плином часу не росте), то чекати виявлення такої ж або більш сильної залежності між змінними можна лише в одній з двадцяти вибірок спостережних даних.

Після порівняння зміни ИЛП в різних регіонах планети дані знімків закладали в модель, що описує отримання земною поверхнею тепла у вигляді випромінювання Сонця і його подальшу втрату.Отримується тепло розраховувалося як сума довгохвильового випромінювання Сонця і короткохвильового випромінювання, поглиненого поверхнею Землі (Rα). До втрат відносили інфрачервоне випромінювання, що йде в космос (LWout), Що відчувається (неізотерміческімі) теплоту (H) і приховану (ізотермічну) теплоту (в моделі LE). Прихованої називають теплоту, що поглинається або вивільняється термодинамічної системою без зміни температури в цій системі, наприклад при випаровуванні води (див. Прихована і відчувається теплота). Розрахунок теплового балансу вівся по LWout ≅ Rα – LE – H. LE розраховувався з даних по диханню рослин.

Для обчислення обсягу води, що випаровується рослинами в тих чи інших умовах, використовувалася модель Global Land Evaporation Amsterdam Model Version 2b (GLEAM v2B). Щоб з'ясувати, наскільки відсутність позеленіння змінило б спостерігаються в різних регіонах температури, дані, розраховані за описаною вище схемою, зіставляли з фактичної зафіксованої температурою. Якщо після виключення впливу позеленіння модель не відтворювала спостерігаються температури, автори укладали, що збільшення індексу поверхні листя зумовило або потепління, або похолодання.

Хоча зрушення ИЛП за період спостережень повсюдно змінювали відбивну здатність земної поверхні, наслідки цих змін були різними. У зонах, де середньорічна температура нижче 280 К (6,85 ° C, райони холодного або помірного клімату), поверхня втрачала тепло в основному в основному у вигляді інфрачервоного випромінювання, що йде в космос. Райони інтенсивного позеленіння для холодних регіонів співпали з областями швидшого зростання температур (рис. 2, C). Зокрема, це сталося в Канаді і Центральній Європі.

Як показали розрахунки, це сталося, оскільки суша, покрита рослинністю, відображає сонячне випромінювання значно слабкіше, ніж позбавлена ​​її (менше її LWout). Правда, в Північній Америці і Євразії цей ефект був практично повністю компенсований вирубками і лісовими пожежами (там LWout через це зріс). Без них, згідно з розрахунками, зростання температур в даних районах був би помітно вище. Це не означає, що потепління тут зупинився. За даними дослідження, воно йшло, але вплив позеленіння на нього локально було зведено практично до нуля. Коли в модель закладали зміна клімату в холодних зонах без урахування позеленіння, то зростання середньорічних температур виходив на 9% менше спостережуваного на практиці.З цього автори роблять висновок, що за рахунок тих районів помірного клімату, де вирубок не було, позеленіння посилило поточний потепління в холодних районах на 10%.

Зате там, де середньорічна температура перевищувала 290 К (16,85 ° С, зона жаркого клімату), несподівано велику роль в регіональному тепловому балансі зіграли втрати через приховану теплоту (LE в рамках моделі). Як показали розрахунки авторів, збільшення кількості рослинності, Відстежені по ИЛП, призвело до зростання кількості води, що випаровується рослинами в атмосферу під час дихання. Через це незвично велика частина енергії губилася поверхнею у вигляді прихованої теплоти. Це призвело до помітного регіональному охолодженню поверхні в зонах з жарким кліматом. Особливо сильно це виявлялося в зонах, де зазвичай не так багато опадів, – наприклад, в Австралії і Південній Африці (рис. 2, З).

Розрахований охолоджуючий ефект спрацював в кліматичних зонах, на які припадає 60% всієї наземної рослинності. Хоча йде позеленіння не змогло повсюдно компенсувати глобальне потепління, для зазначених районів воно зменшило зростання середньорічних температур на 14%.Для окремих частин планети воно позначилося особливо сильно. У Південній Африці, на сході Південної Америки і в Австралії між 1982 і 2011 роками позеленіння опускала середньорічну температуру на 0,4 До кожне десятиліття. Можливо, це було пов'язано з помірною кількістю опадів в цих районах. За розрахунками дослідників, ніж опадів менше, тим помітніше в тепловому балансі тієї чи іншої місцевості частка прихованої теплоти, що йде на випаровування води рослинами.

Дослідники відзначають, що в особливо холодні роки в зонах із середньорічною температурою менше 280 К нагріває ефект позеленіння опинявся набагато сильніше, ніж в "звичайні", – аж до 5 разів. У зонах жаркого клімату в особливо теплі роки охолоджуючу дію позеленіння також проявлялося в кілька разів сильніше. Особливо жаркими або особливо холодними автори вважали роки, коли середньорічні температури відхилялися від норми в ту чи іншу сторону більш ніж на 0,5 К. Таким чином, рослинність знижувала коливання температур в роки, коли вони істотно відхилялися від норми.

У планетарному масштабі ці два ефекту позеленіння – "нагріває" і "охолоджуючий" – майже компенсували один одного.Їх сукупна дія знижує температуру поверхні планети (в порівнянні з варіантом без позеленіння) всього на 0,007 До в десятиліття. Найбільш важливий глобальний кліматичний ефект від настання рослинності полягає в тому, що, сприяючи потепління в холодних районах і сповільнюючи його в жаркому кліматі, позеленіння "вирівнює" земний клімат, пом'якшуючи його.

Дослідники не концентрувалися на питанні, звідки в посушливих зонах планети береться вода, яку випаровують освоюють їх рослини. Однак ще в 2016 році було показано, що, згідно зі спостереженнями за останні 60 років, кількість опадів над сушею по всьому світу росте (див. MG Donat et al., 2016. More extreme precipitation in the world's dry and wet regions), оскільки потепління веде до зростання випарів з морської поверхні. Для сухих регіонів Землі зростання становить 1-2% кожне десятиліття. Тобто рослини використовують ту вологу, яка потрапляє в ці райони за рахунок більш інтенсивних дощів.

Нова робота показала, що збільшення площі рослинного покриву, викликане антропогенними викидами вуглекислого газу, прискорило потепління в помірному і холодному кліматі і в той же час уповільнило його в посушливому.Це досить різке відхилення від популярних поглядів, згідно з якими глобальне потепління буде учащати посухи і інтенсивно підвищувати температуру саме в посушливих кліматичних зонах. У більш ранніх роботах робився висновок, що Близький Схід і посушливі тропічні області до кінця століття опиняться на межі непридатності для проживання людей в літній час (див. SC Sherwood and M. Huber, 2010. An adaptability limit to climate change due to heat stress) . Навіть в тих сценаріях розвитку подій, що не передбачають такої непридатності, передбачалося, що потепління призведе до зниження врожаїв (див. J. Hansen and M. Sato, 2016. Regional climate change and national responsibilities). Окремі роботи стверджували, що процес зниження врожаїв і загальної придатності для проживання вже активно йде (див. C. P. Kelley et al., 2014. Climate change in the Fertile Crescent and implications of the recent Syrian drought).

Дані, що з'явилися в останні роки (див. Benjamin D. Stocker et al., 2016. Greening of the Earth and its drivers, а також висвітлюється стаття), показали, що індекс площі листя, як і інтенсивність опадів, активно росте, в тому числі в посушливих зонах (за винятком місць активної вирубки). Однак на більш ранні оцінки вплинув не тільки дефіцит конкретних даних, через який ймовірність зростання пустель розраховувалася на основі моделювання, а не спостережуваних тенденцій, – cвою роль в їх формуванні відіграли і міркування теоретичного характеру.Одним з найважливіших серед них було уявлення про арідізірующей ролі осередків Хедлі.

Осередком Хедлі (рис. 3) називають область замкнутої циркуляції повітряних мас в земній атмосфері, яка відбувається в низьких широтах (від 0 до 30-40 градусів в кожній півкулі). Нагрівся у поверхні екваторіальній зони повітря піднімається на висоту 10-15 кілометрів і рухається до полюсів, після чого поступово охолоджується і опускається до поверхні планети. Водяна пара в ньому при цьому конденсується і випадає у вигляді дощу. В обох півкулях сухе повітря від 30 градуса рухається назад до екватора, але вже не несе з собою опадів. Саме це повітря проходить над тропічними пустелями і відповідальний за брак опадів над ними.

Мал. 3. Осередки Хедлі (масштаб атмосфери не відповідає реальному). Влітку вони розширюються на північ, а взимку відступають на південь. Зображення з сайту continentsandoceans.com

Щоліта осередок Хедлі в кожній півкулі зсувається до свого полюсу. За це відповідає річний ріст температур і більш повільне охолодження повітряних мас при русі до відповідного полюса. Через це кліматологи довгий час вважали, що в міру зростання глобальних температур кордону осередків Хедлі будуть зрушуватися до полюсів, через що в широтах вище 30 градуса почнеться домінування більш сухого повітря,повертається до екватора на малій висоті. Передбачалося, що це викличе широкомасштабний опустелювання. Правда, це слабо стикувалося з тим, що в історії Землі вже були періоди більш теплого клімату, які не супроводжувалися масштабної аридизацією (див. Holocene climatic optimum).

Стефан Крёпелін (Stefan Kröpelin), відомий німецький дослідник Сахари, виходячи зі своїх спостережень африканський пустель і напівпустель, не раз піднімав питання про те, що більш загальні фактори, такі як зростання вмісту вуглекислого газу і зміни випаровуваності, на ділі ведуть до позеленіння посушливих регіонів планети. Як він відзначав, в Сахарі і Сахеле в останні десятиліття в наявності наступ рослинності: вона з'являється там, де її до того не було. Проте подібні спостереження було важко вважати вичерпними, так як вони велися виключно наземними засобами. Серія нових робіт, вперше використовують супутникові знімки всієї земної суші за кілька десятиліть, дає значно повнішу картину, яка підтверджує тези Крёпеліна і суперечить моделям, пророкували, що потепління викличе опустелювання в посушливих регіонах Землі (див. J.Guiot, W. Cramer, 2016, Climate change: The 2015 Paris Agreement thresholds and Mediterranean basin ecosystems).

джерело: Giovanni Forzieri, Ramdane Alkama, Diego G. Miralles, Alessandro Cescatti. Satellites reveal contrasting responses of regional climate to the widespread greening of Earth // Science. 2017. V. 356. I. 6343. P. 1180-1184. DOI: 10.1126 / science.aal1727.

Олександр Березін


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: