Проблема глобального потепления

Глобальное изменение климата стало одной из главных науч­ных проблем человечества. В 1990 г. сорок девять выдающихся ученых мира обратились к мировому сообществу с призывом ограничить выбросы в атмосферу парниковых газов, так как, по их мнению, глобальное потепление, обусловленное этими вы­бросами, представляет собой самую серьезную экологическую проблему человека [31]. В этом же году крупнейшие климатологи планеты подготовили доклад для Межправительственной груп­пы экспертов по проблемам изменения климата, образованной Генеральной Ассамблеей ООН, в котором пришли к заключе­нию, что выбросы в атмосферу парниковых газов приводят к дополнительному нагреву земной поверхности. По мнению экс­пертов, при сохранении современных темпов потепления через полвека на планете может быть достигнута температура, которой не знало человечество за весь период своего существования. В конце 90-х гг. категоричность мнения о глобальном потепле­нии ослабла, широкое распространение получила, прежде всего среди ученых, точка зрения о недоказанности исключительно антропогенного происхождения глобального потепления и его реальности.

С конца XIX века, когда появились первые метеорологиче­ские станции, проводятся систематические измерения темпера­туры приповерхностного воздуха. За прошедшие сто с лишним лет непрерывных метеорологических измерений был отмечен заметный рост средней температуры на величину около одно­го градуса. На рис. 20.1 приведены данные о вариациях гло­бально осредненной температуры приповерхностного воздуха. За нулевой уровень здесь принята средняя температура за пери­од 1951-1980 гг. Глобальное осреднение подразумевает осредне­ние по всем точкам измерений на поверхности планеты, кроме того здесь проведено осреднение по времени на интервале одного года. Приведенные данные о глобально осредненной температуре представляют собой экспериментальную основу, подтверждаю­щую проблему глобального потепления.

Гл. 20. Проблема глобального потепления

из этих огромных залежей. Исследования показывают, что наря­ду с постепенным поступлением метана в атмосферу, возможны выбросы значительных масс метана, что может привести к ка­тастрофическим последствиям.

Скорость роста содержания в атмосфере углекислого газа составляет около 0,5% в год. Для метана, оксида углерода и оксидов азота — примерно 1% в год. Еще быстрее растет концен­трация хлорфторуглеводородов. Количество метана в атмосфере удвоилось за последние 200 лет. Концентрация оксидов азота выросла в два раза менее чем за 100 лет. Почти удвоилось по сравнению с доиндустриальной эпохой содержание углекислого газа. Во много раз увеличилась концентрация в воздухе ряда органических и неорганических соединений, в том числе синте­зированных искусственно.

Если бы парниковые газы отсутствовали, то температура Земли была бы более чем на 30 °С ниже." В гл. 12 была приведена , оценка температуры Земли в отсутствие атмосферы. Согласно , этой оценке, средняя температура Земли составляет около 255 К, что значительно ниже реальных средних температур 285-290 К. Наличие атмосферы с поглощающими инфракрасное излучение парниковыми газами существенно меняет температурный ба­ланс. В гл. 14 был рассмотрен усредненный радиационно-теп-ловой баланс, известный по данным многочисленных измерений. Земля излучает в атмосферу 115% ИК излучением плюс 29% энергии скрытым и явным теплом, что составляет 144% от вели­чины энергии падающего на Землю высокочастотного солнечно­го излучения. Как уже отмечалось выше, противоречия с зако­ном сохранения энергии здесь нет, просто между поверхностью Земли и атмосферой вследствие парникового эффекта возникают встречные потоки энергии, которые дополнительно нагревают атмосферу и поверхность Земли. Атмосфера излучает в ИК диа­пазоне 170% (67% — безоблачная атмосфера и 103% -- облака) энергии от первичного солнечного излучения. Оценки темпера­туры эквивалентных равновесно излучающих «серых» тел дают соответственно Т » 280 К для поверхности Земли иТй 290 К для атмосферы. Данные оценки близки к реальным средним температурам, однако более точный анализ должен учитывать многие факторы, в частности, неравновесность излучения, про­цессы переноса излучения, тепла, импульса и т. д.

Климат Земли определяется не только атмосферными про­цессами. В формировании климата участвуют океан, криосфера

Гл. 20. Проблема глобального потепления

Дополнительно отметим, что знак изменения планетарного альбедо при больших температурах в настоящее время не опре­делен. Иными словами, остается неясным, будет облачность с температурой увеличиваться или уменьшаться.

В случае воздействия периодического внешнего возмущения даже небольшой амплитуды, имеющего резонансный период, т. е. период, близкий ко времени перехода между стационарными со­стояниями, возможен переход из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние. Известно несколько астрономи­ческих глобальных циклов, обусловливающих изменения потока солнечной радиации, среди них главные: прецессия оси вращения Земли с периодом около 22 000 лет, изменение наклона оси пре­цессии Земли к плоскости эклиптики с периодом ^41 000 лет, из­менение эксцентриситета орбиты Земли с периодом и 100 000 лет. Оказалось, что период изменения эксцентриситета земной ор­биты наиболее близок к периоду изменения климата на Зем­ле. Модель, объясняющая изменения климата астрономическими причинами, была создана в 20-е гг. XX в. века Миланковичем. Те­оретические расчеты периодов оледенения, проведенные по этой модели, неплохо совпадают с известными эспериментальными данными.

В ледниковые периоды средняя температура земной поверх­ности уменьшалась примерно на 5°С, уровень океана опускал­ся на 100 м, изменялась система глобальных океанских тече­ний, ледники опускались на широту Москвы и Киева. Сведения о палеоклимате (т. е. климате предшествующих эпох) ученые получают, используя широкий спектр данных. К ним относятся:

- измерение температуры в глубоких скважинах и восстанов­
ление по ним температуры на поверхности в прошлом;

- анализ кернов глубокого бурения, в том числе в океане.
(Анализ кернов льда в Антарктиде позволяет определить
не только температуру, но и содержание двуокиси углеро­
да в атмосфере в предшествующие периоды. На станции
«Восток» в 1970 г. было начато бурение скважины, до­
стигшей к концу 1997 г. глубины более 3 600 м. Анализ
кернов позволил получить детальную информацию о гло­
бальных изменениях климата на протяжении 420 тыс. лет.)
Отмечается устойчивая связь между колебаниями уровня
моря, изменениями температуры и вариациями содержания
парниковых газов;

Гл. 20. Проблема глобального потепления 465

I Сокращение числа айсбергов в Северной Атлантике. Умень­шение толщины морского льда в Северной Атлантике. Измере­ния толщины льда, проведенные с помощью английской подвод­ной лодки севернее Гренландии, показали, что толщина льда за десять лет уменьшилась с 6,7 до 4,5 м.

Уменьшение годового максимального ледового покрытия в Арктике и Антарктике. Рост числа айсбергов в Южной Атлан­тике. Рост температуры приводит к необратимым изменениям ледового покрова в Антарктике. Именно в последние годы от­мечается отделение гигантских айсбергов от ледового покрытия. Потепление приводит к значительному сокращению плавающих шельфовых ледников. Это сокращение происходит при раска­лывании ледников и образовании многочисленных айсбергов. Сокращение шельфовых ледников не вызывает подъема уров­ня моря. При значительном потеплении возможно исчезновение гигантских шельфовых ледников Росса и Фильхнера. Дальней­шее сокращение ледового покрова может привести уже к сокра­щению внутриматериковых ледников. Исчезновение преграды в виде шельфовых ледников приведет к сползанию в океан и последующему таянию антарктических глетчеров.

Возрастание числа бурь, наводнений в Европе, Африке, Азии. Перед учеными стоит проблема достоверности этих «свиде­тельств» глобального потепления. Для получения достоверных инструментальных данных об изменении температуры, которые бы подтвердили или опровергли глобальное потепление, плани­руется проведение некоторых крупных международных научных экспериментов. В частности, планируется измерение скорости распространения звуковых волн в морской воде. Как известно, скорость звука зависит от температуры, поэтому, наблюдая в те­чение продолжительного времени распространение звука между двумя точками Мирового океана, можно определить изменение температуры воды океана. В качестве одной такой трассы пла­нируется использовать участок между Аляской и Новой Землей, другую трассу предполагается проложить между Тихоокеанским побережьем США и Гавайскими островами. Однако последний проект вызвал неожиданное сопротивление со стороны защитни­ков животного мира: биологи предположили, что мощное акусти­ческое излучение может оказать нежелательное воздействие на китов и других морских животных. \

Гл 20. Проблема глобального потепления

Однако в настоящее время нельзя считать достоверно уста­новленными причины изменения средней температуры на по­верхности Земли. Нет бесспорных доказательств того, что рост средней температуры является следствием антропогенного воз­действия. Значительное число ученых придерживается точки зрения, что наблюдаемое изменение средней температуры яв­ляется главным образом проявлением естественных процессов, а антропогенный вклад оценивается как незначительный. Они считают, что глобальные температуры весьма слабо зависят как от изменения общей солнечной радиации, так и от количества парниковых газов в атмосфере. Климат, по их мнению, зависит в основном от распределения поступающей солнечной энергии, а не от ее количества, перемены же в атмосферной концентра­ции СОг на это влияют слабо. Более того, ряд исследователей подвергает критике выводы и о глобальном потеплении. Об этом будет рассказано ниже.

Сложность получения достоверных прогнозов изменения климата обусловлена рядом факторов. В климатической системе действует множество обратных связей, которые усложняют рассмотрение и пока не исследованы. Вклад антропогенных явлений необходимо оценивать на фоне значительных естествен­ных процессов, многие из которых еще до конца не изучены. Это приводит к тому, что оценки изменения средней температуры на Земле дают значительный разброс>(рис. 20.5, 20.6).

Цикл углерода

Важную роль в климатической системе играет цикл углеро­да [31]. В углеродном цикле связаны в единую цепь важнейшие компоненты климатической системы — атмосфера, биота, океан, литосфера. Антропогенное влияние на углеродный цикл также изучено достаточно хорошо и именно на примере углеродного цикла может быть продемонстрировано «могущество» биоты и человека по воздействию на природные циклы (рис. 20.7).

Биота на суше ежегодно поглощает из атмосферы 10² Ггт углерода из углекислого газа (14% общего содержания в атмосфе­ре), который используется в фотосинтезе. В процессе дыхания биота выделяет в форме двуокиси углерода 50 Ггт углерода. Разложение растений поставляет в атмосферу еще 50 Ггт угле­рода. Таким образом наземная биота удерживает примерно 2 Ггт углерода ежегодно.

Гл. 20. Проблема глобального потепления

время биосфера очень быстро меняется под действием антро­погенных факторов, что также может существенно влиять на региональный и глобальный климаты.

Глобальное потепление может привести к катастрофическим последствиям на планете. Например, прогнозируемый подъем уровня океана на 40-50 см в ближайшие 50 лет приведет к затоп­лению прибрежных густонаселенных районов планеты. Только в Китае может быть затоплена территория, на которой прожива­ет около 100 млн человек. Огромные густонаселенные районы Индии, Бангладеш также могут оказаться затопленными. По прогнозам будет затоплена почти вся территория Голландии.

Согласно некоторым оценкам, для некоторых стран глобаль­ное потепление может оказаться полезным [163]. Например, в России климат может улучшиться. Увеличение поверхностной температуры вызовет рост испарения с поверхности морей и океанов. Климат на Земле станет более влажным, произойдет увлажнение климата в засушливых районах Нижнего Поволжья, Северного Кавказа. Общее потепление приведет к медленному продвижению на север границы земледелия. Сократится зона рискованного земледелия на территории нашей страны. Однако сложность обратных связей между элементами климатической системы делает такие прогнозы крайне ненадежными. Можно предположить, что наряду с этими положительными эффектами на территории России могут проявиться отрицательные послед­ствия глобального потепления.

Увеличение концентрации углекислого газа приведет также к росту урожайности большинства культурных растений. Мно­гочисленные натурные и лабораторные эксперименты по выра­щиванию растений в условиях повышенного содержания СОг показали, что увеличение концентрации диоксида углерода спо­собствует более быстрому росту растений, их биомассе и урожая. Например, согласно оценкам, масса лесов США с 1950 г. выросла на 30%, что, вероятно, вызвано ростом концентрации СОг- Напо­мним, что еще В. И. Вернадский называл диоксид углерода удо­брением. Возросшая концентрация СОг используется растения­ми в процессе фотосинтеза. Такой факт, вероятно, генетически обусловлен тем, что предки современных растений возникли и длительное время существовали в условиях концентрации СОг, значительно превосходящей современную. Вот таковы возмож­ные и неоднозначные последствия глобального потепления на планете.

В заключение главы приведем кратко возражения против выводов о реальности антропогенного глобального потепления.

Гл 20 Проблема глобального потепления

так как активные составляющие солнечного излучения погло­щаются в верхней атмосфере. Иванов-Холодный выдвинул ги­потезу [56], согласно которой изменение солнечной активности, прежде всего в ультрафиолетовой части излучения, приводит к возмущениям озонового слоя (изменяется концентрация, темпе­ратура), которые передаются нижележащим слоям атмосферы. Таким образом, в данной модели роль передаточного элемента от верхней атмосферы к ее нижним слоям играет слой озона. Таков один из возможных механизмов действия солнечной активности на атмосферу и биосферу.

Необходимо отметить, что важнейшим парниковым газом является водяной пар, а его роль в системе солнечно-земных связей полностью не исследована. В последнее время получе­ны новые экспериментальные данные, указывающие на особую связь облачного покрова (воды) с солнечной активностью [65]. Тропические широты Земли получают за год примерно в 2 раза больше тепла, чем остальная часть земной поверхности. В тро­пической части атмосферы содержится основная масса водяного пара атмосферы. Поэтому тропическая зона является более энер­гонасыщенной, чем внетропические зоны. Так как атмосферная циркуляция обеспечивает перенос водяного пара и в мериди­ональном направлении, между тропической и внетропической зонами существует взаимная связь. Солнечная активность и кос­мические лучи, вызывая ионизацию воздушных масс на высо­тах 12-20 км, способствуют образованию ядер конденсации, а затем и облачности. Облачность, в свою очередь, изменяет аль­бедо, условия поглощения инфракрасного излучения атмосферы и земной поверхности. Гигантские космические ливни могут ак­тивизировать этот конденсационный механизм даже в средней и нижней тропосфере. Солнечная активность имеет характерные периоды, близкие к таким атмосферным процессам, как вол­ны Кельвина и Россби, поэтому в системе солнечное излучение (плюс космические лучи) — атмосфера возможно возникнове­ние солнечно-атмосферного резонанса, усиленного конденсаци­онным механизмом. Совместные российско-индийские ракетные эксперименты в экваториальной части Индийского океана под­тверждают гипотезу солнечно-атмосферного резонанса. Таким образом, предложен еще один механизм (правда требующий дальнейших исследований), объясняющий изменчивость темпе­ратуры Земли естественными процессами Исследования ученых ФИАН и 1ДАО [125] подтверждают важную роль космических лу­чей в атмосферных процессах, несмотря на то, что интенсивность

Гл 20. Проблема глобального потепления

космического излучения на 5 порядков меньше солнечного излу­чения. Космические лучи, ионизируя атмосферу, обеспечивают работу глобальной электрической цепи в атмосфере, образование грозового электричества и молниевых разрядов. Эксперимен­тальные данные указывают на сильную связь интенсивности кос­мических лучей и облачности. Наблюдаемые изменения темпе­ратуры поверхности Земли могут быть обусловлены изменением фонового космического излучения. Кстати, подняв ускоритель на самолете в ионосферу, можно повысить облачность и вызвать осадки.

Измерения температуры поверхности Земли характе­ризуются существенными неоднородностями, самой яркой неопределенностью является эффект городских «островов тепла» — метеорологи многих стран приводят убедительные доказательства влияния крупных городов, жилых массивов на температуру поверхности. Повышение температуры в районах крупных городов может достигать 1-2 °С. Поэтому многие метеорологи считают более достоверным оценки изменения температуры получать на основе измерений температуры нижней тропосферы (до 4 км), а не поверхностных температур. В настоящее время ученые располагают более чем 20-летними рядами температуры нижней тропосферы, полученной на основе спутниковых данных и шаров-зондов, т. е. двумя независимыми способами. Спутниковые микроволновые радиационные изме­рения (Microwave Sounder Unit), были проведены на спутниках «NOAA-6» и «NOAA-7» [165]. Измерения тропосферной темпе­ратуры, лишенные неопределенностей, присущих измерениям поверхностной температуры, показывают, что начиная с 1978 г. до 1995 г. средняя температура нижней тропосферы умень­шается! Наклон линий тренда за этот промежуток времени составил для спутниковых данных —0,045 °С и для зондовых данных —0,06°С за десятилетие (рис. 20.10). Следует отметить, однако, что результаты этих измерений также подвергаются критике и нет общепринятой оценки достоверности и точности данных измерений [167].

Изменение уровня моря. Частота стихийных бедствий. Наиболее впечатляющий эффект глобального потепления ожидается в связи с подъемом уровня моря. Прогнозируемый подъем может составить 1-2 м, что приведет к затоплению обширных территорий. Затопленной может оказаться зона проживания сотен миллионов человек. Однако выявленные на основе космических измерений изменения уровня моря

Гл 20 Проблема глобального потепления 479

уже не подвергается сомнению Решения конференции должны стать обязательными для всех государств после их ратифика­ции парламентами большинства стран. По Киотскому прото­колу развитые страны взяли на себя обязательство сократить к 2008-2012 гг. выбросы парниковых газов на 5,2% от уров­ня 1990 г.

В ноябре 1998 г. в Буэнос-Айресе состоялась Международная конференция по глобальному потеплению стран-участниц Кон­венции ООН об изменении климата. Как показало обсуждение, большинство государств критически подходят к решениям кон­ференции в Киото и не торопятся выполнять условия Киотско-го протокола. США, являясь главным поставщиком тепловых загрязнений, отказались подписать протокол. Российская деле­гация поддержала киотские договоренности. Россия сейчас не выбирает определенную ей квоту, да и промышленного бума в ближайшие годы не предвидится Большинство развивающихся государств во главе с Китаем и Индией отказываются присоеди­няться к киотским договоренностям. В странах «третьего мира» доминирует точка зрения, что промышленно развитые страны ответственны за нынешнее состояние атмосферы, и поэтому они должны нести основные расходы по сокращению выбросов, со­зданию и передаче новых технологий остальным странам. Ранее предлагался и обсуждался выход из существующего сложного положения в создании международной системы купли-прода­жи национальных квот на выбросы. Однако на пути создания такой системы существует масса экономических, юридических, социальных и других проблем, предстоит согласовать множество противоречивых интересов и устремлений. Большинство евро­пейских стран поддерживают Киотский протокол. Сложность и противоречивость проблемы можно иллюстрировать, в част­ности, фактом, что нынешняя администрация США во главе с Дж. Бушем выступает против подписания Киотского протокола и против позиции предыдущей администрации. Тем не менее, в настоящее время дискуссии о глобальном потеплении продолжа­ются на международном уровне, в ходе переговоров предполага­ется установить верхние пределы концентрации выбросов СОг и других парниковых газов на ближайшие годы.

Материал настоящей главы показывает, что проблему соот­ношения естественных климатических изменений и вызванных человеческой деятельностью нельзя считать решенной. Естест­венные колебания климата могут замаскировать парниковый эффект. Вопрос упирается в степень чувствительности глобаль­ного климата к внешним воздействиям, к интенсивности прямых

16*

Гл. 20. Проблема глобального потепления

или обратных связей, многие из которых мало исследованы в настоящее время. Отсюда все прогностические модели клима­та содержат много неопределенностей, избежать которых при нынешнем уровне знаний невозможно — на это потребуются многие годы дополнительных исследований. Система геосфер и атмосфера могут реагировать на парниковый эффект слож­ным нелинейным образом. Для успешного решения проблемы соотношения естественных и антропогенных изменений климата должны быть изучены многие геофизические процессы на Земле и в системе Космос-Солнце-Земля.