Воздействие на подстилающую поверхность и климат

Человечество уже давно начало воздействовать на подстилающую поверхность, существенно меняя ее альбедо. Начался этот процесс на заре человеческой цивилизации. Первоначально он проявлялся в вырубке и выжигании лесов для высвобождения земли под пахоту и угодья. Так, площадь культивированных земель возросла с 500 млн. га (5·10⁶ км²) в 1860 г. до 1,37 млрд. га (13,7·10⁶ км²) в 1970 г.

Как следует из табл. 6, предполагаемая площадь потенциального сельскохозяйственного производства без использования ирригации составляет 17 млн. км², к этому следует добавить около 4,7 млн. км² потенциально орошаемых земель. Предполагаемый рост населения приведет, таким образом, к освоению около 22 млн. км² земель под сельскохозяйственные угодья. Альбедо этих территорий существенно изменится.

Разрушительные операции в лесу, оголение достаточно больших площадей меняют энергетический, водный и биохимический циклы. Ликвидация лесного покрова и оголение почв ведут к осушению атмосферы. Уже в ближайшие 20–30 лет использование земли в тропиках коснется территории примерно (1,2–1,5)·10⁹ га, или около 12–15 млн. км².

Теоретические расчеты показывают, что при полной ликвидации лесного покрова на земном шаре среднее годовое альбедо повысилось бы примерно на 0,6%. В случае уничтожения лесов параметр шероховатости уменьшился бы с 14,9 до 3 см. Это изменило бы поверхностное торможение, уменьшило угол отклонения ветра от изобар, что повлияло бы на поле давления, вертикальные токи и общую циркуляцию атмосферы в целом.

Большое влияние на альбедо и шероховатость оказывает строительство водохранилищ, городов, дорог, развитие энергетического комплекса и т.д. Пожалуй, единственный способ оценить возможное влияние на климат воздействия на подстилающую поверхность – это численные эксперименты с моделями общей циркуляции атмосферы и климата. Результаты их, в частности, показали, что пустыни, расположенные в основном в субтропической зоне, имеют очень высокое альбедо – около 35%. По этой причине они отражают большее количество коротковолновой солнечной радиации, чем окружающие районы. Кроме того, поскольку пустыни сильно нагреты, они теряют уходящую длинноволновую радиацию, которая из‑за незначительного содержания водяного пара мало задерживается атмосферой. По этой же причине пустыни типа Сахары, Гоби и др. являются такими же зонами потери энергии, как и полярные районы. Данная особенность пустынь, четко зафиксированная с метеорологических спутников, приводит либо к ослаблению возникающих под влиянием каких‑то других причин восходящих движений, либо к формированию нисходящих вертикальных движений и еще большему удалению воздуха от состояния насыщения. Из этого следует, что с уничтожением растительности в прилегающих к пустыням районах увеличится альбедо и они приблизятся к пустынным (такой же качественный эффект дает и уничтожение тропических лесов). Далее начинает действовать механизм «иссушения» за счет нисходящих вертикальных движений. Перенаселение указанных зон, чрезмерное использование пастбищ и обработка земли также могут изменить альбедо, режим осадков. В связи с этим сейчас подвергаются переоценке причины гибели цивилизации в некоторых районах Африки и других аридных зонах около 4 тыс. лет назад. Предполагается, что этот процесс уже тогда был связан с человеческой деятельностью.

Так выглядит картина качественно. Количественный эксперимент был проделан для объяснения конкретной засухи в Сахели. Благодаря осадкам, выпадающим во внутритропической зоне конвергенции, этот район Африки относится к числу плодородных. Северная граница зоны конвергенции располагается вблизи 18° с. ш. летом и 10° с. ш. зимой, зоны песков на 32° с. ш. Таким образом, пояс песков лежит между 18° и 32° с. ш. летом и 10°–32° с. ш. зимой. В зоне 10–18° с. ш. растительность зимой обычно сохраняется. Достаточно зоне конвергенции сместиться на несколько градусов широты к югу, как северная часть этого района оказывается в условиях жесточайшей засухи.

За последние несколько тысяч лет смена влажных и сухих периодов происходила здесь с периодичностью 700–800 лет. В последние несколько столетий засухи в Сахели повторялись в среднем один раз в 30 лет. Однако в конце 60‑х – начале 70‑х годов засухи в Сахели следовали несколько лет подряд. Сахельская засуха представляет яркий пример катастрофического изменения климатических условий крупного района.

Основываясь на приведенном выше качественном механизме, американский ученый Чарни высказал гипотезу, что исчезновение растительности в результате хозяйственной деятельности, в частности вытаптывание ее при выпасе скота, вблизи 18° с. ш. и несколько севернее могло привести к увеличению здесь альбедо и развитию нисходящих вертикальных движений, препятствующих реализации конвективных, а тем более фронтальных осадков.

Численный эксперимент с простейшей моделью показал, что изменение альбедо с 14 до 35% севернее 18° с. ш. действительно привело к формированию в зоне 10°–18° с. ш. нисходящих вертикальных движений. Эксперимент с полной моделью общей циркуляции атмосферы показал также, что в июле‑августе количество осадков вблизи и севернее 18° с. ш. при названном выше изменении альбедо уменьшилось почти вдвое. Самое существенное заключалось в том, что область максимальных ливневых осадков, связанная с внутритропической зоной конвергенции, сместилась к югу и расположилась примерно в зоне 10°–18° с. ш., в то время как при альбедо, равном 14%, оно располагалось в зоне 10°–26° с. ш. Активная же зона дождей при увеличении альбедо сместилась к югу на 4–6° широты, что действительно наблюдалось в период сахельских засух и характерно для климата этого района последних лет.

Можно привести и другие примеры. Так, выполненные автором совместно с Л. К. Ефимовой численные эксперименты показали, что увлажнение пустынных районов за счет искусственного орошения приведет к обратной картине – уменьшится альбедо и увеличится интенсивность восходящих вертикальных движений. В результате климатические условия станут благоприятнее и пустыни отступят.

Подобные же эксперименты были проведены в Англии. Выводы согласуются с приведенными выше: если данный район сделать влажным, то в нем создаются условия для дальнейшего поддержания такого состояния.

Приведенные примеры воздействия на подстилающую поверхность не единственные. Обсуждается проблема образования нефтяных пленок на поверхности океана и их влияние на испарение влаги и климат.

Общее производство нефти в мире составляет 2,5–3 млрд. т, что равносильно объему 4–5 км³. Объем же океана 1,4 млрд. км³, так что при хорошем перемешивании небольшой объем нефти, пролитой в океане, должен бы раствориться в нем. Площадь океана около 370 млн. км², поэтому потребовался бы годовой объем производства нефти, чтобы покрыть океан пленкой толщиной в 1 мм. При реальной утечке нефти около 0,1 %, или 2,5–3 млн. т в год, пленка может образоваться лишь на ограниченной территории.

Эксперименты показали, что 10–20 % разлитой нефти перемешиваются с более глубинными слоями за 24 часа, а нефтяные пятна в плохую погоду исчезают в течение нескольких суток. Несомненно, биологическое и экологическое воздействие разлитой нефти в океане крайне неблагоприятно. Что касается климатических эффектов, то они, по‑видимому, не так велики, как казалось, и будут носить региональный характер.

В настоящее время рассматривается проблема влияния на альбедо льда разлитой по его поверхности нефти. Это очень важный вопрос, поскольку устойчивое изменение альбедо льда в летние месяцы способствует уменьшению равновесной толщины льда до 60%. Нефть же, пролитая надо льдом, несомненно, меняет его альбедо. Кроме того, она легко диффундирует в ледяном покрове и долго в нем сохраняется.

В данном разделе дается лишь самое общее представление о результатах воздействия на климат деятельности человека. Тем не менее и приведенных примеров достаточно, чтобы подчеркнуть важность этой проблемы.

[1]Более детальный анализ орбитальных факторов приведет к выявлению более коротких периодов.

[2]Более подробный анализ показывает, что в 1612 г. солнечных пятен было около 50, затем был пропуск в наблюдениях до 1642 г. с эпизодическими наблюдениями около 1625 г.

[3]Подводные террасы на шельфе до сих пор являются живыми свидетелями границ суши и океана в период ледниковой эпохи.

[4]Эта норма соответствует уровню расхода воды на промышленные цели в одной из развитых стран мира – Швеции.

[5]Это соответствует суммарной тепловой нагрузке в 3–4 тыс. ТВт, что слишком далеко от реальности.

[6]ppm (parts per million) – объемная концентрация содержания углекислого газа. Для всей массы атмосферы в среднем 1 Гт (10⁹ т) эквивалентна 0,4698 ppm.

[7]1,6% в 1960 г. и 2,1% в 1975 г. приходится на цементную промышленность.

[8]Реками в океан выносится 0,368 Гт C, из них 0,205 Гт попадает в реки из атмосферы.

[9]Встречаются и другие оценки содержания C в деятельном слое океана – в 2–3 раза выше приведенных, при этом глубина деятельного слоя принимается не 75, а 250–300 м.

[10]В неорганических осадочных месторождениях и органических осадочных отложениях Земли содержится соответственно 3·10⁷ и 0,66·10⁷ Гт C. Он находится в связанном состоянии и не участвует в углеродном цикле рассматриваемых масштабов времени.

[11]Временем полного обмена считается время, которое потребовалось бы для перехода всего C из одного резервуара в другой.