Геофизические факторы изменения климата

Здесь речь пойдет о факторах, связанных со свойствами самой планеты, т. е. размерах, массе, строении, процессах в ее недрах, свойствах поверхности, скорости вращения вокруг оси, гравитационном и магнитном полях, внутренних источниках тепла, составе атмосферы в процессе ее эволюции.

Масса – главная характеристика планеты. Массой и размерами прежде всего определяется гравитационное поле. Именно оно характеризует способность планеты удерживать газовую оболочку и в некоторой мере влиять на газовый состав атмосферы. Чем больше масса планеты, тем легче ей удерживать газовую оболочку. Чем меньше масса планеты, тем труднее удержать атмосферу, особенно легкие газы. Так, например, Земля и Луна находятся примерно на одном расстоянии от Солнца, но на Луне нет атмосферы, а на Земле есть.

На гравитационное поле также воздействует угловая скорость вращения Земли, которая создает центробежные силы и несколько уменьшает гравитационное поле. Эта поправка зависит от широты. На полюсе она равна нулю, у экватора достигает максимума порядка 0,35%. В связи с этим ускорение силы тяжести равно 9,83 см/с² у полюсов и 9,78 см/с² у экватора.

Если бы Земля имела большую массу, то ее атмосфера (при той же массе) была бы более тонкая и более плотная, что существенно отразилось бы на характере протекающих процессов и климате.

Угловая скорость вращения Земли оказывает решающее влияние на циркуляцию атмосферы и океана. Благодаря неравномерному нагреву экваториальных и полярных районов происходит расширение и поднятие атмосферы в низких широтах. За счет этого создается перепад давления и возникает меридиональная циркуляция, направленная к полюсам. Как только начинается движение, отклоняющая сила вращения Земли отклоняет поток вправо в северном и влево в южном полушариях. В результате устанавливается преобладающая зональная циркуляция атмосферы, направленная с запада на восток. Этим в основном и определяется зональность климата, скорость распределения длинных и ультрадлинных волн, формирование струйных течений с инерционно‑сдвиговыми (разрывными) волнами, пассатная циркуляция, циркуляция Мирового океана и др.

Расчеты показывают, что в далеком прошлом скорость вращения Земли была больше, а зональность климата ярче выражена, чем сейчас. Зафиксированы и более короткопериодные изменения скорости вращения Земли с периодами в несколько месяцев. Одни ученые объясняют это влиянием циркуляции атмосферы, другие относят за счет внешних сил.

Рост скорости вращения Земли должен увеличивать зональность климата, т. е. контрасты температуры между высокими и низкими широтами. Однако при этом усиливается интенсивность и волновых процессов, которые способствуют выравниванию междуширотных контрастов. Эффект выравнивания междуширотных контрастов на Земле, где имеются океаны, и, например, на Марсе, где подстилающая поверхность практически однородна, не одинаков. В результате зональность циркуляции на Марсе выражена более четко, чем на Земле.

Наличие континентов и океанов на Земле, обладающих различными тепловыми свойствами, приводит к резким различиям климата вдоль одной и той же широтной зоны, чего не было бы при отсутствии океанов.

Если осреднить температуры для каждой широты и месяца, а затем построить карты, на которых нанесены изоаномалы температуры воздуха, т. е. отклонения средней температуры данного месяца в данной точке от средней температуры этого месяца на соответствующей широте, картина получается весьма пестрая. Такой метод анализа впервые был предложен и проведен академиком В. В. Шулейкиным. Так, для января в районе Северной Атлантики будет зафиксирована изоаномала 24°, а в районе Верхоянска –20° С. Над Тихим океаном проходит изоаномала 12°, а над Северной Америкой –14° С. Это означает, что средние температуры января на одной и той же широте в Северной Атлантике и Верхоянске различаются на 44° С. Такие контрасты определяют существенно различный климат морских акваторий и континентов, пограничных зон и др. Они накладывают отпечаток и на общую циркуляцию атмосферы, в частности определяют муссонную. В результате если бы на Марсе, например, увеличение скорости вращения за счет каких‑то внешних причин привело бы к увеличению интенсивности зональной циркуляции, ослаблению междуширотного обмена и четко выраженной междуширотной контрастности климата, то на Земле при наличии океанов картина была бы совершенно иная. Увеличение зональности привело бы к потеплению зимой климата у западных побережий континентов и похолоданию его у восточных, летом эффект был бы обратный.

Таким образом, вращение Земли и характер подстилающей поверхности относятся к числу важнейших геофизических климатообразующих факторов.

Внутреннее, или геотермальное, тепло Земли является следствием того, что температура в земной толще возрастает со средней скоростью примерно 30° С/км. Теплообмен в недрах Земли осуществляется в основном на молекулярном уровне при среднем коэффициенте теплопроводности 0,005 кал/см °С. В результате от Земли в океан или атмосферу поступает поток тепла, который составляет около 10^‑4 кал/мин, или 6·10^‑2 Вт/м². В то же время турбулентные потоки тепла над океаном на 3–3,5 порядка больше. Даже над ледяной поверхностью турбулентные потоки тепла в 2 раза больше этой величины. Если же сопоставить эти потоки с горизонтальными потоками тепла в системе атмосферной и океанической циркуляций, достигающих соответственно 70–100 и 5,3 Вт/м², то можно заключить, что потоки геотермального тепла оказывают пренебрежимо малое влияние на глобальный климат. Для Земли в целом роль этого фактора могла, по‑видимому, быть заметной в историческом прошлом и должна приниматься во внимание при оценке длительных в геологическом масштабе времени изменений климата. Роль магнитного поля Земли в формировании климата пока еще недостаточно исследована, тем не менее некоторые аспекты проблемы заслуживают внимания.

В работах советского геофизика Н. Д. Медведева, чехословацкого геофизика В. Буха и др. показано, что магнитные и геомагнитные полюса смещаются. В конце последнего ледникового периода, 12–15 тыс. лет назад, серверный геомагнитный полюс располагался на востоке Северного Ледовитого океана, сейчас находится на северо‑западе Гренландии (как считает Н. Д. Медведев, происходит перемещение в сторону экватора и южного магнитного полюса). Около 200 г. до н. э. полюс находился значительно ближе к Европе, чем на рубеже эпох и позже, около 300 г. н. э., когда он передвинулся на север Аляски. Затем он снова приблизился к Европе (между 600 и 1000 г. н. э.). Около 1600 г. он передвинулся в Баренцево море, а между 1650 и 1850 гг. удалился к Гренландии.

Некоторые гипотезы указывают на то, что положение геомагнитных полюсов регулирует механизмы влияния солнечной активности на атмосферу и активность постоянных центров действия атмосферы, в частности Исландского минимума. Так, в период солнечной активности солнечные корпускулы более интенсивно вторгаются в область геомагнитных полюсов вдоль силовых линий. Их кинетическая энергия трансформируется в тепловую энергию, что приводит к нагреванию верхней атмосферы. Кроме того, нагреву верхней атмосферы способствует генерация в авраальном овале (зона полярных сияний) над геомагнитным полюсом электрических вихревых токов, что вызывает дополнительный нагрев атмосферы на высотах 20–30 км и выше в пределах геомагнитного полюса. В результате эти слои разогреваются, происходит подъем атмосферы, а затем отток воздуха и углубление располагающегося в этом районе Исландского минимума. Далее вступают в действие внутриатмосферные циркуляционные факторы, а именно: увеличение интенсивности циклонической деятельности и как следствие потепление в Европе.

В соответствии с подобной концепцией в те периоды, когда геомагнитный полюс был ближе к Европе, климат ее, особенно в холодные периоды, был теплее за счет поступления на континент морских воздушных масс. В то время, когда полюс был в восточной части Северного Ледовитого океана, на Европу двигались холодные арктические воздушные массы.

При оценке совокупного воздействия геофизических факторов на климат историю Земли следует рассматривать как историю одной из планет Солнечной системы. Для понимания длительной эволюции климата Земли важно изучить источники внутренней энергии Земли и вулканизм. К главным источникам тепла, по данным А. С. Монина, следует относить потенциальную энергию планеты, которая высвобождается в результате увеличения концентрации массы планеты к центру тяжести, и энергию расхода долгоживущих изотопов U, Th и K. За всю историю Земли эти источники выделили соответственно 1,6·10³⁸ и 0,9·10³⁸ эрг тепла. Потери энергии за счет теплоотдачи составляют около 0,5·10³⁸ эрг (10²⁸ эрг/год). Таким образом, внутри планеты накопилось порядка 2·10³⁸ эрг тепла, которое шло на разогрев и частичное плавление ее недр. В глубинах Земли, в ее мантии происходят в связи с этим сложные конвективные процессы, следствием которых является вулканическая деятельность и так называемый дрейф континентов.

Если нанести на карту положение всех вулканов, то они удивительно кучно располагаются в определенных поясах – подвижных зонах, разделяющих литосферные плиты. Последние практически не сейсмичны. Основная же масса действующих вулканов находится в подвижных зонах: Евроазиатской, Индо‑Австралийской, Тихоокеанской, Американской, Антарктической и Африканской.

В геологическом прошлом положение литосферных плит, а следовательно, океанов и материков существенно отличалось от нынешнего. По‑видимому, 15–20 млн. лет назад континенты расположились так, как теперь. С движением континентов и вулканической деятельностью главным образом связана эволюция земной коры, океана, атмосферы и в целом климата нашей планеты.

За всю историю Земли извержения дали около (2,85÷4,7)·10²⁵ г вулканических продуктов (что соответствует массе земной коры толщиной порядка 33 км). В них содержалось около 2,5·10²³ г газов, что примерно в 50 раз больше массы современной атмосферы и в 2 раза – массы океана. Около 70–80% этого количества, т. е. около 1,8·10²⁹ г, составляет водяной пар. Остальные газы – H₂S, SO₂, HCl, HF, HBr, Н, Ar и др. Большая часть образовавшейся вследствие извержения атмосферы конденсировалась, сформировав в конце концов массу гидросферы – океан. Масса океана в его современных границах составляет 1,37·10²³ г. Таким образом, атмосфера и океан с самого начала были продуктом вулканической деятельности.

В дальнейшем в процессе сложной геохимической эволюции из азотосодержащих компонентов и воды под действием солнечной радиации образовалась нынешняя азотно‑кислородная атмосфера, включающая, кроме того, малые примеси в виде углекислого газа, водяного пара, озона и других компонентов, определяющих тепловой режим атмосферы. Эволюция атмосферы и океана продолжается и поныне. В этой связи вулканизм и теперь является одним из решающих геофизических факторов формирования климата.

В настоящее время высказывается мнение, что перераспределение массы атмосферы вследствие ее общей циркуляции может само способствовать вулканизму. Если области высокого и низкого давления расположатся так, что их граница придется на подвижные зоны, произойдет благоприятное для сейсмичности перераспределение массы атмосферы. Перепаду давления в 20 мб, что вполне реально, только в двух районах площадью по 10⁷ км² будет соответствовать перепад массы атмосферы в 2·10¹⁵ т, что создаст значительные дополнительные силы напряжения в земной коре.

Вулканическая деятельность способствует поступлению в атмосферу не только газовых компонентов, но и аэрозоля, который существенно влияет на условия прохождения и поглощения ультрафиолетовой и инфракрасной радиации, а следовательно, и на климат.

Совокупное воздействие астрономических и геофизических факторов стимулирует внутриатмосферные процессы и в первую очередь циркуляционные механизмы, к анализу которых мы перейдем ниже. Но прежде заглянем в ближайшее будущее.

По‑видимому, на климат в обозримом историческом прошлом главным образом влияли аэрозоль и малые газовые компоненты, включая CO₂, их воздействие будет решающим и в будущем.

В настоящее время годовое поступление в атмосферу аэрозоля достигло уже порядка 2 млн. т, из которых более половины приходится на естественный аэрозоль, в основном вулканического происхождения. Аэрозоль обладает двумя главными климатическими эффектами. Прежде всего он поглощает солнечную радиацию, нагревая воздух на высотах, и уменьшает поступление солнечной радиации к поверхности Земли. Кроме того, мелкодисперсный аэрозоль рассеивает коротковолновую солнечную радиацию, что равносильно увеличению отражательной способности атмосферы, и способствует ее охлаждению. По этой причине сказать однозначно, что аэрозоль приводит к потеплению или похолоданию климата, нельзя. Все зависит от свойств аэрозоля.

Связь уменьшения солнечной радиации с вулканической деятельностью была установлена давно. Так, например, в Павловске, вблизи Ленинграда, в 1912–1913 гг. коэффициент прозрачности атмосферы упал с 0,74–0,75 до 0,57–0,68. Это было связано с извержением вулкана Катмай на Аляске в 1912 г. Такая же картина была зарегистрирована при извержении вулкана Агунг в 1963 г. и др.

Ряд ученых влиянием вулканического аэрозоля объясняют похолодания климата и даже целых ледниковых эпох, например в четвертичном периоде. Английский климатолог Лэмб построил ход индекса вулканической активности с 1500 г. по наше время. В XV–XVI и в начале XIX в., т. е. в период малого ледникового периода, согласно этому индексу действительно наблюдалась повышенная вулканическая деятельность.

С 1912 до начала 40‑х годов сильных вулканических извержений не происходило, и атмосфера в это время была более прозрачной. В 1900–1940 гг., т. е. в период роста температуры, увеличивалась в среднем и прямая солнечная радиация. Ее отклонение от средних значений достигло к началу 40‑х годов около 2%. Одновременно с падением температуры уменьшилась и прямая солнечная радиация. Следовательно, можно считать, что при потеплении атмосфера была более прозрачной, а количество доходившей до Земли радиации больше. Однако это еще не доказательство того, что потепление климата было вызвано прозрачностью атмосферы.

В попытке объяснить климатический тренд нынешнего столетия только вулканической деятельностью мы сталкиваемся с противоречием. Так, с 1883 по 1912 г. наблюдалась серия вулканических извержений. После каждого из них в течение нескольких месяцев и даже одного‑двух лет понижался уровень приходящей солнечной радиации. В ряде случаев изменялась температура. Средняя температура в конце XIX – начале XX в. была низкой. Однако именно в это время, в период вулканической деятельности, а не после него, началось повышение температуры, достигшее максимума в 30–40‑е годы. Наступившее вслед за этим похолодание климата отмечено задолго до очередных извержений в конце 40‑х – начале 50‑х годов, бывших к тому же слабыми. После извержения вулкана Агунг (1963 г.) в конце 60‑х годов произошло не похолодание, а некоторое потепление климата.

Признавая, таким образом, исключительно важную роль вулканического аэрозоля в формировании климата, тем не менее объяснять изменения климата в прошлом лишь влиянием этого фактора было бы неверно.

Следующий климатообразующий фактор – естественный цикл CO₂ и некоторых малых компонентов, обладающих тепличным эффектом (водяной пар, хлорные соединения и др.). В настоящее время в атмосфере Земли содержится 0,033% CO₂, что соответствует примерно 2350–2570 млрд. т, а в океане в 50 раз больше. Между атмосферой и океаном, атмосферой и биосферой непрерывно происходит обмен CO₂. В современную эпоху на фотосинтез растений расходуется из атмосферы около 100 млрд. т CO₂ в год и столько же примерно его выделяется в атмосферу в процессе дыхания живых организмов. Поступление CO₂ из недр Земли за счет вулканизма составляет, по‑видимому, в среднем немногим более 0,1 млрд. т/год, что на 1,5–2 порядка меньше антропогенного поступления CO₂ в атмосферу. В самой литосфере содержится около 2·10⁸ млрд. т углерода, основная часть которого связана в карбонатных породах.

Скорость обмена CO₂ в естественном цикле составляет в системе атмосфера–земная биосфера около 20 лет, а в системе земная биосфера–атмосфера около 20–40 лет. Соответственно в системе атмосфера–океан и океан‑атмосфера полный период обмена около 5 лет.

Характерной особенностью обмена CO₂ между океаном и атмосферой является зависимость этого обмена от температуры воды. В результате в высоких широтах поток CO₂ направлен из атмосферы в океан, а в низких – из океана в атмосферу. По различным оценкам изменение температуры в деятельном слое океана толщиной 50 м на 1°С вызывает изменение концентрации CO₂ в атмосфере на 0,4% или даже больше.

В истории Земли были периоды, когда содержание CO₂ было существенно больше, чем теперь. Так, по некоторым данным, около 250 млн. лет назад концентрация CO₂ составляла 7,5%, в фанерозое (570 млн. лет назад) – не более 0,3%. Предполагают, что около 1 млн. лет назад в отдельный период концентрация CO₂ была в 2 раза выше современной. Что касается нынешней эпохи, то большинство исследователей сходятся в том, что сейчас содержание CO₂ в атмосфере невелико.

Такова в общих чертах роль геофизических факторов естественного происхождения в формировании климата.