Courtesy of The NCEP/NCAR Reanalysis ProjectNCEPNCAR Общая геокриология

Геокриология – от греческого ге – Земля, криос – холод, логос – учение. Т.о., это наука, изучающая холод Земли. Или, геокриология – наука, изучающая криолитозону. Криолитозона - это зона литосферы с отрицательной температурой пород. Она распространена в высоких широтах, а в средних и даже низких широтах - высоко в горах. Геокриология (или мерзлотоведение) является геологической наукой, изучающей закономерности формирования и распространения криолитозоны, состав, свойства, строение, температурный режим горных пород в криолитозоне и связанные с ними криогенные геологические процессы и явления.

Геокриология – раздел планетарной криологии, или криологии планет. Праздник «большого взрыва» закончился Температура реликтового фона Вселенной 2.7 Кельвина

Что значит холодно? В воде человек начинает мерзнуть при температуре ниже около плюс 25 градусов Цельсия. +27°C комфортная температ ура. Человек – тропическое существо, которое в течение тысячелетий привыкало к тому, чтобы жить при температуре +27°C, не пользуясь при этом одеждой. Фазовый переход вода-лед происходит при 0 град.С! Вода пользуется широким распространением на Земле и в космосе и является важнейшим агентом геологических, особенно экзогенных, процессов. В галактике, в состав которой входит Солнечная система, обнаружены грандиозные скопления воды обширные водяные облака. Поперечник подобных образований достигает многих сотен миллионов километров. Все чаще обнаруживается присутствие воды в составе планет, звезд и комет. Она оставила глубокие следы на поверхности Марса. Наконец, вода входит в состав многих пород, распространенных в космосе, и, в частности, обнаруженных на Луне. Установлено, что падающие на Землю каменные метеориты содержат до 1% воды.

История криолитозоны После формирования ~4.6 миллиарда лет назад Земля была горячей (?) Приходящая от Солнца энергия в то время составляла только 70% от современного значения Жидкая вода появилась на поверхности около ~4.3 миллиарда лет назад Жизнь появилась, возможно, около ~3.8 миллиарда лет назад Фотосинтез (поглощение углекислого газа с выделением кислорода) началось около миллиарда лет Земля пережила несколько глобальных ледниковых периодов, первые свидетельства о которых относятся ко времени миллиарда лет назад

Тепловой баланс Земли Длинноволновое излучение Земли Коротковолновая солнечная радиация Температура Земли определяется главным образом балансом между этими двумя составляющими

Теплопередача (теплообмен) Теплопередача (теплообмен)– это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, температуры и ее распределения, и подчиняется экспериментально установленным законам.

Виды теплообмена Второе начало термодинамики (1850 год) гласит, что теплота всегда передается от более горячего тела к более холодному, о механизме теплопередачи там не говорится ни слова. Существует три способа теплообмена, и за каждым из них стоит уникальный физический процесс: 1) кондуктивный (теплопередача), 2) конвективный, 3) излучение. Сложным теплообменом называют процесс переноса теплоты, при котором теплообмен протекает одновременно с участием различных способов (кипение воды в кастрюле, например).

Излучение Нагретое тело испускает некоторое количество энергии излучения в любом диапазоне частот или длин волн. Распределение энергии излучения тела по спектру зависит от температуры тела. При этом для всех тел с увеличением температуры максимум энергии излучения смещается в коротковолновый участок спектра (закон Вина), а общая энергия излучения возрастает. Излучение Земли (288К) имеет пик энергии в диапазоне невидимого инфракрасного излучения, раскаленная поверхность Солнца (6000К) излучает значительную часть энергии в диапазоне видимого света, а при ядерном взрыве (10Е+6 К) большая доля энергии взрыва уносится коротковолновыми рентгеновским и гамма- излучением

Солнечная радиация Энергия, излучаемая единицей поверхности черного тела, определяется законом Стефана- Больцмана Экспериментальные (1879 г. Й.Стефан) и теоретические (1884 г. Л.Больцман) исследования E = T 4 = константа = 5.67 x Вт/м 2 K 4 E sun = 6.3 X 10 7 Вт/м 2 Не все это количество приходит на Землю

Поверхность Альбедо (%) Свежий снег Тающий снег Облака Пустыни Почва 5-30 Тундра Луг Лес 5-20 Вода 5-10 Средняя для Земли 31 Во второй половине 90-х годов ХХ века зафиксировано уменьшение альбедо Земли приблизительно на 2,5%

Излучение и поглощение Закон излучения Кирхгофа физический закон, установленный немецким физиком Кирхгофом в 1859 году: отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы, химического состава и прочих характеристик. Поэтому если альбедо тело больше (поглощательная способность меньше), то и излучать оно будет меньше (зеркальные теплоизоляционные материалы)

Излучение и поглощение Джованни Савольдо «Мария Магдалина» (ок.1530), Национальная галерея, Лондон

Легенда о замороженном космонавте Несмотря на то, что в космосе очень холодно (2.7 K), скорость остывания невелика. Теплопроводность в вакууме также близка к нулю, и тепловой поток от нагретого тела будет осуществляться только за счёт излучения. Если вдруг космонавт окажется в открытом космосе (и далеко от ближайших звёзд), и температура тела равна 310 К, площадь излучения человека примерно 2 м². Излучение чёрного тела по закону Стефана-Больцмана будет примерно 1000 Ватт. Тепловыделение человека примерно до 100 Ватт. Значит, потеря тепла 900 Ватт. Пусть человек весит 100 кг и примем его теплоёмкость равной теплоёмкости воды, то есть 4180 Дж·кг^-1·K^-1. Получается, человек остынет на 1 градус за 7 минут. Для того, чтобы человек не замёрз в далёком космосе (на орбите земли картина другая, там есть солнце и земля), его скафандр должен иметь высокое альбедо, примерно Так что легенда о замороженном космонавте не лишена оснований, хотя, конечно, мгновенно человек не замёрзнет. Худые будут мёрзнуть быстрее полных.

Солнечная радиация, или поток энергии, получаемый на поверхности атмосферы: = 1368 Вт/м 2 = Солнечная постоянная Измеряется со спутников Солнечная радиация

11-летние циклы солнечной активности

Earths energy balance Svante August Arrhenius in 1896 «Температура Земли должна быть около - 17 град С» ?

Расчет температуры Земли Body Set incoming = outgoing Приходящая энергия (S – солнечная постоянная, - альбедо, или доля отраженной Землей радиации) r 2 S Излучаемая энергия 4 r 2 T e 4 Решение для T e (S/4) T e 4 T e = 256K (-17°C) Но средняя температура Земли около +15°C ! = 5.67 x Вт/м 2 K 4 = константа Стефана-Больцмана

Atmospheric influences on radiation Задерживается (при этом происходит нагрев) Отражается Рассеивается в атмосфере

Climate science ~ 1/3 отражается ~ 2/3 остается, и затем излучается в виде инфракрасного излучения 175,000 TW приход от солнца 175,000 TW расход (в равновесии) TW = тераватт = Ватт = 1,000,000,000,000 Ватт Ватт (обозначение: Вт, W) в системе СИ единица измерения мощности. Единица названа в честь шотландско-ирландского изобретателя-механика Джеймса Уатта (Ватта), создателя универсальной паровой машины. 1 ватт определяется как мощность, при которой за 1 секунду времени совершается работа в 1 джоуль

Источник Мощность Солнечная радиация 175,000 TW Свет звезд 7,0 * TW Поток из недр, в том числе: 32 TW Ядерные реакции 29 TW Гравитационные процессы 3 TW Деятельность человека 13 TW

22 Тропосфера до высот 8-15 км, температуры от 17° to -52°C Стратосфера до высот 50 км, температура увеличивается с высотой до -3°C Мезосфера до высот 85 км, температура уменьшается с высотой до -93°C Термосфера до высот 600 км, температура увеличивается с высотой до +1,700°C. Экзосфера до высот км, молекулы газа на солнце могут разгоняться до температур +2,500°C

Тепловой баланс на поверхности Земли Разность R-E=Rn Конвективный теплообмен Коротковолновая солнечная радиация – поглощаемая R Длинноволновая (инфракрасная) радиация – испускаемая E Теплый воздух Испарение HLE G Тепловой поток в недра Фазовые переходы

Уравнение теплового баланса на поверхности Земли Rn = H + LE + G Иногда обозначают (В.А.Кудрявцев) H как p, LE как LM, и G как А

Поглощенная R и испускаемая E радиация R E

Rn – разность поглощенной и испускаемой радиации, или суммарная радиация Rn

Баланс тепла Земли Почему не остывают полюса?

Latitudinal Variations in Net Radiation Перенос тепла атмосферой и океанами происходит от экватора к полюсам, поддерживая глобальный баланс энергии

Глобальный тепловой баланс поверхности Земли Storage change = net radiation - latent heat flux - sensible heat flux G = Rn – LE - H Тепловой поток в горные породы (океан) G = суммарная радиация Rn – фазовые переходы LE - конвективный теплообмен на границе с атмосферой H

Daily/Seasonal Radiation Patterns Пример: суммарная радиация в течение суток

Марс: Атмосфера: Тонкая, углекислый газ Средняя температура: –65 o C

Венера Атмосфера: углекислый газ (96 %) и азот (ок.4 %) Средняя температура: +464 o C

Земля Атмосфера: Азот, кислород, углекислый газ, водяной пар Средняя температура: +15 o C

Средняя температура, °С Эффективная температура, °С Меркурий Венера Земля Луна Марс Уран Нептун Плутон

Seasonal variation of surface air temperature

Увеличение температуры примерно совпадает с результатами моделирования

Потепление в Арктике происходит в два раза быстрее чем в остальной части мира. Во многих районах потепление в горах происходит быстрее чем на равнине. Температура в гг. в сравнении с гг.

Artis Rams/iStock Снег влияет на климат благодаря своему изоляционному свойству и способности отражать солнечный свет.

В Северном полушарии снежный покров продолжает уменьшаться, особенно весной и летом. Здесь снежный покров в среднем уменьшается на 1.3% в 10 лет. Снег: тенденции Площадь весеннего снежного покрова в Северном полушарии

Снег: взгляд Желтый-красный меньше снега Синий много снега Согласно прогнозам снеговая линия поднимется во многих горных районах Самое большое уменьшение снега в средней широте ожидается в конце 21 века.

Ice on land Ледники: взгляд V.Novikov Ледник Федченко, Таджикистан

Mountain Snowlines Glacier National Park

Human induced changes Is the climate changing? The Greenland summer ice melt is getting larger at a worrying rate.

Ледяной покров: тенденции Антарктика: последние изменения Желтый = нет или маленькое изменение Голубой = накопление снега Красный = менее массовый (таяние и расход льда) Относительно изменений массы льда в Антарктическом ледяном покрове за последнее время пока неясно, хотя возможно произошло снижение массы. Шельфовые ледники становятся тоньше, а некоторые тают.

Морские льды Арктики

Тающая Арктика Область льдов сокращается ~10% каждые 10 лет, Толщина льда сокращается на ~1 м за 10 лет, если тенденции продолжатся, Артика освободится ото льда к 2030 – 2050 году.

Морской лед: воздействия Don Perovich Тающий морской лед, в сочетании с тающими ледниками и ледовыми щитами, может вызвать огромные изменения в глобальной модели океанического течения. Как и снег, уменьшение морского льда повышает поглощение солнечного тепла, что ведет к повышенному потеплению.

Подъем уровня моря: тенденции В настоящее время уровень моря повышается на 3.1 мм в год,в два раза выше темпа 20 века.

Повышение уровня моря: перспектива Вклады в повышение уровня моря. Гренландский ледяной щит Антарктичес кий ледяной щит Ледники и ледяные шапки Термальное расширение океана Повышение уровня моря от талых вод по прогнозам может ускориться вследствие увеличения таяния льда на суше. В долгосрочном плане, ледяные щиты способствуют повышению уровня моря.

Карта современных повышений температуры воздуха tвз на севере России, C

НЕФТЕГАЗОСНАЯ ПРОВИНЦИЯ ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПРЕРАТУРЫ ВОЗДУХА, град. С С начала потепления по 2000 г. За гг. Тимано-Печорская 0,6-0,1 Западно-Сибирская 1,40,2 Лено-Тунгусская 1,30,2 Лено-Вилюйская 1,50,3 ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ? ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ? Во второй половине 1990-х годов в ряде районов Севера зафиксировано небольшое похолодание климата. За последнее десятилетие в целом ( гг.) темпы потепления климата резко снизились, на территории Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции выявлены тенденции к прекращению потепления климата Во второй половине 1990-х годов в ряде районов Севера зафиксировано небольшое похолодание климата. За последнее десятилетие в целом ( гг.) темпы потепления климата резко снизились, на территории Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции выявлены тенденции к прекращению потепления климата

Climate change in Yakutsk area

Многолетнемерзлые грунты: тенденции Температура многолетнемерзлых грунтов за последние лет повысилась почти во всех регионах Северного полушария. Подтверждено потепление в районе мерзлоты в горах. Пока не происходит повсеместное таяние. многолетнемерзлые грунты в Северном полушарии

Вечная мерзлота: взгляд Таяние многлетнемерзлых грунтов согласно прогнозам ожидается в Субарктике к концу 21 века. Прогнозируемые изменения температуры вечной мерзлоты к Темно красным цветом отмечены зоны таяния вечной мерзлоты

Possible permafrost change 110 years from now (4-5 deg.C): 1 – permafrost melting; 2 – islands of permafrost; 3 – discontinuous permafrost; 4 – permafrost of temperature –1-2 deg.C; 5 - permafrost of temperature –2-4 deg.C (Ershov et all., MSU) Возможное оттаивание вечной мерзлоты

Палеотемпературы: 16 O/ 18 O в карбонатных осадках Соотношение 16 O/ 18 O зависит от температуры.

Палеотемпературы: Sr/Ca в кораллах Соотношение Sr/Ca зависит от температуры.

Палеотемпературы: Mg/Ca в планктоне Foraminifera Соотношение Mg/Ca в планктонных фораминиферах также зависит от температуры Mg/Ca и 18 O могут определяться из тех же раковин

Палеотемпературы: содержание инертных газов в воде/льду Растворимость инертных газов зависит от температуры Эта зависимость разная для различных газов