Изменение поверхности земли человеком

Урок № 4 познание мира : 4 класс

Тема: Изменение поверхности земли человеком.

Тип урока: изучение нового учебного материала.

Вид урока: «Мастерская построения знаний».

Цель: обеспечить усвоение общих представлений об изменении поверхности земли в результате деятельности человека, развивать умение классифицировать факты, делать обобщающие выводы, воспитывать бережное отношение к природе.

Оборудование: иллюстрации, карточки для учащихся, кроссворд, учебник «Познание мира» 4 класс.

Методы и приемы: словесный, наглядный, практический, проблемный, частично – поисковый.

Формы учебной деятельности: индивидуальная, фронтальная, групповая.

1. Организационный момент.

Добрый день. Я рада вас видеть. Я думаю, что каждый из нас рад, когда к нам приходят друзья. К нам сегодня тоже пришли гости, поприветствуем их: «Здравствуйте! Мы Вам рады!»

На части не делится солнце лучистое,

И вечную землю нельзя разделить,

Но искорку счастья луча золотистого

Ты можешь, ты в силах друзьям подарить!

Улыбнемся друг другу, улыбнемся гостям.

1. Изучение нового материала.

1. «Индуктор».

Сегодня мы продолжим работу по теме: «Формы поверхности суши». Мы говорили о том, как природные явления влияют на изменения поверхности земли. Посмотрите внимательно на доску, определите, по какой проблеме мы будем работать сегодня.

Правильно, сегодня мы поговорим о том, как деятельность человека влияет на поверхность земли. Подумаем над тем, кто Человек – покоритель или друг Природы.

1. «Самоконструкция» (индивидуальна работа в тетрадях)

Напишите ассоциации «Виды деятельности человека», влияющие на изменение поверхности земли.

Виды деятельности

распахивание полей добыча полезных

ископаемых

строительство домов орошение полей с рек

1. «Социоконструкция» (работа в парах, группе)

Поменяйтесь тетрадями, посмотрите, что у вас получилось. Дополните. Определите в группе, какой вид деятельности запишите на доске.

(записать на доске)

1. «Социализация».

Подумайте в группах, обсудите вместе по плану о виде деятельности.

1 группа – Добыча полезных ископаемых.

2 группа – Постройка новых домов, городов.

3 группа – Распахивание полей.

4 группа – Орошение полей с рек.

План: 1. Вид деятельности человека.

2. Какие возникают проблемы.

3. Ваши предложения по устранению этих проблем.

Примерные ответы.

1 группа.

1. Добыча полезных ископаемых.

2. Образуются ямы, горы пустой породы, оседает земля. Пыль, загрязнение воздуха, заняты большие площади земли, терриконы иногда загораются, распространяя едкий дым.

3. Засыпать ямы, заполнять водой, засадить растениями, экономит газ.

2 группа.

1. Постройка новых домов, городов.

2. Образуются свалки, уменьшается площадь земли для животных. Пыль, загрязнение воздуха.

3. Приводить в порядок после застройки территории, озеленять.

3 группа.

1. Распахивание полей.

2. Меньше становится площади лесов, лугов, если распахивать земли вдоль склона – стекают воды, образуются овраги (вспахивать только поперек склонов, не распахивать крутые склоны), меньше деревьев.

3. Правильно распахивать, рационально использовать земли.

4 группа.

1. Орошение полей с рек.

2. Мельчают реки, не пополняют моря пресной водой, на высохших участках – пыльные бури, пустыни.

3. Бережное, экономное отношение к водным ресурсам.

1. «Афиширование».

Выступления учащихся по данному плану.

Дополнительный материал.

Не всегда можно изменить и исправить в деятельности человека по отношению к природе.

Трагедия Аральского моря. Это большое озеро называют морем. Совсем недавно оно считалось 4 по площади среди всех озер мира. Оно всегда было неглубоким, средняя глубина – 16 метров. Но все же это было море – с портовыми городами на берегу, судоходством и богатыми рыбными уловами.

Теперь же корабли и сооружения порта Аральск удалены от берега на несколько десятков километров, а с осушенного дна ветер вздымает миллионы тонн соли, унося ее на сотни и тысячи километров. Здесь выпадает очень мало осадков, а горячее южное солнце испаряет в год почти метровый слой воды. Сорок лет назад море получало воду от двух впадающих в него великих среднеазиатских рек Амударьи и Сырдарьи. Но потом этот приток пресной воды с каждым годом стал сокращаться, главным образом из-за разбора воды на орошение полей. И так получилось, что реки перестали доносить свою воду до моря, и его уровень стал очень быстро понижаться, соленость воды увеличилась, площадь озера – моря сократилась почти вдвое, дно стало превращаться в соленую пустыню.

Аральская катастрофа – результат непродуманной хозяйственной деятельности человека, непонимания необходимости бережного отношения к природе, от которого зависит его жизнь и благополучие. Ученые думают над тем как сохранить хотя бы в уменьшенных размерах Аральское море, но задача эта необычайна трудна.

Здесь человек действовал как покоритель, и многое теперь исправить нельзя.

Физминутка.

Мы берёзку посадили,

Мы водой ее полили,

И берёзка подросла,

К солнцу ветки подняла,

А потом их наклонила

И ребят благодарила.

1. «Разрыв» (работа по учебнику «Познание мира»). Работа в группах.

Чтобы пополнить ваш багаж знаний по теме, предлагаю вам поработать с текстом учебника на странице 17-21, по плану:

«Жигсо» (мозаика).

1. Почитайте каждый свою часть.

2. Подчеркните главные (опорные) слова.

3. Соберите текст в группе.

4. Перескажите свою часть товарищам.

1 группа – 1, 2 абзацы

2 группа – 3 абзац

3 группа – 4, 5 абзац

4 группа – 6, 7абзацы.

«Афиширование» пересказ.

По пересказу другие группы подготавливают вопросы по содержанию.

1. Первичная проверка понимания.

Занимаясь хозяйской деятельностью, человек использует поверхность земли, изменяя ее. Что же можно сделать, чтобы не наносить урон природе, не разрывать невидимые нити природы. Составим схему «Рыбий скелет», слева запишем, к чему приводит деятельность человека при добыче полезных ископаемых, а справа, как можно исправить это положение.

Карьер искусственные озера

Террикон террасы

Овраги высадка деревьев

Восстанавливая поверхность земли Человек – друг Природы.

Поверхность надо охранять и беречь так же, как воду и воздух, растения и животные.

Какое участие в бережном отношении к поверхности земли можете принять вы?

«Кроссворд».

Какое отношение должно быть у человека к природе, об этом вы узнаете, когда отгадаете кроссворд. У вас должно получиться ключевое слово по горизонтали.

По вертикали

:

1. В искусственных озерах можно разводить… (рыБ)

2. Горы пустой породы, извлеченной из шахт при добыче угля … (тЕрриконы)

3. Это холмы, которые люди засыпали в древности над могилами. (куРганы)

4. Озеленяя терриконы, их превращают в … (тЕррасы)

5. Терриконы находятся в окрестностях города …(КарагаНда)

6. Открытые карьеры превращают в искусственные … (Озера)

7. Открытые ямы после добычи полезных ископаемых открытым способом (карьЕры)

Какое ключевое слово получилось?

Какое слово вы бы добавили на букву «Ж»? (жизнь)

Бережное — отношение должно быть к земле, планете. От этого зависит наша жизнь, здоровье всех людей.

Вы будущее нашего государства, от нас всех зависит, сможет ли человечество сохранить нашу планету чистой и зеленой. Чтобы мы могли чувствовать только радость и гордость за родную землю.

Человек порожден природой, он ее часть. Когда то он полностью зависел от всего, что его окружало, находился в полном согласии со средой, почти не влияя на ее жизнь, подчиняясь во всем ее власти. Но постепенно он стал высвобождаться от этой зависимости. Люди стали выжигать леса, чтобы высвободить участки земли под посевы. Добывая полезные ископаемые, он срезал до основания горы или выкачивал нефть. Под землей образовывались обширные пустоты, нарушал равновесие земной коры. Заботясь об орошении засушливых земель или получении электроэнергии, он возводил плотины, создавая искусственные водохранилища, меняя направление течения рек. Все это оказалось далеко не безвредным.

Нарушились связи между различными элементами природы. Только сейчас люди стали понимать, что они должны не покорять природу, а найти способ жить в согласии с ней.

1. Итог. Рефлексия.

Над чем заставила задуматься тема нашего урока?

1. Выставление оценок.

1. Домашнее задание.

Напишите мини-сочинение о влиянии человека на окружающую средустр.19-21, читать, пересказывать.

Ресурсы.

«Синквейн». Составим пятистишье на слово «Человек», чтобы в нем отразилась тема нашего урока, работаем в группах.

1 – Человек

2 прилагательных

3 глагола

Предложение

Синоним.

Примерный текст.

Человек

Заботливый, разумный

Использует, изменяет, бережёт

Не нарушает красоту родной земли.

Гражданин

Кроссворд.

					5.К
					а
					р		7.к
					а		а
1.р		3.к			г		р
ы	2.т	у	4.т		а		ь
б	е	р	е	ж	н	6. о	е
	р	г	р		д	з	р
	р	а	р		а	е	ы
	и	н	а			р
	к	ы	с			а
	о		ы
	н
	ы

За 250 лет человек изменил Землю до неузнаваемости

Самое масштабное воздействие на Землю люди оказали за последние 65 лет. Ученые связали 12 индикаторов человеческого прогресса с 12 масштабными факторами, оказывающими негативное влияние на планету.

Земля является домом для человечества на протяжении многих миллионов лет. И планета менялась вместе с людьми. Вот только в последние несколько сотен лет человек стал настолько активным, что сам начал менять Землю. Зачастую — не в лучшую сторону. Для этого явления даже придумали название — «антропогенный фактор».

Исследователи, принимающие участие в Международной программе по изучению биосферы и геосферы, проследили, как менялась планета с начала индустриальной революции в 1750 году до наших дней. Именно об этом рассказывается в статье, опубликованной в журнале Anthropocene Review.

Отталкивались ученые от предложенного в 1980 году термина «антропоцен», который обозначает геологическую эпоху с уровнем человеческой активности, играющей существенную роль в экосистеме Земли.

Они изучали различные аспекты влияния человека на процессы, происходившие и происходящие на Земле. Однако оказалось, что особого влияния человек на планету не оказывал вплоть до 1950 года, начиная с которого ситуация начала меняться коренным образом. Исследователи окрестили этот год «краеугольным камнем Великого ускорения», которое продолжается по сей день.

Под данным термином они понимают 12 факторов антропогенного характера, которым соответствуют 12 негативных последствий для планеты.

Речь идет о росте населения Земли, реального внутреннего валового продукта, прямых иностранных инвестиций, общего использования энергии, числа больших плотин, объема используемой воды, применяемых удобрений, производимой бумаги, численности городского населения, уровне развития транспорта, телекоммуникаций и международного туризма. В противовес этим процессам исследователи поставили растущий уровень углекислого газа, оксида азота, метана в атмосфере планеты, озона в ее стратосфере, повышение температуры поверхности Земли, окисление океанов, вылов морской рыбы, вмешательство в экосистему планктона, загрязнение воды азотом, уничтожение тропических лесов, использование все больших площадей для сельского хозяйства и процессы, приводящие к деградации биосферы.

Все это стало проявляться в 1950 году. А началось 15 июля 1945 года, когда США успешно испытали свою атомную бомбу.

«65 лет — это средняя человеческая жизнь. За этот срок человечество продвинулось вперед, но одновременно нанесло планете колоссальный ущерб. Что будет дальше, и представить страшно», — уверен руководитель группы исследователей профессор Уилл Штеффен.

По его словам, именно люди несут ответственность за происходящие на Земле процессы. И только в их силах планету спасти или, напротив, уничтожить. Его коллеги сходятся во мнении, что единственный глобальный успех человечества за минувшие 65 лет — это борьба с озоновыми дырами. И если оно будет действовать сообща, то можно будет справиться и с другими глобальными проблемами из числа имеющихся.

Наконец, исследователи сделали еще один важный вывод. Продолжавшаяся на протяжении 12 тыс. последних лет эра голоцен подошла к концу. Влияние «венца творения» на Землю стало настолько сильным, что пора объявить о начале антропоцена — эпохи четвертичного периода, центральным фактором которого является именно человек.

Ученые считают, что со стабильностью, которая помогала человечеству развиваться на протяжении последних 12 тыс. лет, покончено. Настала эпоха Великого ускорения — антропоцена, — и удержаться на огромной скорости люди смогут, осознав всю ответственность за процессы, происходящие на Земле. Свои выводы ученые представят в ходе Всемирного экономического форума, который пройдет в Давосе с 21 по 24 января. А вот прислушаются ли к ним сильные мира сего — вопрос совершенно иного порядка.

Карстовый процесс

1 Августа 2019

Карстовый процесс

Необходимость проведения инженерно-геологических условий строительства в районах развития карстовых процессов и явлений очевидна. Своевременное и подробное изучение карстовых процессов и явлений в почвах может на этапе планирования сооружений с большой вероятностью предупредить опасные последствия строительных работ.

Из всех геологических процессов карстовые труднее всего спрогнозировать, они наиболее опасны, а развиваются сотни миллионов лет. Карстовые процессы – одни из наиболее тяжелопрогнозируемых опасных геологических процессов.

Особенность карстовых процессов заключается в том, что они существенно усложняют процесс строительства и эксплуатации зданий и сооружений, а также препятствуют рациональному использованию сельскохозяйственных земель и наносят значительный ущерб населению и хозяйству. В результате влияния карстовых процессов происходят осадка и провалы земной поверхности, деформации сооружений вплоть до их полного разрушения, потеря воды из малых прудов через карстовые полости в бортах и основаниях водохранилищ, прорывы карстовых вод в горные выработки и тоннели, их затопление, загрязнение подземных вод.

Изучение карста при планировании сооружений может в большей степени предупредить все эти опасные последствия.

Карст: условия образования

В Российской Федерации выделяются Волго-Уральская, Предуральская, Западно-Уральская, Центрально-Уральская и Магнитогорская карстовые провинции.

Карстующиеся породы разного литологического состава, залегающие на поверхности и различных глубинах, распространены очень широко и занимают почти 50% территории России.

Вследствие необратимых преобразований рельефа и пород, загрязнения поверхностных и подземных вод, атмосферы и атмосферных осадков, а также деградации растительности существенно изменяются условия и факторы карстообразования. Карст активизируется и проявляется на поверхности в результате сокращения мощности до обнажения карстующихся пород, изменения состава и свойств при увлажнении покровных отложений, нарушения рельефа. Появляются и расширяются очаги повышенной инфильтрации поверхностных, а также под-земных агрессивных вод. Участками ослабления служат карстовые полости, открытые трещины, зоны дробления, погребенные провалы и другие подземные формы карста.

Скорость карстового процесса уменьшается с глубиной и с удалением от базиса эрозии.

Карстующиеся породы – известняки, доломиты, гипс и каменная соль – часто образуют отдельные линзы и прослои среди пород глинистого состава. Вода, насыщенная углекислотой, растворяет известняки и доломиты быстрее, чем химически чистая вода.

К растворимым породам относятся каменная соль, гипс, ангидрид, известняк, доломит, отчасти мергель, в которых и наблюдается развитие интенсивных карстовых процессов. Районы, на территории которых имеется распространение гипсового и соляного карста, являются наиболее опасными. Развитие гипсового карста, когда происходит выщелачивание горных пород, которое со временем приводит к образованию на земной поверхности карстовых воронок, оказывает влияние на все компоненты природного ландшафта и хозяйственную деятельность человека.

Процессы растворения и эрозия при линейном расположении воронок могут привести к образованию карстово-эрозионных оврагов.

На выходах растворимых горных пород наблюдаются различных размеров карстовые ниши, которые образуются при процессах физического выветривания и при растворении пород атмосферными осадками, стекающими в большом количестве по обнаженному склону.

С карстовыми процессами связано полное или частичное поглощение поверхностного стока рек. Исчезающие озера и реки имеются в различных районах и климатических зонах. На дне этих озер находятся карстовые воронки и поноры, через которые вода озер периодически поглощается и уводится на глубину.

Карстовые процессы являются подземными и поверхностными, эрозионными и аккумулятивными формами – полости, зоны разуплотнения, открытые и заполненные. По отсутствию или наличию нерастворимых покровных отложений выделяют открытый и покрытый карст.

На территории суши Земли карст открытого типа занимает 9,5%, покрытого типа – 22%.

Форма и содержание

Карст на поверхности и в глубине представляет собой единый взаимосвязанный процесс. С образованием поверхностных карстовых форм, связанных в значительной степени с выщелачиванием и размывом поверхностными водами, в глубине массивов растворимых горных пород наблюдаются различные подземные формы. К подземным карстовым формам относятся закарстованные трещины, трещины, расширенные растворяющей деятельностью подземных вод, карстовые пещеры и каналы. Вода, просачивающаяся сверху и движущаяся по трещинам, в карбонатных породах содержит много растворенного углекислого газа, что увеличивает ее растворяющую способность. Растворяя по пути движения известняки, вода насыщается углекислым кальцием в виде бикарбоната.

В рыхлых нерастворимых породах, покрывающих закарстованные породы, отмечаются подземные и поверхностные формы. Форма, размеры воронок и частота их образования тесно связаны с геологическим строением, геоморфологическими и гидрогеологическими условиями, а также режимом подземных вод.

В рыхлых мергелистых и гипсоносных песчано-глинистых породах большую роль наряду с выщелачиванием играет механический вынос частиц.

Наличие суффозии в ее активной фазе в определенных условиях приводит к формированию депрессионной воронки в верхнем водоносном горизонте: уровень грунтовых вод принимает V-образную форму. В основании нерастворимых пород создаются подземные полости, которые, постепенно разрастаясь, приводят к нарушению устойчивости свода и его обрушению. Активизация карстово-суффозионных процессов возможна также за счет химического состава подземных вод и их температуры.

В результате карстовых процессов на поверхности образуется воронка с обрывистыми вертикальными стенками, имеющими обратный уклон – провал. Провальные воронки и воронки обрушения бывают цилиндрическими, коническими, чашевидными и сложного строения. Две последние формы характерны для воронок смешанного генезиса. Карстово-суффозионные провальные воронки и шахты достаточно широко развиты в карстовых районах покрытого карста. Их формирование связано с суффозией материала из основания покрывающей толщи в нижерасположенные подземные карстовые полости в растворимых горных породах. Появление воронок любого генетического типа сопровождается прогибом земной поверхности.

Большое влияние на величину провальной опасности оказывает естественный режим поверхностных и подземных вод. Значительную опасность для зданий и сооружений представляют деформации земной поверхности, характерные для территорий с развитием сульфатного карста. Карстовые процессы оказывают влияние на все физико-географические условия местности. Они резко изменяют рельеф, характер и режим подземных и наземных вод.

Возникновение провалов может создавать аварийные ситуации, приводящие к гибели людей и разрушениям зданий и сооружений со значительными ущербами экономического, социального и экологического характера.

Оценка опасности

Оценка карстовой опасности должна выполняться с учетом базы данных, полученных на основе специального карстологического мониторинга. Предусматривается исследование напряженно-деформированного состояния грунтовой толщи в окрестности участка ослабления массива и влияния перераспределения напряжений на процесс образования воронок.

Выявление и изучение карстовых процессов и явлений возможно методами сейсморазведки. Также проводят исследование процесса, нарушающего устойчивость связных грунтов над карстовой полостью, и механизмов появления гидрогеологических окон в водоупорах. Также необходимо проводить определение закономерностей деформирования воздушно-сухих, влажных и водонасыщенных несвязных грунтов при их поступлении в трещинно-карстовые коллекторы с учетом кинематики процесса и разработку моделей, позволяющих оценить размеры карстово-суффозионных воронок и возможность их появления в песчаной толще.

При инженерных изысканиях следует выполнять:

• оценку опасности и риска от природных и техногенных процессов;
• обоснование мероприятий по инженерной защите территории;
• геологические, гидрологические и геодезические работы и исследования в процессе строительства;
• локальный мониторинг компонентов окружающей среды.

При строительстве на закарстованных территориях требуется учитывать различные типы и подтипы карстовой опасности.

Необходимо и установить, какие генетические типы карстовых провалов и по каким причинам могут появиться на исследуемой карстоопасной территории.

Необходимо провести ее районирование, позволяющее выделить однотипные участки, в пределах которых – под действием определенных факторов – может реализоваться карстовое провалообразование определенного механизма.

При выборе площадки для строительства проектные организации должны учитывать карстовую опасность территории, а также проблемы негативных последствий подтопления больших по площади закарстованных территорий.

При проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений необходимо предусматривать меры по инженерной защите территорий и снижению опасности, ущербов и риска от экзогенных геологических процессов путем применения вышеописанных методов. Для инженерной защиты зданий и сооружений от карста необходимо применять противокарстовые мероприятия или их сочетания: планировочные, водозащитные, противофильтрационные, укрепление оснований, конструктивные, технологические и эксплуатационные.

Таким образом, инженерно-геологические условия в районах распространения карстовых процессов в целом характеризуются как неблагоприятные для всех видов строительства. Однако в настоящее время применяются различные виды исследований, проводится разработка нормативных документов и оценка степени опасности закарстованных территорий и степени их устойчивости, прогнозы местоположения, частоты, размеров провалов. В связи с этим и только при условии неукоснительного соблюдения всех установленных требований и правил, а также с применением конструктивных мер противокарстовой защиты имеется возможность производить строительство на недостаточно устойчивых территориях.

Какие города мира затопят тающие ледники: виртуальная карта НАСА

• Виктория Гилл,
• отдел науки Би-би-си

16 ноября 2017

Для просмотра этого контента вам надо включить JavaScript или использовать другой браузер

Подпись к видео,

Какие города может затопить из-за глобального потепления?

Ученые из американского космического агентства НАСА создали первую программу, которая предсказывает возможные районы затопления в результате таяния ледникового щита в глобальных масштабах и прогнозирует, каким городам грозит наибольшая опасность.

Программа учитывает такие факторы, как скорость вращения Земли вокруг своей оси и гравитационные воздействия при анализе данных о возможных районах затопления.

10 самых теплых лет

10 самых холодных лет

Сред. темп. за XX в.

Теплее

Холоднее

Месяцы

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Повтор

Автор фото, BBC Sport

Она была разработана учеными из Лаборатории реактивного движения НАСА в Калифорнии.

«Различные города и страны пытаются оценить масштабы возможного затопления с тем, чтобы разработать планы развития на будущие 100 лет и больше, и они хотят иметь возможность оценки рисков, подобно тому, как это делают страховые компании», — говорит руководитель проекта доктор Эрик Айвинс.

Новый виртуальный инструмент помогает им понять, какие именно ледники и ледяные покровы представляют для них наибольшую опасность.

Например, в случае Лондона подъем уровня моря зависит в основном от изменений площади ледников в северо-западных районах Гренландии.

А для Нью-Йорка критическим оказывается состояние всего ледяного покрова Гренландии в северных и восточных районах.

Как отмечает другой автор программы доктор Эрик Ларур, программа анализирует данные, относящиеся к трем важнейшим процессам, которые определяют изменения в уровне моря по всему миру.

Первым из них являются гравитационные воздействия.

«Эти ледовые поля и ледники представляют собой огромную массу, которая воздействует на весь океан, притягивая к себе воду — говорит ученый. — Когда эта масса льда сокращается, гравитационное воздействие уменьшается, и океан начинает отступать».

Кроме того, давление льда на поверхность суши в ледниковых областях приводит к понижению уровня суши, а когда масса льда сокращается, суша начинает подниматься.

Планета как юла

Третьим фактором являются колебания оси, вокруг которой вращается наша планета.

«Можно представить Землю в виде юлы, которая вращается вокруг собственной оси, — замечает доктор Ларур. — Эта ось, как и у любой юлы, слегка колеблется, и масштабы этих колебаний зависят от распределения масс вещества на поверхности планеты».

Такие колебания, в свою очередь, воздействуют на перераспределение водных масс на планете.

Создав модель воздействия всех этих факторов, исследователи смогли разработать виртуальную карту, которая предсказывает масштабы затопления для конкретных районов Земли.

«Мы теперь в состоянии вычислять для каждого города точную зависимость подъема уровня моря от состояния любого ледника или ледяного покрова в мире, — говорит доктор Ларур. — Это позволяет властям конкретного города отслеживать состояние тех льдов, от которых в первую очередь зависит подъем воды в данном районе».

По словам другого участника группы ученых, доктора Сурендры Адикара, новый виртуальный инструмент впервые дает возможность получить визуальное представление о воздействии сложнейших глобальных процессов на то, как будет изменяться их жизнь и окружающая среда на протяжении длительного времени.

чего ждать от глобального потепления: Наука: Наука и техника: Lenta.ru

Согласно данным климатологов, средняя глобальная температура поверхности Земли в 2019 году была на 1,71 градуса выше средней температуры XX века. В целом планета нагрелась на один градус Цельсия выше доиндустриальных значений и продолжает нагреваться. Глобальное потепление вовсю сказывается на погоде в различных регионах, приводя к стихийным бедствиям и человеческим жертвам. «Лента.ру» рассказывает, как проявляет себя изменение климата.

Солнечная энергия и тепловая энергия, которую выделяет человечество, поглощается атмосферой (и океанами) Земли и переизлучается в космос в виде инфракрасного света. Часть солнечной энергии отражается от светлых поверхностей, например, ледяного и снежного покрова. Однако деятельность человека привела к тому, что ледяной покров сокращается, а парниковые газы, высвобождаемые при сжигании ископаемого углерода, затрудняют выход тепловой энергии в космос. Итог: Земля ежесекундно аккумулирует энергию примерно четырех-пяти атомных бомб, взорванных над Хиросимой.

Аккумуляция энергии означает, что Земля не просто нагревается — изменяются пути перераспределения энергии в атмосфере, что делает погоду непредсказуемой, а стихийные явления еще мощнее. 2019 год показал, к чему человечество должно привыкать, поскольку в ближайшем будущем ситуация продолжит усугубляться.

Данные тысяч станций наземного мониторинга, в том числе буи в Тихом океане, показали, что июль 2019 года оказался самым теплым месяцем на планете за всю историю наблюдений. Организация Berkeley Earth, занимающаяся мониторингом и исследованием климата, сообщила, что июль 2019-го побил рекорд августа 2016 года, превысив его на 0,08 градуса Цельсия.

Служба по мониторингу изменения климата Copernicus также сообщила, что июль прошлого года оказался жарче всех остальных месяцев, хотя и ненамного выше предыдущего рекорда. Тепловые волны привели к воцарению рекордной жары и пожароопасной обстановки сразу в нескольких регионах планеты.

Фото: Carlos Barria / Reuters

В начале лета температура на севере Индии превысила 50 градусов Цельсия, ударив по городу Чуру и другим населенным пунктам в штате Раджастхан, что привело к нескольким смертельным исходам. Температура воздуха в Чуру достигла 50,6 градуса Цельсия, а в некоторых городах поднялась выше 47 градусов. Эта погода продлилась как минимум неделю не только в Раджастхане, но и в ряде штатов. Например, в штате Химачал-Прадеш, который отличается относительно мягким климатом, было зафиксировано 44,9 градуса Цельсия.

Специалисты отметили, что в тропической части Тихого океана больше не наблюдается Эль-Ниньо — колебание температуры поверхностного слоя воды. В 2016 году эти осцилляции стали одной из причин рекордных температур. Иными словами, жара 2019 года почти полностью связана с глобальным потеплением, а не с естественными циклами.

Тепловые волны ударили и по Северному полушарию. 1 августа 2019 года Гренландия потеряла рекордное количество льда. По подсчетам ученых, масса талой воды, ушедшей в океан, составила рекордные 12,5 миллиарда тонн, что могло бы покрыть весь штат Флорида почти двухсантиметровым слоем.

Специалисты отметили столь быстрое таяние впервые за всю историю наблюдений начиная с 1950 года, когда ученые стали отслеживать ежегодные потери массы льда. За короткий срок 60 процентов поверхности ледового щита Гренландии подтаяло на один миллиметр в глубину.

Фото: Sean Gallup / Getty Images

Хотя в 2012 году таяние охватило 97 процентов площади ледяного покрова, в этот раз исследовательская станция Summit Station, находящаяся в верхней точке Гренландии, зафиксировала высокую температуру воздуха, рекордную как по величине, так и по продолжительности. И только за первую половину 2019 года растаяло 248 миллиардов тонн льда, что почти вплотную приблизилось к рекорду 2012 года — 250 миллиардов тонн.

На Аляске также оказались побиты температурные рекорды. 4 июля в городе Анкоридж температура достигла 32 градусов по Цельсию, хотя нормой является 18-19 градусов по Цельсию. Предыдущий рекорд был установлен в 1969 году, когда температура повышалась до 29 градусов Цельсия. Ученые связали потепление с таянием арктических льдов и ростом температуры Северного Ледовитого океана. Аномальная погода на Аляске наблюдалась еще с весны, что привело к голоду среди животных и смерти тысяч тупиков. Из-за повышенной температуры воды рыба, которой питаются птицы, уплыла на север, в более холодную часть океана.

Одновременно с жарой, которая охватила Европу, Северную Америку и азиатскую часть России, возникли мощнейшие лесные пожары. Климатологи назвали стихийное бедствие беспрецедентным по масштабу, что объясняется влиянием климатических изменений.

С начала июня в районе Северного полярного круга ученые зафиксировали более ста лесных пожаров. В России были охвачены пламенем как минимум 11 регионов. Хотя это стихийное бедствие само по себе не является необычным, в последние годы оно значительно усилилось, что специалисты также связывают с глобальным потеплением. Ученые-климатологи и Всемирная метеорологическая организация назвали пожары небывалыми из-за их большого числа и высокой интенсивности. В некоторых случаях возгорание охватывало более ста тысяч гектаров.

Фото: МЧС РФ / AP

По словам географа и эколога Томаса Смита (Thomas Smith) из Лондонской школы экономики, лесные пожары в 2019 году были самыми сильными за 16 лет спутниковых наблюдений. Ситуацию ухудшает то, что при сжигании древесины в атмосферу выбрасываются парниковые газы, которые усиливают глобальное потепление, создавая своего рода порочный круг. Кроме того, огромное количество твердых частиц вызывает сухие грозы, образующие новые очаги возгорания. Количество диоксида углерода, выброшенного за июнь 2019 года с территории Северного полярного круга, превзошло его количество, выпущенное в результате пожаров в том же регионе за весь период 2010-2018 годов.

В конце осени пожары, вызванные жарой и засухой, охватили австралийский штат Новый Южный Уэльс. В результате стихийного бедствия погибли более 20 человек, несколько тысяч вынуждены были покинуть свои дома. Огонь, распространившийся на огромной территории (около пяти миллионов гектаров леса), уничтожил тысячи зданий. По подсчетам, из-за пожаров погибли более миллиарда диких животных, в том числе млекопитающие, птицы и рептилии. Причиной гибели животных стало не только пламя, но и уничтожение их естественной среды обитания.

Выжженные территории не оставляют диким животным шанса найти пищу и укрыться от таких хищников, как лисы и кошки, что приводит к резкому сокращению популяций. Численность кенгуру и коал на юго-востоке Австралии сократилась примерно на треть.

Потепление с оптимизмом. Взгляд климатолога на изменение климата

Тема глобального изменения климата давно перестала интересовать только ученых: теперь свое мнение по поводу этой проблемы считают нужным высказать шведская школьница и рок-музыканты, кинозвезды и политики. Ситуация усугубляется тем, что климатическая тематика стала элементом идеологического противостояния: отношение к антропогенным климатическим изменениям все чаще становится маркером политических пристрастий. О том, что антропогенные климатические изменения вполне реальны, но апокалиптические сценарии вряд ли адекватны, рассказывает климатолог Евгения Кандиано в этой статье.

Идеология идеологией, но у большинства мало ясности в этом вопросе. Проблема в том, что бурный поток информации по теме климатических изменений и прогнозов способен сбить с толку любого неподготовленного читателя или зрителя. В результате многие выбирают те данные, которые им больше по вкусу, игнорируя всё остальное. А журналисты готовы распространить новые, непроверенные гипотезы. Эти гипотезы могут уточняться, изменяться или вовсе опровергаться, но в этих уточнениях и опровержениях не так интересно разбираться, и пресса о них пишет меньше, а то и вовсе игнорирует. В результате у тех, кто далёк от климатических исследований, не складывается полной картины. И что же мы имеем в результате? Одни пугаются: все мы завтра умрём. Другие кричат: не умрём, всё это блеф, вас просто обманывают. А третьи устало опускают руки и отказываются что-либо понимать. Учёные, которые занимаются климатом профессионально, видят примерные контуры возможных решений климатической головоломки. Увы, видят не полную картину, а только контуры. Откуда же эти контуры взялись? А взялись они из исследований климата прошедших эпох.

Короткая оттепель

Ученые ещё во второй половине ХХ века установили, что за последние 600 тысяч лет истории Земли чаще всего было, по нашим нынешним меркам, очень холодно. Обсуждать более ранние периоды нет смысла, так как совокупность природных условий в те сверхдалёкие эпохи слишком сильно отличалась от сегодняшних. А в последний период преобладающей климатической фазой являются ледниковья. Это очень холодные периоды, когда температура в средних широтах была на 8–10°C ниже современной, а весь север Канады и Европы покрывали ледники, толщина которых доходила до нескольких километров.

Ледник Тейлора в Антарктике

Межледниковья – лишь короткие промежутки продолжительностью около 10 тысяч лет. Мы живем в межледниковую эпоху, именуемую голоценом. Таких эпох за последние 600 тысяч лет было всего лишь семь, то есть один теплый период на 100 тысяч лет оледенения. С геологической точки зрения это лишь короткая оттепель в царстве снега и льда. Нынешний теплый период, голоцен, уже длится те самые десять тысяч лет, которые обычно отводятся природой на межледниковье. Развитие человеческого общества, со всеми его цивилизациями и плановой хозяйственной деятельностью, укладывается в эти 10 тысяч лет. А до этого, в периоды оледенения, все силы людей древних уходили на выживание. Мы хорошо приспособились к теплым условиям и именно их считаем нормой.

Углекислый газ и компания

Что же дальше, будет теплее или холоднее? И какую роль в изменениях климата играет человеческая деятельность? Какие именно факторы на климат влияют и как именно?

Начну с самого обсуждаемого – парниковых газов. Их объединяет то, что все они состоят из крупных молекул. Тепловая энергия образует длинную волну, которая, наталкиваясь на крупные молекулы газов, отражается обратно к поверхности Земли. Парниковые газы являются естественным компонентом земной атмосферы, их можно сравнить с теплым одеялом планеты. Если бы этого одеяла не существовало, то температура на поверхности земли составляла бы 15–16° ниже нуля. При такой температуре жизнь в современных формах была бы совершенно невозможной, ведь биологические клетки включают в себя воду, а вода при отрицательной температуре превращается в кристаллы льда, так что можно сказать: парниковый эффект не только вреден, но и полезен. Парниковые газы являются благом для живых существ, однако важно, чтобы их содержание находилось в балансе с современными температурами.

Во время ледниковых эпох содержание таких газов составляет примерно 180 частей на миллион, а во время межледниковых около 300. Основных парниковых газов четыре, но человеческая деятельность может существенно повлиять и влияет на содержание только двух из них – углекислого газа (СО2) и метана (СН4). Причём влияет непосредственно, увеличивая их абсолютное содержание в атмосфере. Пока что большее внимание уделяется углекислому газу, потому что его содержание в атмосфере значительно превышает содержание метана.

Один из ледников в Исландии в 1986 и 2019 годах

Есть ещё три важных фактора: освещенность Земли, глобальная циркуляция океана, изменение солнечной активности. На первые два фактора человечество не может повлиять никак, на третий не может повлиять непосредственно, поэтому в яростных спорах между сторонниками и противниками концепции изменения климата они почти не упоминаются. Лишь кратко охарактеризую их:

• Изменение освещенности Земли определяется изменениями орбиты Земли вокруг Солнца. Происходят эти изменения потому, что все объекты вселенной, Земля в том числе, взаимодействуя друг с другом, находятся в беспрерывном и очень медленном, по отношению к продолжительности нашей жизни, танце. Благодаря этому фактору изменяется количество энергии, которое Земля получает от Солнца. В результате мы имеем смену летних и зимних периодов. Именно изменение освещенности даёт толчок смене ледниковых и межледниковых периодов. Происходит вот что: земная орбита постепенно меняется от круга до эллипса и обратно. Когда орбита имеет форму круга, а это происходит раз в сто тысяч лет, Земля получает больше солнечной энергии. А когда орбита в определенные моменты сильно удаляется от Солнца, то и солнечного тепла Земля получает меньше.
• Интенсивность ядерных процессов нашей звезды меняется, и, соответственно, меняется количество солнечной энергии, получаемое Землей. Тут всё не очень хорошо изучено и не очень предсказуемо. Циклы солнечной активности действительно существуют, но они нестрогие и их несколько.
• Глобальная циркуляция океана, то есть распределение течений. Его основной мотор находится в Норвежско-Гренландском бассейне. Сюда поступают теплая и соленая воды Северо-Атлантического течения. Здесь вода сильно охлаждается, её плотность, соответственно, увеличивается, течение уходит на глубину. На глубине этот поток разворачивается и течёт в обратном направлении, на юг. Так этот мотор работает во время межледниковий, обогревая при этом Европу, которая выдвинута далеко на север (Москва и Копенгаген находятся на широте южной Аляски, а Крым расположен севернее Бостона). Но когда на планете становится холоднее, то это теплое течение охлаждается на средних широтах. И там происходит то же самое, но, во-первых, менее интенсивно, а во-вторых, поскольку теплый поток не доходит до Северной Европы, на европейском континенте становится ещё холоднее.

Это только основные факторы. Существует огромное множество других, которые взаимодействуют, усиливая или ослабляя друг друга. Такие взаимодействия называются механизмами обратной связи.

Мы это проходили

Является ли современное повышение температуры чем-то совершенно экстраординарным, таким, чего до сих пор не случалось? И да, и нет. С одной стороны, в относительно недавнем геологическом прошлом имели место два межледниковья, более теплых по сравнению с нашим, сегодняшним. Первое из них длилось дольше обычных 10 тысяч лет и закончилось приблизительно 400 тысяч лет назад. На Чукотке было тогда на 4–5°C теплее, чем сейчас. А второе еле-еле вписалось в свои 10 тысяч и закончилось приблизительно 110 тысяч лет назад. Именно эти два межледниковья ученые и берут в качестве примерных контуров для сравнения. Наша современная межледниковая эпоха больше похожа не первое потепление, чем на второе, и имеет потенциал продлиться дольше. Почему контуры примерные? Потому что есть сходства, но есть и отличия. Самое главное заключается в беспрецедентно высоком содержании углекислого газа в атмосфере Земли: оно к настоящему моменту достигло почти 415 частей на миллион (притом что нормальное его содержание без вмешательства человека в межледниковые эпохи составляет, напомню, около 300). Такое высокое содержание вызывает подъем глобальной температуры атмосферы и океана, что, в свою очередь, влияет на изменение других климатических аспектов. Что же повлечет за собой глобальное потепление?

Меньше льда, больше воды

Во-первых, будут таять ледники Гренландии и Антарктиды, многочисленные горные ледники, которые есть на каждом континенте, кроме Австралии, и морской лёд в Арктике. Освободившаяся вода пополнит мировой океан, его уровень будет подниматься. Насколько это опасно? По реалистическим оценкам, к концу этого столетия уровень мирового океана поднимется на 30 сантиметров. У человечества есть достаточно времени, чтобы адаптироваться к этим изменениям, например, построить в нужных местах дамбы. К слову сказать, в те прежние межледниковья, которые были теплее, чем сегодня, Гренландский ледниковый щит был значительно меньше, а уровень океана был значительно выше.

Во-вторых, будут чаще повторяться засухи. Рассчитывая на эти засухи, селекционеры уже сейчас выводятся растения, способные занять новые экологические ниши. Отдельные представители животного и растительного мира вымрут из-за смены условий, разрушатся установившиеся цепи питания. Этот процесс идёт уже сейчас. В первую очередь, это касается рыбы в Арктике и птиц, которые этой рыбой питаются. Но процесс эволюции идёт непрерывно: меняются условия – часть видов вымирает, возникают новые.

Ураган Дориан — один из самых разрушительных в 2019 году

В-третьих, нам придется столкнуться со всё более сильными и частыми ураганами. Это то, что мы уже ощущаем на себе. Что же до оледенения, то оно не наступает в одночасье. Исследования прошлых эпох показывали, что океаническая циркуляция во время межледниковий является сравнительно консервативным механизмом. На плавный переход от межледниковья к ледниковью, обусловленный изменениями земной орбиты, требуется несколько тысяч лет. Кроме того, оледенение сдерживает высокая концентрация углекислого газа. Иными словами, те, кто представляют себе ближайшее будущее как вариант сюжета кинофильма «Послезавтра», могут вздохнуть с облегчением.

Что глобальное потепление означает для России?

Из хороших новостей – таяние льдов в Арктике открывает новые промышленные перспективы. Продлится судоходный сезон, станет возможной ловля рыбы, может, со временем и добыча нефти.

Из плохих новостей – будет таять вечная мерзлота, а она покрывает весь северо-восток России, местами доходя до границы с Китаем. И, соответственно, будет выделятся много метана, который сейчас законсервирован в вечной мерзлоте.

Почему такая паника?

Самое шокирующее открытие было сделано в 1990-е годы, и касалось оно Северо-Атлантического тёплого течения. Ученые обнаружили, что когда в северный сегмент Атлантического океана сбрасывается большое количество талой воды, океаническая циркуляция замедляется, так что тёплая вода не доходит до Норвежско-Гренландского бассейна. Это приводит к серьёзным последствиям для теплового бюджета Северной Европы. Например, сейчас 30% тепла Европа получает именно от этого течения. Открытие вызвало волну тревоги, а вдруг катастрофа случится прямо сейчас? Но столь драматические, внезапные и очень быстрые похолодания обычно происходят тогда, когда север Америки и Европы покрыт ледниками. В какой-то момент ледники становятся очень обширными, достаточно небольшого климатического толчка для их разрушения. И вот уже весь северный сегмент Атлантического океана покрыт айсбергами, которые стремительно тают, на поверхности океана образуется слой талой воды. Талая вода менее солёная, она легче соленой морской воды, поэтому остается сверху и препятствует нормальной циркуляции.

А вот во время межледниковий, как сейчас, в северном полушарии существует только один ледниковый щит, Гренландский. Он, конечно же, постоянно тает и разрушается, а талая вода и айсберги поступают в океан. Это действительно может помешать океанической циркуляции, но, в отличие от ледниковых периодов, вызванные этим фактором похолодания не бывали столь драматическими, как в ледниковый период, ограничиваясь снижением температуры примерно на 1,5-2°C – тоже заметно, но не катастрофа. Такое понижение температуры произошло, например, во время малого ледникового периода, продолжавшегося с XIV до XIX век; его причиной было снижение солнечной радиации.

Ещё одним поводом для беспокойства являются потенциальные механизмы обратной связи, которые ускоряют потепление. Например, тает вечная мерзлота, и из болот в атмосферу поступают дополнительные порции СО2 и метана, которые прежде были связаны льдом. Механизмы обратной связи действительно ускоряют потепление, часто они не учитываются в моделях. Но все же пока что они количественно не вносят столь уж большого вклада в потепление.

Экоактивистка Грета Тунберг стала человеком года по версии журнала Time

И наконец, самый мощный импульс паническим выступлениям, начиная от американского политика Берни Сандерса и заканчивая юной экактивисткой Гретой Тунберг, придал доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата 2014, в котором наряду с более реальной была опубликована альтернативная модель изменения климата. Эта модель, очень пессимистическая, прогнозирует потепление к концу столетия на 5°C. Однако в ней заложены самые радикальные и не всегда правдоподобные предположения – например, о пятикратном увеличении использования угля по сравнению с настоящим временем. По многим оценкам, таким запасом пригодного для добычи угля наша планета просто не обладает.

Кроме того, пессимистический сценарий не учитывает тех мер, которые уже сейчас предпринимает человечество – например, относительно активный переход промышленности на зелёные источники энергии, ветровую и солнечную. Этот процесс идёт и без международных соглашений по ограничению выбросов углекислого газа, поскольку является экономически выгодным.

Но именно этот самый пессимистический маловероятный сценарий обсуждается чаще всего. Его тиражируют журналисты, опуская при этом нюансы и детали и не упоминая о том, что он гипотетический и не слишком вероятный. Нам предсказывают апокалипсис, если мы не остановим промышленное производство, но ведь технический прогресс остановить нельзя, да и не нужно его останавливать. Потому что именно прогресс и рождает новые технологии, которые призваны решить сегодняшние проблемы. И сейчас ученые просят снизить градус тревоги и обсуждать более реальные климатические сценарии, которые прогнозируют повышение глобальной температуры на 3 градуса без учета соглашений Парижской конференции. А с учетом этих соглашений человечество рассчитывает остановиться на 1.5–2°C.

Свойство человеческой психики – тревожиться и бояться. С конца ХIX века предсказания того или иного сценария конца света стали общим местом. Глобальное изменение климата реально, и его признают 97% учёных. Но это не означает, что уже завтра мир обрушится. Мы должны успеть подготовиться к изменениям, в частности, надо постараться снизить выбросы углекислого газа в атмосферу. В конце концов, если нашим предкам, неандертальцам и кроманьонцам, удалось выжить в суровых условиях ледниковой Европы, то сегодня выживание человечества в условиях грядущего изменения климата не должно стать непосильной задачей.

Экосистемные функции болот и их деградация вследствие мелиорации и торфодобычи

Покрывая лишь 6% поверхности Земли, водно-болотные угодья (ВБУ) обеспечивают непропорционально большое количество экосистемных услуг, в дополнение к сохранению биоразнообразия. Например, водно-болотные угодья также смягчают наводнения, защищают прибрежные районы от штормов, улучшают качество воды, заряжают подземные водоносные горизонты, служат в качестве поглотителей, источников или преобразователей материалов и производят продукты питания и товары для использования человеком. Это уникальные экосистемы, которые играют значительную роль в биосфере. Они выполняют следующие важные функции: аккумулятивная, биологическая, межкруговоротная, ландшафтная, газорегуляторная, геохимическая, гидрологическая и климатическая.

Болота представляют собой избыточно увлажненные участки суши с наличием торфа, где наблюдается выход грунтовых вод на поверхность без образования постоянного зеркала воды. Торф образуется в основном из отмерших остатков растений, растущих в воде (камыш, тростник, ряска). Большинство болот возникали на месте бывших озер. Начало болотообразовательного процесса можно наблюдать и в настоящее время по берегам рек и озер, которые зарастают камышом, тростником.

К собственно болотам относят территории, где слой торфа достиг 30 см в толщину, остальные переувлажненные ландшафты называют заболоченными землями.

Площадь болот в мире превышает 5 миллионов квадратных километров. Большие площади болот есть и в странах Скандинавии, Великобритании, на севере Германии и США, а также в Канаде.

Характерной особенностью болот является преобладание анаэробных условий и анаэробных процессов с наличием достаточно узкой поверхностной зоны, населенной аэробными организмами. Процессы разложения органического вещества в болотах идут крайне медленно из-за низких температур, отсутствия кислорода, а также ряда других факторов.

Вследствие низких скоростей процессов деструкции в болотах растительные остатки только частично подвергаются процессам разложения и депонируются в виде торфа. Депонирование болотами парниковых газов, включая CO2, считается одной из самых важных функций болот в настоящее время в связи с рисками, которые несет с собой изменение климата.

Еще одна важная функция болот связана с водным балансом планеты. Болота — это важнейший компонент гидрологической сети и крупнейший резервуар пресных вод. Эта функция болот особенно важна в странах с равнинным ландшафтом. Поэтому болота являются важнейшим компонентом гидрологической сети.

Болота работают как фильтр. В зависимости от типа и глубины торфяной залежи пропускная способность (воды) болот составляет 100-685 м3/сут/га. Болота фильтруют многочисленные и опасные загрязнения, которые попадают в поверхностные воды из загрязненных атмосферных осадков, почв и грунтов водосборов, промышленных и бытовых стоков.

Исследования подтверждают роль торфяных болот как мощного комплексного сорбента многих химических элементов (в том числе тяжелых металлов), многократно снижающего их содержание в проходящих через болота водах.

При этом они полностью очищают от избыточного количества свинца воды атмосферных осадков^[1].

Первый барьер на пути загрязнений – механический, на котором задерживаются выпадающие из атмосферы пылевые частицы и аэрозоли, взвешенные в водах природные и техногенные минеральные, органоминеральные и органические частицы, а также гидрозоли и коллоиды, обогащенные сорбированными ими химическими элементами. Наиболее заметна работа этого барьера по периферии болот, где воды поверхностного стока сталкиваются с рыхлым торфом и болотной растительностью, обеспечивающим фильтрацию вод, задержку и осаждение твердых частиц. Микрорельеф болот также служит механическим фильтрующим барьером.

Вторым барьером служит физико-химический, он является основным для водорастворимых веществ, прежде всего ионов элементов, а также гидрозолей, поступающих на болота с поверхностными и грунтовыми водами.

Ионы элементов из поступающих вод и атмосферных осадков поглощаются гуминовыми веществами, тонкодисперсными частицами и полуторными оксидами, содержащимися в торфе и болотных водах. Глеевый и кислородный (окислительный) геохимические барьеры оказывают существенное влияние на миграцию химических элементов, валентность и подвижность которых резко меняются при смене окислительно-восстановительной обстановки.

Обводненной толще болот присуща восстановительная обстановка среды. Попадая в нее, элементы, подвижные в кислородных поверхностных водах, в частности медь и мышьяк, осаждаются на глеевом геохимическом барьере, который формируется по краям болот, а в водах, вертикально сверху вниз мигрирующих в торфяной залежи болота – в ее толще на границе распространения бескислородных глеевых вод. Это касается таких элементов, как Fe, Mn, Cd, Cu, Hg, Pb, Zn.

Особое воздействие на химический состав вод, проходящих через болота, оказывает растительность, служащая биогеохимическим барьером на пути миграции многих химических элементов, но прежде всего биофильных – N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, Mn, Zn, Cu – которые она активно избирательно поглощает, в результате чего воды обедняются ими. Поглощенные болотными растениями элементы при их отмирании послойно аккумулируются в торфе и частично выносятся из него водами. Таким образом, живая растительность также является важным компонентом, обусловливающим фильтрующие и сорбционные свойства болот.

Несмотря на важность биосферного значения торфяно-болотных почв и торфяников, проблема оценки их современного экологического состояния, в частности уровня загрязнения тяжелыми металлами, до сих пор является относительно малоизученной. Исследования, проводившиеся на торфяниках украинской части Полесья, указывают на то, что варьирование содержания подвижных форм свинца более всего выражено в болотных почвах и осушенных торфяниках – коэффициент вариации изменяется от 77 до 79 % соответственно, что подтверждает техногенную природу происхождения этого загрязнителя и свидетельствует о неравномерности загрязнения им обследуемой территории. Свинец является приоритетным загрязнителем болотных почв, величина коэффициента опасности его достигает уровня 1,5. Максимальный вклад в величину суммарного цинкового эквивалента токсичности на болотных почвах и осушенных осоковых и древесно-осоковых торфяников вносят свинец и марганец, а на низинных торфяниках – медь и марганец. На возможность накопления свинца болотными почвами указывается и в работе С. Е. Головатого, проводившего исследования на территории Республики Беларусь^[12].

Загрязнение почв тяжелыми металлами – один из важнейших факторов, определяющих экологическое состояние наземных экосистем.

Большая часть тяжелых металлов поступает в окружающую среду в результате деятельности человека. Свинец (Pb) и кадмий (Cd) относят к числу высокотоксичных и опасных тяжелых металлов, которые попадают в окружающую среду в результате деятельности предприятий по добыче и переработке цветных металлов, при работе тепловых электростанций, использовании удобрений и пестицидов. Они также поступают в экосистемы с галогенидами и оксидами металлов, содержащимися в выхлопных газах автомобилей, в составе отходов, образующихся при изготовлении и переработке аккумуляторных батарей, из сточных вод бытовых отходов. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами влияет на здоровье населения и наносит экономический ущерб^[2].

Водоочистительная функция болотных экосистем – это важная экосистемная услуга, которая может быть оценена.

Рассмотрим, как это работает на примере болота Ельня^[7]. Экономическая оценка водоочистительной функции болотных экосистем определяется по их фильтрующей способности, сравниваемой с фильтрующей способностью промышленной очистной установки с пропускной способностью в 1500 м3/сут, цена которой в среднем достигает 50 000 USD, а срок службы – не менее 50 лет.

Болото Ельня. © Виктор Малыщиц

Верховые болота по сравнению с остальными типами обладают максимальной пропускной способностью 685 м3/сут/га, т.е. 2 га верхового болота очищают сточные воды эквивалентно одной промышленной очистной установке.

По результатам расчета, стоимостная оценка сорбционной (водоочистительной) функции верхового болота Ельня составляет 9 126 000 USD/год.

На торфяном болоте движение воды осуществляется в основном путем фильтрации в растительном очёсе и в торфяной залежи в направлении градиента напора либо путем свободных потоков по поверхности болота и внутри залежи по водоносным жилам.

Болотный массив в отношении водопроницаемости представляет собой крайне неоднородную среду. Верхний его слой, сложенный живым растительным покровом и моховым очесом, обладает очень высокой водопроводимостью по сравнению с водопроводимостью основной массы торфяной залежи, особенно ее нижних горизонтов. Экспериментальными исследованиями установлено, что в слое толщиной 1-1,2 м коэффициент фильтрации уменьшается с глубиной в тысячи и десятки тысяч раз. Особенно резкие изменения коэффициента фильтрации происходят в слое до 40 см от поверхности мохового покрова. Быстрое убывание водопроницаемости с глубиной в этом слое связано с уплотнением и различной степенью разложения растительных остатков, что приводит к уменьшению размера пор. В сильно разложенных торфах (до 55-65%) коэффициент фильтрации падает до миллионных долей сантиметра в секунду. Таким образом, торф с высокой степенью разложения по условиям водопроводимости приближается к глинам.

Водопроводимость торфа меняется и от его ботанического состава. В верхних слоях болотного массива, примерно до глубины 0,8-I м, влажность торфа периодически меняется в связи с колебаниями в этом слое уровня грунтовых вод. Периодическая аэрация верхнего слоя обусловливает в нем высокую активность биологических процессов. Это дало основание выделить верхний слой болота в особый активный, деятельный слой. Под ним располагается инертный, нижний слой. Он отличается малой водопроницаемостью, постоянством количества воды, отсутствием доступа воздуха и отсутствием аэробных микроорганизмов, способствующих образованию торфа. Границей между активным и инертным слоями служит среднее положение минимального уровня грунтовых вод в болотном массиве.

Высокая водопроводимость активного слоя болота по сравнению с инертным слоем обусловливает его особую роль в гидрологических процессах болота. Вследствие больших величин коэффициента фильтрации в активном слое выпадающие на болото дожди не задерживаются на поверхности, а быстро просачиваются. Поэтому стекания воды по поверхности болот, как правило, не наблюдается.

При большом количестве осадков и во время снеготаяния уровень грунтовых вод поднимается и стоит вблизи поверхности болота. В хорошо фильтрующих слоях очеса начинается боковой подповерхностный сток.

Скорость фильтрации воды в болоте, согласно закону Дарси, определяется коэффициентом фильтрации и уклоном поверхности грунтовых вод. В условиях естественных болотных массивов уклоны поверхности грунтовых вод практически совпадают с уклонами поверхности болота. Величина их, как правило, незначительна: 0,0001—0,005 (исключая горные болота на склонах). Несмотря на малые уклоны, скорость горизонтальной фильтрации в самых верхних слоях болота достигает значительных величин (по данным К. Е. Иванова, до нескольких десятков и даже сотен метров в сутки). Скорость фильтрации в инертном слое составляет всего 1,7-1,7 • 10-6 см/сутки или максимум 6 м/год.

Таким образом, скорость горизонтального стекания воды с болотных массивов путем фильтрации определяется главным образом водопропускной способностью деятельного слоя. Количество воды, пропускаемое деятельным слоем, огромно. Полевые наблюдения и расчеты показывают, что весной за сутки стекает с выпуклых болот слой воды до 10-15 мм, или до 150 м3 с 1 га. Расход горизонтального потока воды, фильтрующейся через инертную толщу, ничтожен и составляет менее 1% расхода, пропускаемого деятельным слоем. Направления горизонтальных потоков воды в торфяной залежи следуют уклонам поверхности болотного массива^[7].

В результате добычи торфа возникает загрязнение окружающей среды: попадание взвешенных веществ в ближайшие водные объекты либо образование взвеси коллоидных частиц в воде.

При применении фрезерного и экскаваторного методов торфодобычи происходит образование большого количества мелкой пылевидной фракции, загрязнение атмосферы выбросами загрязняющих веществ техникой. Осушение существенно влияет на водный режим как на непосредственно осушаемой территории, так и на сопредельных участках. Увеличение расходных составляющих водного баланса за счет сброса грунтовых вод приводит к потере их запасов, перераспределению на смежных территориях и понижению уровня подземных вод. В сферу влияния осушения вовлекаются и гидравлически связанные с грунтовыми водами более глубокозалегающие водоносные горизонты. Возникает опасность возникновения пожаров^[10].

Исследование влияния осушения и торфоразработок на накопление тяжёлых металлов болотными растениями^[9], показывает, что в результате осушения и торфодобычи наблюдается увеличение концентрации элементов. Содержание Zn увеличивается незначительно, в пределах статистической погрешности. Отличия по накоплению Cu наблюдаются при сравнении естественного и нарушенных участков, тогда как осушенные участки и участки торфодобычи по этому показателю достоверно не отличаются. Концентрация Pb примерно одинакова на естественных и осушенных участках, но повышается почти в два раза под влиянием торфоразработок. Содержание Cd более, чем в 2 раза увеличивается после осушения, и ещё в 2 раза возрастает на участке торфодобычи. Сравнение средней биогеохимической активности видов на участках торфяных месторождений с разной степенью антропогенной нагрузки обнаружило, что этот показатель возрастает на осушенных участках в 2 раза, а на торфоразработках повышается свыше 5 раз. При анализе результатов расчёта коэффициентов контрастности относительно фона выяснилось, что для всех четырёх элементов эти показатели оказались больше 1, что означает превышение содержания тяжёлых металлов на участках торфодобычи, по сравнению с ненарушенными участками. Наибольшую контрастность коэффициент показал в отношении Cd, особенно высоко его накопление в древесных растениях (Betula pubescens и Pinus sylvestris). Для Zn зафиксирован наименьший диапазон контрастности, он составляет менее 3 раз и достигает наибольших значений для видов Betula pubescens и Chamaedaphne calyculata. Подобная ситуация наблюдается и для коэффициентов контрастности Pb для всех видов, за исключением Ledum palustre, для которого он повышается более, чем в 12 раз. Значения коэффициента для Cu превышают значения для Zn и Pb, наибольшее накопление Cu зафиксировано в растениях Ledum palustre.

Изменение содержания тяжелых металлов в растениях, в зависимости от степени антропогенной нагрузки (1 – ненарушенные болота; 2 – осушенные; 3 – торфоразработки). Источник: НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ РАСТЕНИЯМИ ТОРФЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Л. П. Гашкова.

Длительное горение торфяников является источником загрязнения атмосферного воздуха, в том числе высвобождаются загрязнители, содержавшиеся в торфе – тяжелые металлы, и что, особенно опасно в зонах, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС – радионуклиды.

Частота пожаров на территории ЛБК «Ольманские болота». Наиболее интенсивные пожары проходили в: 1995 г. (10,7 тыс. га), 2002 г. (12,4 тыс. га), 2015 г. (13,4 тыс. га). Источник: Д.Г. Груммо «Болотные истории».

Будучи в заброшенном состоянии, выработанные торфяные месторождения становятся пожароопасными объектами на больших территориях. С изменением климата пожары на болотах и заболоченных местообитаниях могут стать более частыми. В Беларуси площадь торфяников, где существует высокий потенциал возникновения пожаров при неблагоприятных погодно-климатических условиях составляет 221,4 тыс. га^[5].

Реконструкция торфяных пожаров на карте (северо-запад Беларуси) за 1975-2015 гг. показывает, что восстановление гидрологического режима болот на месте мелиорации и торфодобычи значительно уменьшает в дальнейшем риск торфяных пожаров.

Реконструкция торфяных пожаров 1975-2015 гг (северо-запад Беларуси). Источник: Д.Г. Груммо «Болотные истории».

Площадь торфяных пожаров 1975-2015 гг (северо-запад Беларуси). Источник: Д.Г. Груммо «Болотные истории».

Таким образом, осушение и разработка торфяных месторождений оказывает сильное воздействие на окружающую среду и несет в себе значительные риски.

Если после завершения добычи торфа выработанные торфяные месторождения остаются в осушенном состоянии, то независимо от направлений их использования – сельскохозяйственного, лесохозяйственного – они продолжают оказывать негативное воздействие на компоненты природной среды: поверхностные и подземные воды, водоприемники, атмосферу, ландшафты и биологическое разнообразие.

В результате добычи торфа природные и природно-хозяйственные функции болот коренным образом изменяются, либо полностью прекращаются. Вместо аккумуляции торфа, энергии, биогенных элементов и воды, происходят процессы обезвоживания торфяной залежи, разложения и минерализации органического вещества торфа, геохимического выноса биогенных элементов за пределы торфяных месторождений.

Болотные ландшафты прекращают свое существование, а вместо них образуются антропогенно нарушенные, деградированные и пожароопасные территории. В связи с уничтожением местообитаний уничтожаются или вытесняются болотные и околоводные виды растений и животных.

Вместо перехода биогенных элементов и энергии из биогенного круговорота в геологический происходит процесс обратного перехода биогенных элементов из геологического круговорота вещества и энергии в биогенный, и этот процесс продолжается до тех пор, пока не минерализуется весь остаточный слой торфа.

Вместо обогащения атмосферы кислородом и очистки ее от избытка диоксида углерода, происходят изъятие из атмосферы кислорода на биохимическое окисление остаточного слоя торфа и эмиссия в нее диоксида углерода в результате минерализации органического вещества. Формирующийся на выработанных торфяных месторождениях гидрологический режим не обеспечивает выполнение естественной водорегулирующей функции болот, поэтому она существенно ослабляется или полностью утрачивается, а осушающее действие сохранившихся каналов продолжает распространяться на прилегающие территории. Размеры зон влияния зависят от типа торфяного месторождения, его положения в рельефе, характера и гранулометрического состава грунтов, подстилающих остаточную торфяную залежь, и прилегающих территорий.

Осушенные слои остаточных торфяных залежей являются теплоизоляторами, вследствие чего усиливается негативное влияние атмосферных засух и заморозков, поэтому микроклимат как на выработанных торфяных месторождениях, так и на прилегающих к ним территориях становится более контрастным. Например, в Брестской области выработанные торфяные месторождения, находящиеся в осушенном состоянии, оказывают существенное осушающее воздействие на прилегающие территории. Так, общая площадь выработанных торфяных 169 месторождений составляет 36 576 га, а осушающее действие каналов распространяется на площадь 40 352 га, т. е. общая осушенная площадь больше суммарной площади выработанной части всех торфяных месторождений области на 10,3 %. Это объясняется тем, что прилегающие к выработанным торфяным месторождениям суходольные территории в основном сложены рыхлыми минеральными породами в основном песками и частично супесями^[3].

Площади антропогенно-преобразованных дегроторфяных почв постоянно увеличиваются.

Согласно результатам исследований, если не изменить существующие направления сельскохозяйственного использования, то площадь антропогенно-преобразованных дегроторфяных почв в Республике Беларусь за счет трансформации торфянисто- и торфяно-глеевых к 2050 году может увеличиться до 457,9 тыс.га, что составляет 42,9% от общей площади органогенных. Наибольшее увеличение площадей этих почв ожидается в Брестской (до 165,2 тыс.га), Гомельской (126,6 тыс.га) и Минской (109,8 тыс.га) областях. В некоторых районах Брестской (Ивацевичский, Кобринский, Лунинецкий, Пинский и Пружанский), Гомельской (Калинковичский, Петриковский), Минской (Любанский, Солигорский) областей площади дегроторфяных почв могут достигнуть 15 тыс.га и более. При этом в 15 районах площади этих почв составят более 40%, а в Кобринском, Лунинецком и Петриковском более 60% от общей площади сельскохозяйственных земель на агроторфяных почвах^[11].

Таким образом, в результате мелиорации в Беларуси четко обозначился ряд экологических проблем, основные из которых: пыльные бури, загрязнение почвы, воды, снижение разнообразия флоры и фауны, ранние заморозки, минерализация торфяников, снижение уровня грунтовых вод. Нарушение экологического равновесия между антропогенным и естественным ландшафтом приводит к тому, что возможности природы по самоочищению ограничиваются и негативные последствия приобретают все большие размеры. Между тем, государственные инвестиции в мелиорацию за 1960–1990 гг. составили не менее 5 млрд $. Только в Брестcкой области осушено более 760 тыс. га или 48,3 % общей земельной площади сельскохозяйственных предприятий. Продолжает поддерживаться торфодобывающая промышленность.

Распределение торфяников по направлениям использования. Источник: peatlands.by

Тем не менее, окружающая среда является главным определяющим фактором уровня экономического развития, качества жизни и благополучия людей. Поэтому необходимо сохранять и восстанавливать болота, учитывать их важность с точки зрения предоставления экосистемных услуг и обеспечить ответственное и устойчивое управление на территориях ВБУ.

Нарушение экологического равновесия между антропогенным и естественным ландшафтом приводит к тому, что возможности природы по самоочищению ограничиваются и негативные последствия приобретают все большие размеры. Как показывает практика, в использовании осушенных земель, в том числе торфяно-болотных почв, сельскохозяйственные предприятия не смогли обеспечить наилучший социальный результат. Несмотря на то, что торфяно-болотные почвы представляют собой ограниченный ресурс, предприятиям было позволено его использовать бесплатно. Для них критерием принятия решения относительно использования осушенных земель являлось увеличение выхода продукции.

Предприятия не учитывали тот факт, что расширение масштабов использования осушенных земель приведет к росту издержек и вызовет убывающий эффект. А расширение доли пропашных культур в структуре посевов на торфяно-болотных почвах приведет в короткие сроки (30–40 лет) к уменьшению выхода продукции в связи с минерализацией торфа. В условиях общественной собственности общепринятой была практика совместного владения ресурсами. При таком владении проблема заключается в чрезмерном расходе ресурсов, поскольку плата за фактор производства, которая должна была бы поступать собственнику ресурса, присваивается собственниками других факторов, что увеличивает их доходы и способствует дальнейшей эксплуатации ресурса. Последствия такого использования ресурса перекладывалось на общество.

Целесообразность сохранения торфодобывающей отрасли и роста торфодобычи также должна быть переосмыслена с точки зрения устойчивого развития и ценности торфяников, их возможности предоставлять свои многочисленные и важные экосистемные услуги. Учитывая глобальную тенденцию, нацеленную на поиск альтернатив торфу как топливу и субстрату для выращивания растений, необходимо своевременно планировать соответствующие стратегии выхода для предприятий отрасли и переориентацию управления торфяниками с учетом их потенциала экосистемных услуг.

Литература

1. Болота Кузнецкого Алатау как естественные фильтры природных вод. И.И.Волкова, К.С.Байков, А.И.Сысо. Сибирский экологический журнал, 3 (2010) 379-388.

2. Влияние влажности почвы на содержание кадмия, свинца и урана в подвижных формах / Г.С. Соколик [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. хiм. навук. – 2018. – Т. 54, №3. – С. 338–348.

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЫРАБОТАННЫХ ТОРФЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕСЬЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ В. А. Ракович, Н. Н. Бамбалов, Н. Н. Молокова, Т. В. Селивончик. – Проблемы рационального использования природных ресурсов и устойчивое развитие Полесья : сб. докл. Междунар. науч. конф. (Минск, 14–17 сент. 2016 г.). В 2 т. Т. 2 / Нац. акад. наук Беларуси [и др.] ; редкол.: В. Г. Гусаков (гл. ред.) [и др.]. – Минск : Беларуская навука, 2016. – 691 с. : ил.

4. Головатый С. Е. Содержание миграционно активных форм свинца в дерново-подзолистых и торфяных почвах / С. Е. Головатый, Н. К. Лукашенко, З. С. Ковалевич // Экологический вестник. – 2010. – № 3 (13). – С. 15–22.

5. Груммо Д.Г. Материалы лекции «Болотные истории».

6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОСУШИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ А. Л. Шевченко, В. В. Долин, В. А. Нестеровский. – Проблемы рационального использования природных ресурсов и устойчивое развитие Полесья : сб. докл. Междунар. науч. конф. (Минск, 14–17 сент. 2016 г.). В 2 т. Т. 2 / Нац. акад. наук Беларуси [и др.] ; редкол.: В. Г. Гусаков (гл. ред.) [и др.]. – Минск : Беларуская навука, 2016. – 691 с. : ил.

7. Как болота фильтруют воду?

8. К. Е. Иванов. Водообмен в болотных ландшафтах. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1975 г.

9. НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ РАСТЕНИЯМИ ТОРФЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Л. П. Гашкова. – Проблемы рационального использования природных ресурсов и устойчивое развитие Полесья : сб. докл. Междунар. науч. конф. (Минск, 14–17 сент. 2016 г.). В 2 т. Т. 2 / Нац. акад. наук Беларуси [и др.] ; редкол.: В. Г. Гусаков (гл. ред.) [и др.]. – Минск : Беларуская навука, 2016. – 691 с. : ил.

10. Оценка существующих технологий добычи торфа с учетом их воздействия на окружающую среду / В. Т. Рахимова, М. А. Резник, А. В. Кудрякова, А. А. Галембо // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием (Екатеринбург, 12–16 декабря 2016 г.). — Екатеринбург : УрФУ, 2016. — С. 430-433.

11. Семененко, Н.Н. Торфяно-болотные почвы Полесья: трансформация и пути эффективного использования / Н.Н.Семененко. – Минск: Беларуская навука, 2015. – 282 с. – ISBN 978-985-08-1896-6.

12. T. Н. Mыслыва, П. В. Другаков, УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия» Ю. А. Белявский, Т. Н. Тимощук, Житомирский национальный агроэкологический университет. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БОЛОТНЫХ ПОЧВ И ТОРФЯНИКОВ ЖИТОМИРСКОГО ПОЛЕСЬЯ. Вісник ЖНАЕУ, 2016, № 2 (56), т. 1.

13. Чернобыльские радионуклиды снова в воздухе! Горят торфяники. Источник.

14. FAQ: Микроорганизмы в болотах. 5 фактов о биосферных функциях болот, численности населяющих их микроорганизмов и трудностях их исследования. Светлана Дедыш.

15. Ecology of Wetland Ecosystems: Water, Substrate, and Life. Julia A. Cherry. Nature Education, 2011.

16. Cherry, J. A. (2011) Ecology of Wetland Ecosystems: Water, Substrate, and Life. Nature Education Knowledge 3(10):16

17. Gorham E. Northern peatlands: role in carbon cycle and probable responses to climate warming. Ecol. Appl. 1991, 1, 182–195.

18. The Value of the World’s Ecosystem Services and Natural Capital. Robert Costanza, Rudolf de Groot. Nature, 1997.

---

Перепечатка материалов «Багны» возможна только с письменного разрешения редакции.

Публикация финансируется Шведским агентством по международному развитию и сотрудничеству «Сида». «Сида» необязательно разделяет мнение, выраженное в этом материале.

Особенности поверхности Земли | Физическая география

Особенности земной поверхности являются результатом действия конструктивных и деструктивных сил. Конструктивные силы вызывают рост рельефа. Извержение нового вулкана создает новую форму рельефа. Деструктивные силы стирают рельеф. Медленные процессы механического и химического выветривания и эрозии со временем превращают некогда высокие горы в гладкие плоские плато.

• Континенты — это большие территории, простирающиеся от высоких гор до уровня моря.
• Океанские бассейны простираются от краев континентов вниз по крутым склонам до дна океана и в глубокие желоба.

Континенты

Самым старым континентальным скалам миллиарды лет, поэтому у континентов было много времени, чтобы с ними что-то случилось. Конструктивные силы вызывают рост физических объектов на поверхности Земли, известных как формы рельефа. Деформация земной коры — когда кора сжимается, разрывается или скользит мимо другой коры — приводит к образованию холмов, долин и других форм рельефа.Горы поднимаются, когда сталкиваются континенты, когда одна плита океанской коры погружается под другую или плита континентальной коры, образуя цепь вулканов. Осадки откладываются, чтобы сформировать формы рельефа, такие как дельты.

Извержения вулканов также могут быть разрушительными силами, разносящими рельеф на части. Разрушительные силы выветривания и эрозии изменяют рельеф. Вода, ветер, лед и гравитация — важные силы эрозии. Эта сцена находится в пределах Восточно-Африканского разлома, где кора разрывается, образуя большую долину.

• Какие особенности являются результатом конструктивных сил? Вулканы были построены в долине в результате подъема магмы.
• Какие особенности являются результатом разрушительных сил? Вулканические взрывы или обвалы разрушили вулканические горы с образованием кратеров. Трещины, вызванные рифтингом в долине, являются признаками того, что долина распадается. Ручьи размываются вниз, в склоны вулканов. Оползни размывают крутые вулканы. Шрам от оползня виден на левой стороне небольшого, очень крутого вулканического конуса около центра изображения, а отложения оползня вышли из шрама.

Океанские бассейны

Все океанические бассейны моложе 180 миллионов лет. Хотя океанические бассейны начинаются там, где океан встречается с сушей, континент простирается вниз до морского дна, поэтому континентальная окраина состоит из континентальной коры. Само дно океана не является полностью плоским. Самая отличительная особенность — горный хребет, который проходит через большую часть океанического бассейна, известный как срединно-океанический хребет. Самые глубокие места океана — это океанические желоба, многие из которых расположены по краю Тихого океана.Цепи вулканов также встречаются в центре океанов, например, в районе Гавайев. На дне океана встречаются плоские равнины, покрытые грязью.

Меняющаяся Земля

Поверхность Земли изменяется в течение коротких и длительных периодов времени. Конструктивные силы вызывают образование новых объектов в результате вулканической активности или подъема земной коры. Существующие формы рельефа изменены разрушительными силами, возможно, даже разрушены водой, ветром, льдом и гравитацией. Под океанами вулканическая активность формирует новое морское дно, в то время как старое морское дно разрушается в траншеях.

1 Важность процессов на поверхности Земли | Пейзажи на краю: новые горизонты исследований поверхности Земли

1,2

ПРИМЕРЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ СВЯЗИ ЗЕМЛИ

Климат, тектоника и процессы на поверхности

Взаимосвязанные процессы на поверхности Земли связаны с процессами внутри Земли различными способами, которые простираются на тысячелетние и более длительные временные масштабы.Например, высота и форма поднимающихся гор влияют на региональные погодные условия, которые влияют на скорость эрозии через количество и тип осадков. Поскольку реки и ледники, подпитываемые топографически контролируемыми осадками, глубоко врезаются в поднятые породы в тектонически активных областях, их концентрированная эрозия подтягивает еще больше горных пород вверх из-за эффекта разгрузки (рис. 1.2). Пространственные вариации эрозии в горном поясе из-за климатических различий могут влиять на характер восходящего и бокового движения горных пород к поверхности Земли.В то время как объем горных пород, втянутых в горный пояс, зависит от процессов на поверхности Земли, состав горных пород также изменяется, и это изменение может повлиять на климат. Химическое выветривание горных пород, недавно обнаженных в быстро поднимающихся горах, влияет на химический состав воды, истощающей горы, и может приводить к поглощению углекислого газа в атмосфере, тем самым влияя на климат в течение относительно длительных периодов геологического времени.

Даже в этих геологических временных масштабах биота имеет решающее значение для динамических процессов в горных поясах.Биотические процессы опосредуют скорость разрушения горных пород (в результате выветривания), развитие почвы и эрозию склонов и сильно влияют на количество, размер и состав наносов, попадающих в реки. Затем этот осадок влияет на скорость врезания коренных пород, геометрию и динамику канала, а также на экосистемы, которые колонизируют территорию.

Динамика человека и ландшафта

В основном за последние 3 тысячелетия люди удалили и заменили растительный покров, ускорили эрозию почв на возвышенностях и увеличили поступление наносов в ручьи в результате эрозии возвышенностей во многих частях мира (Рисунок 1.3). Тем не менее, строительство рек по всему миру увеличило время улавливания наносов и время их пребывания, что значительно сократило доставку наносов к побережьям и дельтам. Хотя плотины обеспечивают значительные социальные выгоды, включая уменьшение наводнений, гидроэнергетику и воду для орошения, их влияние на перенос наносов вызвало коллапс речных экосистем и истощение береговых отложений, что привело к непредвиденному оседанию дельты, потере водно-болотных угодий и усилению береговой эрозии. .

Практически каждый процесс на поверхности Земли был изменен деятельностью человека, что усиливает потребность в новых исследованиях динамики человеческого ландшафта и в расширении возможностей прогнозирования реакции процессов на влияние человека.Ученые, занимающиеся изучением поверхности Земли, имеют уникальную и своевременную возможность использовать новые инструменты и комплексные подходы для улучшения понимания и прогнозирования будущих изменений. Что еще более важно, они могут передать свои

Поверхность Земли — обзор

1.5 Покровные пласты в контексте концепции «критической зоны Земли»

Поверхность Земли является буквально основой для всех видов использования человеком ландшафта. Однако человеческое влияние не ограничивается поверхностью; скорее, есть много взаимодействий с приповерхностными материалами, например, с точки зрения питательных веществ и воды, доставленных оттуда к посевам и деревьям, или загрязнения, внесенного в подповерхностный слой.Для фундаментальных исследований поверхность и недра представляют равный интерес, потому что они составляют основной интерфейс для всех процессов Земля-поверхность.

Важность приповерхностных материалов — с отложениями на склонах, которые являются одними из самых распространенных из этих материалов — признавалась на протяжении десятилетий, но это было достигнуто значительным прогрессом благодаря концепции «критической зоны Земли». Эта концепция пытается интегрировать все экологические взаимозависимости от верхней части слоя растительного покрова до активной фреатической зоны включительно.Он рассматривает подповерхность как границу раздела между твердыми материалами, из которых состоит Земля, и ее жидкими оболочками (атмосфера, открытые водоемы). Здесь происходит коэволюция форм рельефа, почв и биоты, которые, со своей стороны, влияют друг на друга, а также на критическую зону в целом через различные механизмы обратной связи (Brantley et al., 2006). Соответственно, эта концепция выходит за рамки дисциплин, охватывая практически все области наук о Земле и о жизни (Brantley et al., 2007).Признано, что явления и процессы в критической зоне имеют решающее значение для поддержания жизни на планете (Rasmussen et al., 2010). В этой книге подробно рассматриваются состав и структура твердых материалов критической зоны на склонах, а также некоторые аспекты их роли в качестве интерфейса. Он предлагает не альтернативную концепцию, а конкретизацию оснований и структур в ядре критической зоны.

Концепция биомантии может рассматриваться как часть современной концепции критической зоны (Johnson, Lin, 2006), хотя она несколько старше (Johnson, 1990).Биомантия определяется как верхняя часть почвы, которая в основном является продуктом деятельности биоты, где биотурбация является доминирующим процессом в формировании свойств почвы. Основным преимуществом этой концепции является то, что она сосредоточена на воздействии организмов на приповерхностные материалы, которым раньше часто пренебрегали. Однако часто предполагается, что биотурбация даже привела к образованию «эпидермальной» верхней части почвы, а другие процессы были в лучшем случае вспомогательными (Johnson, 1990; Johnson et al., 2005; Патон и др., 1995; Schaetzl and Anderson, 2005).

Среди исследователей покровного слоя хорошо известно, что самый верхний покров (так называемый верхний слой) Центральной Европы был изменен под воздействием фауны (включая человека), флоры и микроорганизмов в течение более чем 10 000 лет. с момента его осаждения (Frühauf, 1991; Russow, Heinrich, 2001). Взаимозависимость между слоистым грунтом и растительностью уже была продемонстрирована Генрихом (1991), который проанализировал последствия сильного шторма, в результате которого деревья с менее глубокими корнями оказались в богатых питательными веществами трехкратной сукцессии покровного слоя, в то время как деревья с более глубокими корнями — на скудных. остались в живых две череды.Однако только взбалтывание биотой редко может объяснить все различия между материалами, наиболее близкими к поверхности, и материалами, находящимися под ними, особенно если содержание обломков, стабильный минеральный состав или другие свойства, описанные выше для распознавания несоответствий, заметно расходятся; или, если сохранились первичные особенности отложений, такие как ориентация обломков. Биота, как и многие другие процессы почвообразования, скорее, вполне может адаптироваться к существовавшим ранее границам в почвах и, таким образом, усиливать и укреплять их, но не более того — по крайней мере, в средних широтах, на которых сосредоточена эта книга.

Хотя это известно давно (например, Yaalon and Ganor, 1973), добавление эолового вещества к почвам, полученного в основном из других материалов, можно рассматривать как один из аспектов текущих исследований критических зон (Derry and Chadwick, 2007). Это добавление часто понимают как квазинепрерывный процесс (например, Birkeland, 1999), хотя Chadwick и Davis (1990) показали, что добавление эоловых отложений также могло происходить импульсами. Если добавление эоловых отложений происходило в основном через текущую границу раздела, современную поверхность, можно было бы ожидать непрерывного уменьшения содержания эоловой материи с увеличением глубины, что часто бывает не так (например,г., Клебер, 2011). Скорее, эоловое добавление может происходить из более старых, переработанных материалов, может быть сингенетическим с отложением соответствующего осадка или действительно может быть добавлено позже.

Национальный стандарт географии 7 | Национальное географическое общество

Географически информированный человек должен понимать, что физические системы создают, поддерживают и изменяют элементы, составляющие поверхность Земли. Физическая среда обеспечивает необходимый фон для всей человеческой деятельности на Земле.

Таким образом, Стандарт 7 содержит следующие темы: Компоненты физических систем Земли, Взаимоотношения Земля-Солнце и Физические процессы.

Есть четыре физических системы: атмосфера, биосфера, гидросфера и литосфера. Они составляют важнейшие единицы физических систем планеты. Признание взаимодействий внутри этих четырех компонентов и между ними позволяет понять, как Земля служит домом для всех живых существ — растений, животных и людей.

Почти вся энергия Земли поступает от Солнца. Синхронизированные отношения Земля-Солнце необходимы для того, чтобы планета была пригодной для жизни и способной поддерживать жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. Положение Земли относительно Солнца влияет на события и условия во всех частях мира. Количество солнечной энергии, получаемой местом, зависит от циклически меняющихся углов падения солнечных лучей. Времена года возникают из-за наклона Земли и ее вращения вокруг Солнца, вызывая различные модели нагрева, и, таким образом, существенно влияют на климат и погоду, а также на деятельность человека.

Физические процессы на Земле постоянно меняются. Эти процессы, включая движение тектонических плит в земной коре, ветровую и водную эрозию, а также отложения, формируют особенности поверхности Земли.

Понимание того, как работают физические системы, может повлиять на выбор людей в отношении места проживания, типов зданий, которые они строят, сетей путешествий, которые они развивают, и того, как они в целом ведут свою жизнь. Учитывая неопределенную траекторию и последствия глобального изменения климата, знания о факторах, влияющих на погоду и климат, важны как для личного, так и для правительственного принятия решений.Глобальное изменение климата — это проблема государственной политики, которую должны решать правительства, что приведет к действиям, которые определяют здоровье, безопасность и экономическое благополучие людей во всем мире. Обоснованные и ответственные политические решения должны исходить из четкого понимания взаимодействий между физическими системами Земли, а также процессов, их создающих.

Студенты должны понимать влияние физических систем на поверхность Земли. Понимание этих тем позволяет учащимся увидеть, как изменяющаяся физическая среда является сценой для всей человеческой деятельности.

Изменение климата: свидетельства и причины

Рисунок b1. Парниковые газы в атмосфере, включая водяной пар, двуокись углерода, метан и закись азота, поглощают тепловую энергию и излучают ее во всех направлениях (включая нисходящие), сохраняя поверхность Земли и нижние слои атмосферы теплыми. Добавление в атмосферу большего количества парниковых газов усиливает эффект, делая поверхность Земли и нижние слои атмосферы еще теплее. Изображение основано на данных Агентства по охране окружающей среды США. (увеличенная версия)

Парниковые газы влияют на энергетический баланс и климат Земли

Солнце служит основным источником энергии для климата Земли.Часть поступающего солнечного света отражается обратно в космос, особенно от ярких поверхностей, таких как лед и облака, а остальная часть поглощается поверхностью и атмосферой. Большая часть этой поглощенной солнечной энергии переизлучается в виде тепла (длинноволновое или инфракрасное излучение). Атмосфера, в свою очередь, поглощает и повторно излучает тепло, часть которого уходит в космос. Любое нарушение этого баланса входящей и исходящей энергии повлияет на климат. Например, небольшие изменения в выходе энергии Солнца напрямую повлияют на этот баланс.

Если бы вся тепловая энергия, излучаемая с поверхности, проходила через атмосферу непосредственно в космос, средняя температура поверхности Земли была бы на десятки градусов ниже, чем сегодня. Парниковые газы в атмосфере, включая водяной пар, двуокись углерода, метан и закись азота, делают поверхность намного теплее, чем это, потому что они поглощают и излучают тепловую энергию во всех направлениях (в том числе вниз), сохраняя поверхность Земли и нижние слои атмосферы в тепле. [Рисунок B1]. Без этого парникового эффекта жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не могла бы развиваться на нашей планете.Добавление большего количества парниковых газов в атмосферу делает его еще более эффективным в предотвращении утечки тепла в космос. Когда уходящая энергия меньше поступающей, Земля нагревается до тех пор, пока не будет установлен новый баланс.

Парниковые газы, выделяемые в результате деятельности человека, изменяют энергетический баланс Земли и, следовательно, ее климат. Люди также влияют на климат, изменяя характер поверхности земли (например, вырубая леса для ведения сельского хозяйства) и через выбросы загрязняющих веществ, которые влияют на количество и тип частиц в атмосфере.

Ученые определили, что, если учесть все антропогенные и природные факторы, климатический баланс Земли изменился в сторону потепления, причем наибольший вклад внесло увеличение CO ₂ .

Рисунок b2. Измерения CO ₂ в атмосфере с 1958 года, проведенные обсерваторией Мауна-Лоа на Гавайях (черный цвет) и с Южного полюса (красный цвет), показывают устойчивое ежегодное увеличение концентрации CO ₂ в атмосфере. Измерения производятся в таких удаленных местах, как эти, потому что на них не сильно влияют местные процессы, поэтому они являются репрезентативными для фоновой атмосферы.Небольшая зубчатая диаграмма движения вверх и вниз отражает сезонные изменения в выбросе и поглощении CO ₂ растениями. Источник: Программа Scripps CO2 (увеличенная версия)

Деятельность человека привела к увеличению выбросов парниковых газов в атмосферу

Концентрации в атмосфере углекислого газа, метана и закиси азота значительно увеличились с начала промышленной революции. Что касается углекислого газа, то средняя концентрация, измеренная в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях, выросла с 316 частей на миллион (ppm) в 1959 году (первый полный год имеющихся данных) до более чем 411 ppm в 2019 году [Рисунок B2] .С тех пор такие же темпы роста были зафиксированы на многих других станциях по всему миру. С доиндустриальных времен концентрация CO ₂ в атмосфере увеличилась более чем на 40%, метана — более чем на 150%, а закиси азота — примерно на 20%. Более половины увеличения CO ₂ произошло с 1970 года. Увеличение всех трех газов способствует потеплению Земли, причем увеличение CO ₂ играет самую большую роль. См. Страницу B3, чтобы узнать об источниках выбросов парниковых газов человеком.Узнайте об источниках выбросов парниковых газов человеком.

Рисунок b3. Изменения CO ₂ за последние 1000 лет, полученные в результате анализа воздуха, захваченного в ледяном керне, извлеченном из Антарктиды (красные квадраты), показывают резкое повышение содержания CO ₂ в атмосфере, начиная с конца 19 века. Современные атмосферные измерения с Мауна-Лоа наложены серым цветом. Источник: рисунок Эрика Вольфа, данные Etheridge et al., 1996; MacFarling Meure et al., 2006; Scripps CO ₂ Программа.(увеличенная версия)

Ученые исследовали парниковые газы в контексте прошлого. Анализ воздуха, заключенного во льду, который со временем накапливался в Антарктиде, показывает, что концентрация CO ₂ начала значительно увеличиваться в 19 веке [Рисунок B3] после того, как последние 10 000 лет оставалась в диапазоне от 260 до 280 ppm. . Записи ледяных кернов, насчитывающие 800000 лет, показывают, что в течение этого времени концентрации CO ₂ оставались в пределах от 170 до 300 ppm на протяжении многих циклов «ледникового периода» — узнайте о ледниковых периодах — и не наблюдается концентрации выше 300 ppm в записи ледяных кернов до последних 200 лет.

Измерения форм (изотопов) углерода в современной атмосфере показывают четкий отпечаток добавления «старого» углерода (обедненного естественным радиоактивным веществом ¹⁴ C), образующегося при сжигании ископаемого топлива (в отличие от «нового» углерод, поступающий из живых систем). Кроме того, известно, что деятельность человека (исключая изменения в землепользовании) в настоящее время выбрасывает около 10 миллиардов тонн углерода каждый год, в основном за счет сжигания ископаемого топлива, что более чем достаточно, чтобы объяснить наблюдаемое увеличение концентрации.Эти и другие доказательства убедительно указывают на то, что повышенная концентрация CO ₂ в нашей атмосфере является результатом деятельности человека.

Рисунок b4. Средняя глобальная температура поверхности Земли повысилась, как показано на этом графике комбинированных измерений суши и океана с 1850 по 2019 год, полученных на основе трех независимых анализов имеющихся наборов данных. На верхней панели показаны среднегодовые значения из трех анализов, а на нижней панели показаны средние значения за десятилетия, включая диапазон неопределенности (серые полосы) для набора данных темно-бордового цвета (HadCRUT4).Температурные изменения относятся к средней глобальной приземной температуре, усредненной за 1961–1990 годы. Источник: на основе AR5 IPCC, данные из набора данных HadCRUT4 (черный), NOAA Climate.gov; данные Центра Хэдли Метеорологического бюро Великобритании (бордовый), Института космических исследований имени Годдарда Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства (красный) и Национальных центров экологической информации Национального управления океанических и атмосферных исследований США (оранжевый). (увеличенная версия)

Климатические записи показывают тенденцию к потеплению

Оценка повышения средней глобальной приземной температуры воздуха требует тщательного анализа миллионов измерений со всего мира, в том числе с наземных станций, кораблей и спутников.Несмотря на множество сложностей, связанных с синтезом таких данных, несколько независимых групп по отдельности и единогласно пришли к выводу, что глобальная средняя температура приземного воздуха повысилась примерно на 1 ° C (1,8 ° F) с 1900 г. [Рисунок B4]. Хотя запись показывает несколько пауз и ускорений в тенденции к увеличению, каждое из последних четырех десятилетий было теплее, чем любое другое десятилетие в инструментальных отчетах с 1850 года.

Если вернуться в прошлое до того, как точные термометры стали широко доступны, температуры можно реконструировать с помощью чувствительных к климату индикаторов, «заместителей» в таких материалах, как кольца деревьев, ледяные керны и морские отложения.Сравнение показаний термометра с этими косвенными измерениями показывает, что время с начала 1980-х годов было самым теплым 40-летним периодом по крайней мере за восемь веков, и что глобальная температура повышается до пиковых температур, которые в последний раз наблюдались 5000-10 000 лет назад в самые теплые периоды. часть нашего нынешнего межледникового периода.

Многие другие воздействия, связанные с тенденцией к потеплению, стали очевидными в последние годы. Летний ледяной покров Арктики резко сократился. Теплосодержание океана увеличилось.С 1901 года глобальный средний уровень моря повысился примерно на 16 см (6 дюймов) как из-за расширения более теплой океанской воды, так и из-за добавления талых вод из ледников и ледяных щитов на суше. Изменения в потеплении и осадках меняют географические ареалы многих видов растений и животных и сроки их жизненных циклов. Помимо воздействия на климат, часть избытка CO ₂ в атмосфере поглощается океаном, изменяя его химический состав (вызывая закисление океана).

Многие сложные процессы формируют наш климат

Основываясь только на физике количества энергии, которое поглощает и излучает CO ₂ , удвоение концентрации CO ₂ в атмосфере по сравнению с доиндустриальными уровнями (примерно до 560 ppm) само по себе вызовет повышение средней глобальной температуры. около 1 ° C (1,8 ° F). Однако в общей климатической системе все обстоит сложнее; потепление приводит к дополнительным эффектам (обратной связи), которые либо усиливают, либо уменьшают первоначальное потепление.

Самая важная обратная связь связана с различными формами воды. Более теплая атмосфера обычно содержит больше водяного пара. Водяной пар — мощный парниковый газ, вызывающий еще большее потепление; его короткое время жизни в атмосфере продолжает расти вместе с потеплением. Таким образом, водяной пар рассматривается как усилитель, а не как двигатель изменения климата. Более высокие температуры в полярных регионах тают морской лед и уменьшают сезонный снежный покров, обнажая более темный океан и поверхность суши, которые могут поглощать больше тепла, вызывая дальнейшее потепление.Еще одна важная, но неопределенная обратная связь касается изменений в облаках. Вместе потепление и увеличение количества водяного пара может вызвать увеличение или уменьшение облачного покрова, что может либо усилить, либо ослабить изменение температуры в зависимости от изменений горизонтальной протяженности, высоты и свойств облаков. Последняя научная оценка показывает, что общий чистый глобальный эффект изменения облачности, вероятно, приведет к усилению потепления.

Океан смягчает изменение климата. Океан — это огромный резервуар тепла, но его трудно нагреть на всю глубину, потому что теплая вода имеет тенденцию оставаться у поверхности.Таким образом, скорость, с которой тепло передается глубоководным океанам, невысока; он меняется от года к году и от десятилетия к десятилетию, и он помогает определить темпы потепления на поверхности. Наблюдения за подповерхностным слоем океана были ограничены примерно до 1970 года, но с тех пор становится очевидным потепление на высоте 700 м (2300 футов), и более глубокое потепление также явно наблюдается примерно с 1990 года.

Температура поверхности и количество осадков в большинстве регионов сильно отличаются от среднемировых из-за географического положения, в частности широты и положения на континенте.Как средние значения температуры, количества осадков, так и их экстремальные значения (которые, как правило, оказывают наибольшее воздействие на природные системы и инфраструктуру человека) также сильно зависят от местных моделей ветров.

Оценка эффектов процессов обратной связи, темпов потепления и регионального изменения климата требует использования математических моделей атмосферы, океана, суши и льда (криосферы), построенных на установленных законах физики и новейшем понимании физические, химические и биологические процессы, влияющие на климат, и выполняемые на мощных компьютерах.Модели различаются по своим прогнозам ожидаемого дополнительного потепления (в зависимости от типа модели и допущений, используемых при моделировании определенных климатических процессов, особенно образования облаков и перемешивания океана), но все такие модели согласны с тем, что общий чистый эффект обратной связи усилить утепление.

Деятельность человека меняет климат

Тщательный анализ всех данных и доказательств показывает, что большая часть наблюдаемого глобального потепления за последние 50 лет или около того не может быть объяснена естественными причинами и вместо этого требует значительной роли влияния деятельности человека.

Чтобы понять влияние человека на климат, ученые должны учитывать множество естественных вариаций, которые влияют на температуру, осадки и другие аспекты климата от местного до глобального масштаба, во временных масштабах от нескольких дней до десятилетий и более. Одной из естественных вариаций является Южное колебание Эль-Ниньо (ENSO), нерегулярное чередование потепления и похолодания (продолжающееся от двух до семи лет) в экваториальной части Тихого океана, которое вызывает значительные региональные и глобальные ежегодные сдвиги в режимах температуры и осадков. .Извержения вулканов также изменяют климат, отчасти увеличивая количество мелких (аэрозольных) частиц в стратосфере, которые отражают или поглощают солнечный свет, что приводит к краткосрочному похолоданию поверхности, которое обычно длится около двух-трех лет. На протяжении сотен тысяч лет медленных, повторяющихся изменений орбиты Земли вокруг Солнца, которые меняют распределение солнечной энергии, получаемой Землей, было достаточно, чтобы вызвать циклы ледникового периода последних 800000 лет.

Снятие отпечатков пальцев — мощный способ изучения причин изменения климата.Различное влияние на климат приводит к разным моделям, наблюдаемым в климатических записях. Это становится очевидным, когда ученые исследуют не только изменения средней температуры планеты, но и более внимательно изучают географические и временные закономерности изменения климата. Например, увеличение выработки энергии Солнцем приведет к совершенно иному паттерну изменения температуры (по поверхности Земли и по вертикали в атмосфере) по сравнению с изменением, вызванным увеличением концентрации CO ₂ .Наблюдаемые изменения температуры атмосферы показывают отпечаток пальца, гораздо более близкий к долговременному увеличению CO ₂ , чем к отпечатку одного лишь колеблющегося Солнца. Ученые регулярно проверяют, могут ли чисто естественные изменения Солнца, вулканическая активность или внутренняя изменчивость климата правдоподобно объяснить закономерности изменений, которые они наблюдали во многих различных аспектах климатической системы. Эти анализы показали, что наблюдаемые изменения климата за последние несколько десятилетий нельзя объяснить только природными факторами.

Рисунок b5. Степень и скорость потепления, ожидаемые в 21 веке, зависят от общего количества парниковых газов, выделяемых человечеством. Модели прогнозируют повышение температуры для обычного сценария выбросов (красный цвет) и агрессивное сокращение выбросов, которое через 50 лет упадет почти до нуля (синим цветом). Черный — смоделированная оценка потепления в прошлом. Каждая сплошная линия представляет собой среднее значение различных прогонов модели с использованием одного и того же сценария выбросов, а заштрихованные области представляют собой меру разброса (одно стандартное отклонение) между изменениями температуры, прогнозируемыми различными моделями.Все данные относятся к базисному периоду (установленному на ноль) 1986-2005 гг. Источник: на основе AR5 IPCC (большая версия)

.

Как изменится климат в будущем?

Ученые добились значительных успехов в наблюдениях, теории и моделировании климатической системы Земли, и эти достижения позволили им с большей уверенностью прогнозировать изменение климата в будущем. Тем не менее, несколько основных проблем не позволяют дать точные оценки того, как глобальные или региональные температурные тренды будут развиваться десятилетие за десятилетием в будущем.Во-первых, мы не можем предсказать, сколько CO ₂ будет выделять деятельность человека, поскольку это зависит от таких факторов, как развитие мировой экономики и изменение производства и потребления энергии обществом в ближайшие десятилетия. Во-вторых, при нынешнем понимании сложности того, как работают обратные связи климата, существует ряд возможных результатов, даже для конкретного сценария выбросов CO ₂ . Наконец, в течение примерно одного десятилетия естественная изменчивость может модулировать эффекты основного тренда температуры.Взятые вместе, все модельные прогнозы показывают, что Земля будет продолжать нагреваться значительно больше в течение следующих нескольких десятилетий или столетий. Если бы не было технологических или политических изменений, направленных на сокращение тенденций выбросов по сравнению с их текущей траекторией, то в течение 21-го числа можно было бы ожидать дальнейшего глобального потепления на 2,6–4,8 ° C (от 4,7 до 8,6 ° F) в дополнение к тому, что уже произошло. века [Рисунок B5]. Прогнозирование того, что эти диапазоны будут означать для климата в любом конкретном месте, является сложной научной задачей, но оценки продолжают улучшаться по мере развития региональных и местных моделей.

Что вызывает изменение климата Земли?

Три изменения орбиты Земли вокруг Солнца — эксцентриситет, наклон оси и прецессия — все вместе называются «циклами Миланковича».

Согласно теории Миланковича, эти три цикла в совокупности влияют на количество солнечного тепла, которое достигает поверхности Земли, а затем влияет на климатические модели, включая периоды оледенения (ледниковые периоды). Период времени между этими изменениями может составлять десятки тысяч лет (прецессия и наклон оси) или более сотен тысяч лет (эксцентриситет).

Орбита Земли. BGS © UKRI.

Орбита Земли

Орбита Земли вокруг Солнца представляет собой эллипс (овальную форму), но это не всегда такая же форма эллипса. Иногда он почти круглый, и Земля остается примерно на одном и том же расстоянии от Солнца на протяжении всей своей орбиты. В других случаях эллипс более выражен, так что Земля движется все ближе и дальше от Солнца по своей орбите.

Когда Земля находится ближе к Солнцу, наш климат теплее, и этот цикл также влияет на продолжительность сезонов.Мера отклонения формы от круга, в данном случае от земной орбиты, называется «эксцентриситетом».

Круговая орбита (слева) и эллиптическая орбита (справа). Чем ближе Земля к Солнцу, тем теплее ее климат. BGS © UKRI.

Наклон оси Земли

Наклон оси Земли называется ее «наклоном». Этот угол меняется со временем, и примерно за 41 000 лет он перемещается с 22,1 ° на 24,5 ° и обратно. Когда угол увеличивается, лето становится теплее, а зима холоднее.

Наклон. BGS © UKRI.

Прецессия Земли

Земля качается вокруг своей оси, как волчок, который замедляется. Это называется «прецессией» и вызвано гравитационным притяжением Луны и Солнца на Землю. Это означает, что Северный полюс меняется в том месте, куда он указывает на небе. В настоящее время ось Земли указывает на Полярную звезду, Полярную звезду, но за тысячи лет ось движется по кругу и указывает на разные части неба.Это влияет на сезонные контрасты между полушариями и время года.

Прецессия. BGS © UKRI.

Критических агентов изменений на поверхности Земли

Столетия колонизации и развития экстенсивно и интенсивно изменили ландшафты Северной Америки, особенно на востоке, где экосистемы были быстро преобразованы для сельского хозяйства, лесоводства, добычи полезных ископаемых и использования в жилых помещениях. Колониальные города сначала возникли вдоль берегов и рек, а затем распространились дальше вглубь страны и на запад, в конечном итоге соединяясь автомагистралями, железными дорогами и электросетями.Эти изменения сильно изменили гидрологию и ускорили эрозию почвы на большей части континента, а также изменили сообщества растений и животных, внесли загрязняющие вещества, изменили баланс углерода и питательных веществ и изменили концентрацию растворенных веществ в водоемах.

Примеры изменений ландшафта включают прореживание почв, где эрозия опередила выветривание горных пород и образование новой почвы и препятствовала естественному восполнению прибрежной среды, где разрастающиеся плотины на ручьях и реках прерывают перенос эродированных частиц.Короче говоря, люди стали основными проводниками изменений в формировании критической зоны континента — приповерхностной среды Земли, которая поддерживает земную жизнь, — а прошлое наследие и нынешнее развитие человеческой деятельности будут влиять на экосистемы и критическую зону на протяжении тысячелетий.

На протяжении более десяти лет работа на объектах в восточной части США позволила исследовать природу и многие наследие человеческих преобразований в критической зоне. В геологически разнообразных и покрытых лесом холмах и долинах центральной Пенсильвании исследователи из обсерватории критической зоны Саскуэханна Шейл-Хиллз (CZO) описали, как наследие атмосферного загрязнения продолжает формировать процессы в критических зонах.В Южной Каролине, среди Южного Пьемонта, ученые из Calhoun CZO изучают влияние исторического земледелия, которое настолько сильно подорвало и заморозило регион, что даже 100 лет впечатляющего лесовосстановления замаскировали не только восстановленные изменения в местных экосистемах. Между тем, в высокотравных прериях Среднего Запада, на одних из самых плодородных почв на Земле, работа в Интенсивно управляемых ландшафтах (IML) CZO была сосредоточена на понимании того, как 200 лет промышленного сельского хозяйства на огромных просторах значительно изменили унаследованный ландшафт. из последнего ледникового периода.

Здесь мы кратко рассмотрим открытия, сделанные в этих трех обсерваториях, чтобы показать фундаментальную важность взаимодействия человека с критической зоной и почему дальнейшее изучение этих взаимодействий является ключом к будущему науки о критических зонах.

Загрязняющие вещества критической зоны

На протяжении 1800-х годов лесные угодья на территории современного участка Саскуэханна Шейл-Хиллз и вокруг него были сплошно вырублены, чтобы обеспечить древесиной местные чугуноплавильные заводы. Хотя леса с тех пор отросли, почвы там зафиксировали атмосферное осаждение загрязняющих веществ из антропогенных источников, включая избыточные сульфаты и нитраты, связанные с кислотными дождями и повышенными уровнями металлов, полученных при плавке и сжигании угля до 1920 года [ Brantley et al., 2018].

В обсерватории критической зоны Саскуэханна-Шейл-Хиллз в Пенсильвании теперь растет лес умеренного пояса на земле, когда-то сплошной вырубке древесины. Фото: Элизабет Херндон

После осаждения сложные взаимодействия в критической зоне контролировали временные рамки, в течение которых эти загрязнители сохраняются и мобилизуются. Например, несмотря на десятилетия осаждения азота, экспорт азота в водотоки остается низким из-за его сильного удержания лесной растительностью и микробных преобразований почвенного азота в такие газы, как закись азота [ Weitzman and Kaye , 2018].Лес также сохраняет некоторые металлы-загрязнители, такие как марганец, медь, цинк и кадмий, за счет связывания с растительной биомассой и накопления в разлагающейся подстилке [ Kraepiel et al. , 2015]. Напротив, свинец и молибден прочно связываются с органическими веществами почвы и прочно удерживаются в поверхностных почвах с минимальным поглощением растениями.

Удержание загрязняющих веществ неоднородно по всему водоразделу в ЧЗО; скорее, мобилизация и экспорт строго контролируются структурой водосбора.Сходящиеся склоны холмов собирают и переносят стоки и остаются, по крайней мере, частично насыщенными в течение года, создавая временно низкие условия содержания кислорода, которые способствуют экспорту определенных загрязнителей в газообразной и растворенной формах [ Weitzman and Kaye , 2018; Brantley et al. , 2018].

Понимание процессов в критических зонах, особенно в отношении переноса и трансформации, необходимо для полной интерпретации динамики загрязнителей. Накопление атмосферных загрязнителей в водосборных бассейнах имеет долгосрочные последствия для функционирования экосистем.Осаждение азота может ослабить ограничение азота для организмов, а также вызвать ограничение других элементов, таких как фосфор. Высокие концентрации биодоступных металлов также могут ухудшить здоровье деревьев: например, токсичность марганца была связана с сокращением количества сахарного клена в регионе.

Сроки и масштабы вывоза загрязняющих веществ из водосборов также имеют последствия для водных экосистем. Низкое удерживание в почве может привести к импульсам питательных веществ и металлов в ручьях, которые вызывают эвтрофикацию и токсичность, тогда как высокое удерживание может вызвать медленный выброс низких, но устойчивых уровней загрязняющих веществ в водные экосистемы.Понимание процессов в критических зонах, особенно в отношении переноса и трансформации, необходимо для полной интерпретации этой динамики загрязнения.

Наследие эрозии

В середине-конце 1700-х годов европейцы и порабощенные африканцы начали превращать коренные леса Южного Пьемонта в сельскохозяйственные поля [ Coughlan and Nelson , 2019]. Первоначально возделывались плодородные поймы, иногда на тех же полях, которые ранее возделывались коренными американцами.С появлением хлопка иммиграция в этот район и вырубка лесов ускорились; о деградации почвы в оврагах писали в местных газетах еще в 1850-х годах. В эпоху после Гражданской войны фермы расширились на более крутые склоны холмов, и террасирование стало обычным явлением для борьбы с эрозией и образованием оврагов [ Brecheisen et al. , 2019]. Однако обширное террасирование оказалось неэффективным, поскольку возвышенности потеряли значительное количество почвы, а низины оказались затопленными унаследованными отложениями глубиной в несколько метров [ Wade et al., 2020].

К 1930-м годам состояние сельскохозяйственных угодий Пьемонта ухудшилось до такой степени, что фермерские семьи начали массово покидать свои земли. В середине 1930-х годов Лесная служба США (USFS) приобрела более 100 000 гектаров сельскохозяйственных угодий для создания национального леса Самтер. USFS также начало изучать, как управлять этими хрупкими деградировавшими землями и восстанавливать их, создав экспериментальный лес Кэлхун среди того, что агентство охарактеризовало как «самые бедные из условий Пьемонта». Почти столетие спустя в Национальном лесу Самтер было начато создание Calhoun CZO для изучения того, как лесовосстановление при поддержке USFS позволило восстановить критическую зону после серьезных нарушений в сельском хозяйстве [ Richter et al., 2014].

Чем дольше длится этот эксперимент, тем больше ученые ценят наследие исторического земледелия, которое все еще обнаруживается в почве сегодня. Одно долгое (и все еще продолжающееся) полевое исследование, позволяющее количественно оценить изменения почвы за 7 десятилетий во время отрастания леса, стало центральным элементом работы. в Calhoun CZO, показывая, среди прочего, как ухудшающиеся леса накапливают органический углерод, а также истощают почвы питательных элементов. Почвы были сильно подкислены во время лесовозобновления, что, по оценкам исследователей, примерно на 60% связано с внутренними экосистемными процессами, тогда как до 40% связано с кислотными атмосферными выпадениями, в основном из-за загрязнения серой.Чем дольше длится этот эксперимент, тем больше ученые ценят наследие исторического сельского хозяйства, которое до сих пор находится в почве. Теперь мы понимаем, что в прошлом фермеры не только ускоряли эрозионную потерю почвы, но и повышали ее плодородие за счет скудных добавок кальция и фосфора [ Richter et al. , 2014]. Эти добавленные питательные вещества были переработаны вторичными лесами, которые сегодня растут по всему ландшафту.

Недавние исследования критических зон, основанные на этом долгосрочном эксперименте, значительно расширили наше понимание последствий для экосистем от устаревшего землепользования [ Mobley et al., 2019]. Появившаяся картина показывает, что ускоренная эрозия на участке Калхун изменила морфологию склонов холмов и что разрез оврага отводит большие объемы воды, которые в противном случае были бы доступны растениям на почвах склонов. Захоронение бывших пойм с унаследованными отложениями изменило морфологию долины, заполнило поймы и продолжает создавать повышенные наносы в водах ниже по течению — ситуация, которая, вероятно, будет сохраняться в течение многих десятилетий, если не столетий.

Управление и модификации Сельскохозяйственные методы на плодородных землях Среднего Запада сильно изменили исконные земли прерий. Предоставлено: Правин Кумар

В IML CZO, который включает три участка в Иллинойсе, Айове и Миннесоте, исследователи изучают основные модификации критической зоны, использованной человеком для достижения высоких уровней урожайности. Практика управления земельными ресурсами включает частую обработку почвы, повсеместное внесение удобрений и подпочвы (например.g., водостоки из плитки) и модификации поверхности для улучшения условий влажности почвы на плоских, плохо дренированных полях [ Kumar et al. , 2018]. Эти активные и энергоемкие антропогенные модификации увеличивают урожайность сельскохозяйственных культур, но они также способствуют эрозии почвы и почвенного органического углерода с возвышенностей и их отложению в поймах, изменениям физических и химических характеристик почвы [ Yan et al. , 2019], а также увеличение переноса питательных веществ и наносов в реки.

Эти процессы ухудшают качество почвы и воды как локально, так и далеко вниз по течению.Многие исследования, например, демонстрируют, как перенос избыточных питательных веществ, в первую очередь с сельскохозяйственных угодий Среднего Запада, в Мексиканский залив вызывает серьезную эвтрофикацию и гипоксию, которые приводят к токсическим условиям для морской жизни [например, Khanna et al. , 2019]. Исследования IML CZO привели к лучшему пониманию того, как процессы в критических зонах реагируют на преобладающее промышленное сельское хозяйство, помогая управлять устойчивым производством, которое использует точное управление питательными веществами на основе моделей и данных [ Khanna et al., 2019].

Благодаря измерениям и моделированию, которые стали возможными с помощью натурных данных и методов дистанционного зондирования с высоким разрешением, появилась новая информация о том, как физические и химические изменения критической зоны взаимодействуют с контролем динамики питательных веществ в интенсивном сельском хозяйстве. Данные о местах и ​​методы дистанционного зондирования с высоким разрешением, такие как лидар и гиперспектральная съемка, позволили по-новому взглянуть на то, как физические и химические изменения критической зоны взаимодействуют для управления динамикой питательных веществ в интенсивном сельском хозяйстве.Интенсивное землепользование изменяет микрорельеф и шероховатость поверхности земли, изменяя проводимость, структуру пор и предпочтительные пути потока и стока в критической зоне. Эти изменения затем изменяют структуру и прочность почвы, эрозию, перенос и распределение почвенного органического углерода, устойчивость влаги и связанные с ними геохимические свойства.

Например, возраст и концентрация питательных веществ, распределенных по ландшафту, зависят от внесения удобрений, а также от последующей мобилизации и трансформации питательных веществ, на которые влияют топография и изменчивость почвы, а также водные потоки, на которые влияет формирование каналов и подземные стоки.Хотя растворимый нитрат быстро перемещается через дренажные трубы во время дождя, аммоний накапливается в почве и способствует долгосрочному унаследованному воздействию азота. Эпизодические скопления в топографических впадинах и расстояние между дренажными линиями в дренажных каналах для плиток добавляют существенную пространственную вариативность в распределении питательных веществ, поскольку низкие концентрации более старого азота накапливаются вдали от дренажных каналов для плиток, а высокие концентрации более молодого азота обнаруживаются возле дренажных дренажных систем.

Возрастная динамика концентраций питательных веществ над и под сетями подземных дренажных каналов также сильно различается, поскольку азот, который проходит ниже дренажных линий, движется через почву намного медленнее [ Woo and Kumar , 2019].Сельскохозяйственные культуры также регулируют динамику питательных веществ, усиливая или подавляя микробную активность в корневой зоне, что, наряду с химическим составом почвы, влияет на концентрацию питательных веществ, достигающих близлежащих водных путей [ Roque-Malo et al. , 2020]. Такие результаты помогли прояснить сложные взаимодействия и последующие воздействия, возникающие в результате методов промышленного сельского хозяйства.

Система с глубокими соединениями

Восточная часть Северной Америки, как и большая часть мира, представляет собой обширную мозаику экосистем, подвергшихся воздействию современных и унаследованных воздействий, которые изменили процессы в критических зонах с вековыми и тысячелетними воспоминаниями.Физические модификации в сочетании с прямым и косвенным воздействием химических веществ приводят к изменению скорости геохимической трансформации и переноса, так что по сравнению с районами, где изменение ландшафта в результате деятельности человека было минимальным, многие измененные ландшафты теперь имеют сниженную способность обрабатывать избыточные питательные вещества и загрязнители перед их переносом другие экосистемы. Если эрозия значительна, структура и функция критической зоны могут быть безвозвратно изменены.

Люди действительно стали основным фактором изменения критической зоны Земли.Исследование критических зон помогает выявить не только то, как мы меняем ландшафт, но и то, как сложные обратные связи между компонентами критических зон приводят к наследию деградированных наземных экосистем и их вод. Чтобы продолжить продвижение этого понимания взаимодействия человека и природы, будущая наука о критических зонах должна все больше сосредотачиваться на критической зоне как на глубоко связанной и новой системе человека и природы.

Brantley, S. L., et al.(2018), Обсерватория критической зоны Susquehanna Shale Hills: Shale Hills в контексте водораздела Shaver’s Creek, зона Vadose J. , 17 (1), 1–19, https://doi.org/10.2136/vzj2018 .04.0092.

Brecheisen, Z. S., et al. (2019), Микротопографический анализ шероховатости (MTRA) выделяет минимально эродированный рельеф в ландшафте, серьезно пострадавшем от исторического сельского хозяйства, Remote Sens. Environ. , 222 , 78–89, https://doi.org/10.1016/j.rse.2018.12.025.

Кофлан М. Р. и Д. Р. Нельсон (2019), Геостатистический анализ исторической непредвиденной ситуации и следов землепользования в динамике доисторических поселений в Пьемонте Южной Каролины, Северная Америка, J. Archaeol. Sci. , 107 , 1–9, https://doi.org/10.1016/j.jas.2019.04.003.

Khanna, M., et al. (2019), Использование новейших технологий для решения проблемы гипоксии, Nat. Устойчивое развитие , 2 , 889–891, https: // doi.org / 10.1038 / s41893-019-0381-4.

Kraepiel, A. M. L., et al. (2015), Природные и антропогенные процессы, способствующие обогащению металлов в поверхностных почвах центральной Пенсильвании, Биогеохимия , 123 (1–2), 265–283, https://doi.org/10.1007/s10533-015- 0068-5.

Kumar, P., et al. (2018), Критический переход в критической зоне интенсивно управляемых ландшафтов, Антропоцен, 22 , 10–19, https://doi.org/10.1016/j.ancene.2018.04.002.

Мобли, М.L., et al. (2019), Как оценить статистически обнаруживаемые тенденции во временном ряду: исследование концентрации углерода в почве и питательных веществ в Calhoun LTSE, Soil Sci. Soc. Являюсь. J. , 83 , S133 – S140, https://doi.org/10.2136/sssaj2018.09.0335.

Richter, D. D., et al. (2014), Исследование эволюции почвы, экосистемы и критических зон в экспериментальном лесу Кэлхун Министерства сельского хозяйства США, в Экспериментальные леса и диапазоны лесной службы Министерства сельского хозяйства США, , стр. 405–433, Спрингер, Нью-Йорк, https: // doi.org / 10.1007 / 978-1-4614-1818-4_18.

Роке-Мало С., Д. К. Ву и П. Кумар (2020), Моделирование роли корневого экссудации в динамике питательных веществ в критических зонах, Water Resour. Res. , 56 , e2019WR026606, https://doi.org/10.1029/2019WR026606.

Wade, A. M., et al. (2020), Ограниченное содержание углерода в многовековых почвах, образующихся в унаследованных отложениях, Геоморфология , 354 , 107018, https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2019.107018.

Вайцман, Дж.N., and J. P. Kaye (2018), Баланс азота и топографические меры контроля закиси азота в водоразделе из сланцев, J. Geophys. Res. Biogeosci. , 123 (6), 1,888–1,908, https://doi.org/10.1029/2017JG004344.

Ву, Д. К., и П. Кумар, (2019), Влияние подземного дренажа на возрастную динамику концентрации неорганического азота в почве, Водные ресурсы. Res. , 55 , 1,470–1,489, https://doi.org/10.1029/2018WR024139.

Yan, Q., et al.(2019), Трехмерное моделирование коэволюции ландшафтного и почвенного органического углерода, Water Resour. Res. , 55 , 1,218–1,241, https://doi.org/10.1029/2018WR023634.

Информация об авторе

Правин Кумар ([электронная почта]), Иллинойский университет в Урбана-Шампейн, Урбана; Элизабет Херндон, Национальная лаборатория Ок-Ридж, Ок-Ридж, Теннесси; и Дэниел Д. Рихтер, Университет Дьюка, Дарем, Северная Каролина

.