Естественные факторы изменения климата

Выше мы проследили за изменениями климата, которые носили глобальный характер и охватывали как длительные, так и более короткие периоды истории Земли. В основном это было вызвано естественными причинами. Лишь в небольшой мере, особенно в последние десятилетия, отдельные изменения объясняются неосознанной деятельностью человека: вырубка и выжигание лесов на больших пространствах, увеличение пахотных земель, вытаптывание растительности животными в так называемых аридных зонах, что могло способствовать наступлению пустынь, и др. Однако человеческая деятельность подобного рода не способна повлиять на крупные климатические колебания: ледниковые и межледниковые периоды или даже малый климатический оптимум и малый ледниковый период.

Как подчеркивалось, строгой теории, позволяющей с уверенностью объяснить и математически оценить колебания климата в прошлом, не создано. Тем не менее наука в состоянии дать количественную оценку отдельных климатообразующих факторов и качественную интерпретацию их влияния на климат. Для наглядности запишем в самом общем виде уравнение баланса термодинамической энергии. Если обозначить среднюю взвешенную по массе и отнесенную к единице массы температуру столба атмосферы единичного сечения T , а ее изменения ΔT , то

ΔT = (1 ‑ A)S₀ + E_эф + E_турб + E_фаз + E_циркул + D + E_ист.

Здесь А – интегральное альбедо системы Земля–атмосфера, характеризующее отражательную способность как подстилающей поверхности, так и самой атмосферы для приходящей от Солнца радиации. Оно меняется теоретически от 0 до 100% (от 0 до 1). В среднем для всего земного шара интегральное альбедо системы 0,3–0,35. Это означает, что 30–35% приходящей солнечной радиации, в основном коротковолновой, отражается и уходит в мировое пространство. Однако для различных сезонов альбедо системы колеблется в очень широких пределах – от нескольких единиц до 90%. В связи с этим, для того чтобы оценить только роль альбедо, необходимо знать характеристику и состояние биосферы над всем земным шаром, почв, океана, снежного и ледового покрова. Альбедо атмосферы зависит от количества и микроструктуры облачности, весьма изменчивой во времени и пространстве.

Указанные характеристики климатической системы непрерывно находятся в динамике. Без ее понимания мы не может оцепить изменение альбедо системы Земля‑атмосфера. На примере одного этого параметра видно, что климатическая система многокомпонентна.

S₀ – приходящая на верхнюю границу атмосферы солнечная радиация. Она зависит от интенсивности солнечного излучения, времени года и суток, широты места, параметров земной орбиты и угла наклона земной оси. Легко видеть, что величина S₀ зависит от ряда факторов как земного, так и внеземного происхождения.

В сумме величина (1–A)S₀ характеризует долю поглощенной системой Земля–атмосфера солнечной радиации.

E_эф – эффективное уходящее длинноволновое излучение, т. е. количество тепловой радиации, покидающей Землю. Оно зависит от температуры излучающего тепло тела, т. е. от температур подстилающей поверхности и атмосферы, от газового и аэрозольного состава атмосферы, облачности. Одни газовые и аэрозольные компоненты поглощают длинноволновую радиацию (водяной пар, углекислый газ, облачность или, как принято говорить, облачный аэрозоль и др.), другие пропускают длинноволновую радиацию полностью или частично (азот, кислород, крупная пыль и др.). В обычном состоянии в отдельности газы и главным образом N и O₂, из которых в основном состоит атмосфера, не поглощают в сильной мере ни длинноволновую, ни коротковолновую радиацию и сами по себе существенно не влияют на тепловой режим атмосферы. Но в результате внешних воздействий, например вулканических извержений, солнечных вспышек, а в последние годы и антропогенных факторов (атомные взрывы, сжигание топлива), эти газы могут образовать соединения (например, окислы N и др.), которые будут поглощать как длинноволновую, так и коротковолновую радиацию и влиять тем самым на тепловой режим атмосферы.

E_турб – турбулентный поток тепла между атмосферой и подстилающей поверхностью. Он зависит от контраста температур между атмосферой и подстилающей поверхностью и ее свойств, а также от скорости ветра.

E_фаз – фазовые притоки тепла, характеризующие как затраты тепла на испарение, так и выделение затраченного на испарение тепла при конденсации водяного пара и выпадении осадков.

E_циркул – перераспределение тепла по земному шару за счет циркуляционных процессов. В среднем для всего земного шара приток тепла равен нулю. Но в отдельных регионах за счет этого источника могут происходить существенные изменения температур.

D – приток тепла, возвращаемого в атмосферу за счет диссипации кинетической энергии атмосферных движений, т. е. за счет перехода механической энергии движения атмосферы в тепловую.

Приток тепла за счет диссипации незначителен, в среднем он составляет 2–3 Вт/м² по сравнению с солнечной постоянной, равной 1356 Вт/м². Этот источник тепла в целом не имеет существенного климатообразующего значения для земного шара. Однако именно равная этому количеству энергия необходима атмосфере для поддержания кинетической энергии движений, т. е. величина генерируемой в атмосфере кинетической энергии примерно равна ее диссипации. Но через циркуляционный механизм происходит перераспределение энергии по земному шару (E_циркул). Зачастую этот фактор недооценивается ввиду малости этой величины, что само собой исключает из рассмотрения динамику атмосферы, а значит, и циркуляционные факторы климата, региональные его особенности и крупные климатические аномалии.

E_ист – энергия, вносимая каким‑то внешним источником (в настоящее время – это в основном антропогенный).

Легко видеть, что если имеются естественные или антропогенные факторы, способные изменить тот или иной из описанных выше параметров, характеризующих только один компонент климатической системы атмосферы, то на основе оценки изменений этих параметров можно будет оценить возможные изменения интересующего нас климатического режима атмосферы.

Но для полного учета этого фактора нужно принять в расчет динамику всех пяти компонентов климатической системы (атмосферы, океана, криосферы, поверхности суши, биосферы), находящихся в сложном взаимодействии. Другими словами, подобный анализ следовало бы провести для каждого из пяти компонентов климатической системы в отдельности, а затем в их взаимодействии. Именно в этом заключается основная трудность проблемы, ее многообразие, комплексность и глобальный характер.

Атмосфера – самый подвижный компонент климатической системы. Характерное время установления атмосферной циркуляции под влиянием внешних параметров составляет около месяца.

Океан менее подвижен. Он – мощный аккумулятор солнечной энергии, которая затем поступает в атмосферу в виде явного и скрытого тепла. Характерное время установления циркуляции в верхнем (деятельном) слое океана колеблется от нескольких месяцев до нескольких лет, на глубине – столетия. Океан является источником и стоком в газовом и аэрозольном обмене с атмосферой.

Криосфера – еще менее подвижный компонент климатической системы. Она включает воду в замерзшем состоянии (континентальные ледниковые щиты, горные ледники, морские льды, снег). Снежный покров и морской лед испытывают значительные внутригодовые колебания, в то время как горные ледники и в особенности континентальные ледниковые щиты изменяются слабо – в масштабе столетий, десятков и сотен тысяч лет. Криосфера исключительно сильно влияет на альбедо и частично орографию поверхности, а также на перераспределение воды на земном шаре.

Следующий компонент включает в себя непосредственно поверхность суши с ее почвами, горами, реками, озерами, грунтовыми водами. Озера, реки, болота, грунтовые воды – важные факторы влагооборота. Поверхность суши воздействует на радиационный и тепловой режим атмосферы, на газовый, аэрозольный обмен и др.

Последний компонент климатической системы – биомасса – включает в себя растительный и животный мир континентов и океанов. Биомасса существенно сказывается на влагообороте, газовом обмене, тепловом режиме. Воздействуя на биомассу или через ее посредство на другие компоненты системы, человек подвергает испытаниям состояние климатической системы в целом.

Естественные механизмы, влияющие на климат, можно разбить на следующие группы:

астрономические факторы, связанные с изменением параметров земной орбиты, наклоном земной оси и процессами на Солнце или в Солнечной системе;

геофизические факторы, обусловленные свойствами Земли как планеты;

циркуляционные факторы, связанные в основном с процессами внутри самой атмосферы.

Ниже будет рассмотрена каждая из перечисленных групп, дана качественная, а там, где возможно, и количественная интерпретация их влияния на климат.