Меняющийся климат планеты

ВОЗМОЖНЫЕ ПРИЧИНЫ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ

Климатические изменения можно с некоторой долей условности разделить на долгопериодные, короткопериодные и быстрые, происходящие за весьма короткий срок по сравнению с характерным временем изменений в социально-экономической сфере. У каждого из них свои причины, относительно которых имеется ряд гипотез.

Астрономические факторы. Некоторые из имеющихся гипотез опираются на возможное влияние на климатическую систему внеземных факторов: 1) изменение активности Солнца, 2) особенности орбитального движения Земли, 3) падение метеоритов, 4) изменение положения магнитных полюсов Земли. Другие пытаются объяснить неустойчивость климатической системы действием внутренних причин, таких как: 5) рост вулканической активности, 6) изменение концентрации углекислого газа в атмосфере, 7) сдвиги в системе океанических течений, 8) собственные колебания циркуляции атмосферы.

Одной из наиболее известных и общепринятых теорий периодического обледенения Земли является астрономическая модель, предложенная в 1920 г. сербским геофизиком Милутином Миланковичем [11, 5, С. 190, 15].

В соответствии с гипотезой Миланковича полушария Земли в результате изменения ее движения могут получать меньшее или большее количество солнечной радиации, что отражается на глобальной температуре. Миланкович выделил три элемента движения. Один - колебания земной оси. Если смотреть на ось сверху, то оказывается, что она описывает в пространстве круг за 25 тыс. лет, т. е. как бы покачивается по отношению к Солнцу. Второй - изменение наклона земной оси по отношению к плоскости орбиты (эклиптики). Такие изменения происходят с периодичностью 41 тыс. лет и достигают 3°. Третий элемент движения связан с изменением формы орбиты. Каждые 100 тыс. лет она изменяется от почти круговой до несколько вытянутой - эллиптической. При этом различие в удалении от Солнца составляет около 5 млн км.

Рассчитав совместное влияние всех трех факторов, Миланкович смог определить периоды, когда те или иные широтные зоны Земли получают наименьшее количество солнечного излучения. Эти периоды, по-видимому, и должны соответствовать периодам формирования и развития ледников в Северном полушарии. Действительно, проведенное в 1976 г. изучение колонок глубоководных морских осадков, относящихся к последним 500 тыс. лет, подтвердило наличие флуктуаций объема льда с периодичностью в 100, 41, 24, 22 и 19 тыс. лет [11]. В то же время имеются сведения о том, что периоды оледенения не в полной мере соответствуют модели Миланковича.

Этот вопрос обсуждался на заседании Американского геофизического союза в январе 2001 г. Например, аккуратное определение времени образования террас в коралловых постройках, связанное с уровнем моря, который менялся с наступлением межледниковых периодов, указывает на относительно высокое стояние зеркала вод примерно 136 тыс. лет назад, т. е. на несколько тысяч лет ранее, чем должно быть согласно орбитальным факторам. Нет полного понимания и некоторых других динамических соотношений.

Таким образом, влияние астрономических причин на климат было более сложным, чем считали до сих пор, однако и существенных астрономических факторов больше, чем могли учесть.

Вулканы. Другой очевидной причиной, вызывающей климатические изменения, является извержение вулканов. Эта возможность обсуждалась еще в XVII в. Бенджаменом Франклином, а первая подробная работа была выполнена в начале XX в. [5]. Идея заключалась в том, что образующиеся в процессе извержения вулкана облака мелких частиц (аэрозоли) могут заметно ослаблять поток приходящей к земной поверхности коротковолновой радиации, почти не изменяя длинноволнового излучения, уходящего в мировое пространство. Одна из первых работ, в которой устанавливалась связь между изменением потока солнечной радиации в результате вулканических извержений и изменением приземной температуры воздуха, была выполнена в России в 1967 г. [6].

Дальнейшие исследования показали, что основное влияние на радиацию и термический режим Земли оказывает слой сернокислотного аэрозоля, формирующийся в стратосфере из выброшенных вулканом серосодержащих газов. На рис. 1-6 показано изменение интенсивности солнечной радиации после крупных вулканических извержений.

Наибольшие концентрации аэрозолей были зафиксированы после извержения вулкана Эль-Чичон в Мексике в 1982 г. Высота выброса составила более 28 км, общая масса выброшенных в стратосферу аэрозолей и серосодержащих газов была не менее 20 Мт. Одно из сильнейших вулканических извержений последних лет произошло в 1991 г., вулкан Пинатубо, Филиппины. Извержение началось 10 июня и продолжалось с перерывами до 16 июня, выбросы достигали 24 км. Погибли более 200 человек и 100 тыс. остались без крова.

Наибольший интерес вызывает влияние извержений вулканов на температуру воздуха. Из общих соображений следует ожидать понижения температуры в течение некоторого времени. Действительно, в ряде работ отмечалось слабое уменьшение температуры (до 0,5° С) на первый или второй год после извержения. Сведения о температуре, полученные по толщине колец деревьев на территории США за период 1601-1900 гг., свидетельствуют о том, что после извержений температура понижается на большей части территории, в основном летом.

Рассмотрение изменений температуры после индивидуальных извержений не позволяет сделать вывод о прямой зависимости изменений температуры только от извержения.

Рис. 1-6. Изменение активности прямой радиации с 1883 по 1989 г.

Источник: Логинов В.Ф. Причины и следствия климатических изменений. Минск: Навука i тэхнiка, 1992.

После извержения вулкана Агунг в 1963 г. наблюдалось понижение температуры в Северном полушарии и рост в Южном, причем похолодание в Северном полушарии началось до извержения вулкана. В то же время после извержения вулкана Эль-Чичон в 1982 г. произошло повышение температуры в Северном полушарии, особенно зимой.

Эти результаты свидетельствуют о значительной роли других механизмов в изменении температуры во время вулканических извержений. Большую роль играет, по-видимому, перестройка общей циркуляции атмосферы. В ряде случаев усиливается влияние западного переноса, особенно зимой, приводящее к выносу теплого и влажного воздуха с океана, что приводит к формированию теплых зим, как это было после крупных извержений [11].

Океаны играют важную роль в глобальной климатической системе. Атмосфера имеет общую границу с океаном более чем на 72% поверхности Земли и реагирует на все изменения, происходящие в океане. Надо учесть также, что в любой момент времени количество тепла, запасенного в вертикальном столбе атмосферы высотой от поверхности Земли до границ космического пространства, приблизительно такое же, как содержащееся в столбе воды океана высотой 3 м, считая от поверхности [2]. Поэтому именно океан является главным аккумулятором и хранителем энергии поступающей на Землю солнечной радиации, которая впоследствии высвобождается в атмосферу. Обладая огромной теплоемкостью, океаны оказывают стабилизирующее влияние на атмосферу, делая ее более устойчивой. В то же время и основные параметры океанов испытывают долгопериодные и короткопериодные изменения, и некоторые из них по своим временным характеристикам сравнимы с изменениями, происходящими в атмосфере.

Существующие в настоящее время климатические условия во многом обусловлены воздействием океана. Запас тепла в океане размещен неравномерно и постоянно перемещается океаническими течениями. Трансатлантическое течение Гольфстрим переносит за секунду 120 млн м3 нагретой солнцем воды, в результате чего за один час на север поставляется больше энергии, чем могло бы выделиться при сжигании 5 млрд т угля [32, P. 126]. Это перемещение тепла оказывает смягчающее воздействие на климат земель, омываемых теплыми течениями. В Великобритании - конечной точке следования Гольфстрима - средняя температура зимой на 5-6° С выше, чем на Лабрадоре, который лежит на той же широте, но не на пути следования океанического течения. В Рейкьявике (Исландия) зимой теплее, чем в Нью-Йорке, лежащем на 3840 км южнее. Напротив, Перуанское течение, несущее холодные воды Южного океана к экватору вдоль берегов Перу, препятствует испарению, за счет чего образуются пустыни на северном побережье Чили. Но иногда, при ослаблении восточных экваториальных ветров (пассатов), отгоняющих нагревающуюся воду от берегов Южной Америки, доступ холодных вод, богатых питательными веществами, ослабевает, возрастает испарение, что смягчает климат пустыни, принося обильные дожди. Эта ситуация известна как "явление Эль-Ниньо" и считается одной из главных причин короткопериодных климатических изменений в низких широтах.

Помимо постоянного переноса тепла поверхностными течениями, в океане происходит регулярное перемешивание вод по глубине, известное как "термога-линная циркуляция", зависящее как от температуры воды, так и от содержания в ней солей, или солености. Морские льды в Тихом океане распространяются вплоть до 60° с. ш., тогда как в Атлантике граница распространения льдов находится гораздо севернее, около 75° с. ш. Причиной этого является разная соленость вод Тихого и Атлантического океанов - соленая вода замерзает при более низкой температуре. Кроме того, сравнительно низкая соленость поверхностных вод Тихого океана ограничивает глубину вертикального перемешивания и поэтому способствует льдообразованию, тогда как равномерное вертикальное распределение солености в восточной части Северной Атлантики обеспечивает возможность перемешивания до дна, что препятствует замерзанию.

Таяние Гренландского ледяного щита и увеличение стока сибирских рек за счет роста выпадения осадков в ходе глобального потепления может привести к уменьшению солености вод Арктики и увеличению выноса их в район Атлантики. Это, в свою очередь, может привести к ослаблению течения Гольфстрим, увеличению площади морских льдов в этом районе и возникновению климатических условий, характерных для ледникового периода. Подобные процессы происходили в климатической системе в прошлом, когда на фоне продолжительного межледникового периода (100 и более тысяч лет) происходили "быстрые" (от тысячи до 10 тыс. лет) климатические изменения [36, 26].

Состав атмосферы. Атмосфера нагревается, поглощая как солнечную радиацию, так и собственное излучение земной поверхности. Нагретая атмосфера излучает сама. Так же как и земная поверхность, она излучает инфракрасную радиацию в диапазоне невидимых глазу длинных волн. Значительная часть (около 70%) излучения атмосферы приходит к земной поверхности, которая практически полностью ее поглощает (95-99%) [21, C. 108].

Это излучение называется "встречным излучением", так как оно направлено навстречу собственному излучению земной поверхности. Основной субстанцией в атмосфере, поглощающей земное излучение и посылающей встречное, является водяной пар. Он поглощает инфракрасную радиацию в широком интервале длин волн - от 4,5 мкм до 80 мкм, за исключением "окна" между 8,5 и 12 мкм, которое называется "окном прозрачности" атмосферы.

Помимо водяного пара в состав атмосферы входят углекислый газ (СО2) и другие газы, которые поглощают энергию в диапазоне волн 7-15 мкм, т. е. там, где энергия земного излучения близка к максимуму. Сравнительно небольшие изменения концентрации СО2 в атмосфере могут оказать воздействие на температуру земной поверхности. По аналогии с процессами, происходящими в оранжереях, когда проникающая сквозь защитную пленку радиация нагревает землю, излучение которой пленкой задерживается, обеспечивая дополнительный нагрев, этот процесс взаимодействия земной поверхности с атмосферой носит название "парникового эффекта".

Соображения о том, что изменения концентрации углекислого газа в атмосфере могут быть причиной климатических изменений, высказывались еще 150 лет назад [5, C. 22]. В конце XIX в. в работах Аррениуса было исследовано поглощение радиационных потоков в атмосфере и предложена численная модель для определения температуры у земной поверхности в зависимости от свойств атмосферы. Было показано, что увеличение количества углекислого газа в 2,5-3 раза повышает температуру на 8-9° С, а уменьшение количества углекислого газа на 38-45% снижает температуру на 4-5° С. В дальнейшем эти оценки неоднократно уточнялись, и в 1938 г. в работах Коллендера был сделан вывод о том, что удвоение количества углекислого газа повышает температуру на 2° С, причем влияние изменения концентрации углекислоты на температуру уменьшается с ростом концентрации, и было высказано предположение о том, что потепление климата в первой половине XX в. связано с повышением концентрации углекислоты, вызванным хозяйственной деятельностью человека.

В середине XX в. начались работы по мониторингу содержания углекислого газа и других "парниковых газов", таких как озон (О3), метан (СН4), хлоруглерод-ных соединений, окислов азота.

За 250 лет концентрация СО2 в атмосфере изменилась с 280 млн-1 (миллионных долей)1 в 1750 г. до 367 млн-1 в 1999 г., т. е. увеличилась на 31%. Никогда концентрация СО2 не была столь высокой, как сегодня, равно как и темпы ее возрастания [9, C. 1-38]. Доступные к настоящему времени данные о состоянии атмосферы в прошлом, полученные при изучении кернов льда, позволяют сделать вывод о повышении концентрации СО2 в индустриальную эру. Средние темпы увеличения в период с 1980 г. составили 0,4% в год. Большая часть выбросов в последние 20 лет связана с сжиганием ископаемых видов топлива, а остальная часть (10-30%) объясняется изменениями в землепользовании.

Влияние внешних факторов на глобальную температуру воздуха изучается на основе моделирования. Большинство работ в этом направлении свидетельствуют о том, что в последние 50 лет предполагаемые темпы и масштабы потепления, обусловленные увеличением выбросов парниковых газов, вполне сопоставимы с темпами и масштабами наблюдаемого потепления или превышают их. Наиболее полное совпадение между результатами моделирования и наблюдения за период с 1860 по 2000 г. было обнаружено в тех случаях, когда учитывалось действие антропогенных (повышение концентрации СО2 и других газов) и природных (вулканическая активность и изменения в солнечной радиации) факторов (рис. 1-7). Представленные в Третьем докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата результаты однозначно связывают наблюдаемое потепление с человеческой деятельностью.

Рис. 1-7. Сопоставление результатов моделирования повышения температуры и наблюдений за период с 1850 г.

Источник: Изменение климата 2001. Обобщенный доклад. Вклад рабочих групп I, II и III в подготовку Третьего доклада об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата.

Интересно, что человек мог влиять на состояние климатической системы и в прошлом. По-видимому, вырубка лесов для расчищения почвы под посевы, производимая в районе восточного Средиземноморья и Евразии примерно 8 тыс. лет назад, привела к увеличению концентрации СО2 в атмосфере за счет его высвобождения из деревьев [31, 30]. Затем примерно 5 тыс. лет назад в Юго-Восточной Азии началось выделение в атмосферу другого парникового газа - метана за счет заболачивания полей для выращивания риса. В результате к 1800 г., еще в доиндустриальную эпоху, уничтожение лесов и развитие сельскохозяйственного производства привело к повышению средней температуры на 0,8° С, что примерно в два раза больше увеличения температуры с 1850 г., которое считается вызванным человеческой деятельностью. Это различие еще больше для высоких широт - примерно 2,0° С, что достаточно для того, чтобы остановить образование ледников в районе Северной Канады и смягчить климат в районе Лондона и Нью-Йорка.