Влияние некоторых факторов на изменение климата
Какие же факторы оказывают влияние на климат? Если ограничиться масштабом времени, не превышающем тысячелетия, что является характерным для современного периода «парниковой» проблемы, то существенными оказываются следующие факторы:
1) концентрации парниковых газов атмосферы;
2) концентрации тропосферных аэрозолей (сернокислотные или сульфатные аэрозоли, образующиеся в результате взаимодействия оксидов серы и атмосферного водяного пара);
3) солнечная постоянная, т. е. тепловой поток, поступающий от Солнца на внешнюю границу тропосферы;
4) вулканическая активность, определяющая степень насыщения стратосферы аэрозолями серной кислоты. В отличие от тропосферного аэрозоля со временем жизни примерно 6 суток стратосферный аэрозоль является долгоживущим – его время жизни достигает 5–7 лет;
5) апериодические колебания в системе атмосфера – океан (явление Эль-Ниньо/Южное колебание) – повторяющиеся через нерегулярные промежутки времени; значительные (до 12 °С) колебания температуры морской воды в гигантской акватории Тихого океана (0–12° южной широты, 180–80° западной долготы);
6) параметры орбиты Земли (эксцентриситет, прецессия, угол наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики).
Изменение первых двух факторов в последние 200 лет вызывается в основном антропогенной деятельностью и, в первую очередь, сжиганием органического топлива. В то же время все остальные факторы имеют исключительно естественное происхождение.
Концентрации парниковых газов в атмосфере.Безусловно, важнейшим из парниковых газов является двуокись углерода. Его основным источником служат процессы сжигания органического топлива (уголь, газ, нефть и продукты ее переработки, горючие сланцы, дрова). За счет этого в атмосферу поступает до 80 % двуокиси углерода. Углекислый газ, накапливаясь в атмосфере, задерживает часть отраженного поверхностью Земли солнечного излучения, что приводит к возрастанию температуры.
На советско-американском совещании экспертов, проходившем в 1981 г. в Ленинграде, были представлены материалы наблюдений, из которых следовало, что содержание углекислого газа в атмосфере повысилось до 0,0335 %, тогда как в XIX в. оно составляло 0,029 % (по объему).
Результаты анализа мирового потребления энергии и потребления на душу населения до 2100 г. показали, что уже во второй половине ХХI в. потребление энергии стабилизируется, а к концу XXI в. начнется его слабое снижение. Ожидается, что стабилизация наступит при значениях
24–25 Гт.у.т., отличающихся от нынешнего менее чем в 2 раза. Что же касается душевого потребления энергии, то, пройдя через максимум приблизительно в 2030 г., его значение снизится к концу века до нынешнего уровня (примерно 2,3 т.у.т./чел. год). Использование представленных результатов в расчетах концентрации СО2 в атмосфере на основе модели углеродного цикла позволило предсказать изменение этой величины в следующем столетии. Достигнутая в настоящее время скорость роста концентрации СО2, по-видимому, сохранится в ближайшие 40–50 лет. После этого скорость начнет снижаться и к концу XXI в. будет достигнуто значение около 460 млн-1, что всего на 65 % выше уровня 1800 г.
Помимо СО2, к парниковым газам относятся метан, закись азота, фреоны, озон и другие газы, количественное присутствие которых в атмосфере также может быть обусловлено антропогенными причинами. Оценки показывают, что вклад малых парниковых составляющих атмосферы в суммарный эффект сейчас достигает 40 %.
Следующими по вкладу в парниковый эффект являются метан CH4 и закись азота N2O. Концентрация того и другого газа определяется как естественными, так и антропогенными причинами. Так, естественным источником CH4 являются переувлажненные почвы, в которых происходят процессы анаэробного разложения. Человек добавил свои источники - рисовые плантации, добычу и транспортировку природного газа, сжигание биомассы и др. К естественным поставщикам N2O относятся океан и почвы. Антропогенная добавка связана со сжиганием топлива и биомассы, вымыванием азотных удобрений. Как показывают расчеты, рост концентрации того и другого компонента атмосферы должен прекратиться в следующем столетии, и к 2050 г. будет достигнута стабилизация CH4 на уровне 2,5 млн-1, а к 2100 г. и концентрации N2О на уровне 0, 37 млн -1. Эти значения превосходят нынешние всего на 20 %.
В перспективе должны полностью утратить свою роль как парниковой составляющей фреоны – газы, имеющие чисто индустриальное происхождение.
Концентрация тропосферного сульфатного аэрозоля.Частицы аэрозоля играют важную роль в климатической системе. Наибольшее климатическое значение имеют частицы размером менее одного микрометра, они образуются в атмосфере в результате газохимических превращений, в которые вовлечены в основном серосодержащие газы и, в первую очередь, SО2. В результате образуется серная кислота, которая немедленно конденсируется в виде мельчайших капелек. Такие процессы всегда имели место в атмосфере Земли, куда достаточное количество серы поступало с поверхности океана и в результате извержений вулканов. Сейчас большая часть (примерно 60 %) серы, попадающей в атмосферу, имеет антропогенное происхождение и обусловлена сжиганием ископаемых топлив и биомассы, выбросами некоторых производств. Развитие технологий сероулавливания в энергетике и в промышленности привело к тому, что на рубеже нынешних веков эмиссия серы и концентрация тропосферного аэрозоля стабилизировались. Оценки показывают, что после 2030 г., по мере распространения и совершенствования передовых технологий сероулавливания, начнется снижение эмиссии серы в условиях продолжающегося роста потребления энергиии к концу XXI в. антропогенный источник выброса серы практически исчезнет.
Тропосферному аэрозолю принадлежит особая роль в изменении климата. Рост концентрации аэрозоля с начала индустриальной эры приводил к увеличению вызываемого им экранирующего прямое солнечное излучение эффекта, что способствовало похолоданию климата. Ожидаемое в следующем веке уменьшение концентрации приведет к тому, что направление влияния аэрозоля на климат планеты изменится на противоположное.
Солнечная постоянная.Тепловой поток, поступающий от Солнца на внешнюю границу атмосферы, в среднем составляет 1370 Вт/м2. Данное значение испытывает сложные квазициклические колебания в пределах долей процента, однако этого оказывается достаточно для того, чтобы существенным образом влиять на формирование климата.
Известно, что солнечная активность подвержена колебаниям с разными амплитудами и периодами (от 6,6 до 2500 лет). В настоящий момент Солнце проходит через тысячелетний пик своей активности, образованный наложением кратко- и долгосрочных трендов и отличающийся достаточно высокой стабильностью. Этот пик, по-видимому, продлится до 2010 г., после чего начнется постепенное уменьшение активности, которое приведет к ее глубокому минимуму во второй половине следующего столетия. Минимальная оценка снижения солнечной постоянной по сравнению с нынешним уровнем составляет 0,4 %, что вполне достаточно для снижения среднеглобальной температуры на 0,5–0,6 °С.
Вулканическая активность.В соответствии с современными представлениями механизм влияния вулканической активности на климат состоит в следующем. Основное влияние на поток солнечной радиации и, следовательно, на тепловой режим Земли оказывает слой кислотного аэрозоля, формирующийся в стратосфере из выброшенных вулканами серосодержащих газов. Этот аэрозоль препятствует проникновению солнечного излучения к поверхности Земли. Остальные компоненты вулканических выбросов имеют значительно меньшее влияние на климат.
Насколько серьезным фактором может оказываться вулканическая активность, демонстрируют факты, свидетелями которых является нынешнее поколение. В том, что не все годы из последних 17 лет оказались рекордными по средней температуре, «виновато» катастрофическое извержение вулкана Эль-Чичон в 1982 г., когда в атмосферу было выброшено 107 тонн серы. В результате 1982 и 1984 годы выпалииз рекордного
списка. Крупнейшее за XX в. вулканическое извержение произошло
в 1991 г. – вулкан Пинатубо отправил в стратосферу 3·107 тонн серы. Последующие годы – 1992 и 1993, хотя и входят в перечень самых теплых, однако занимают в нем позиции в конце списка.
Еще в середине девятнадцатого века была высказана гипотеза о связи вулканической и солнечной активности. Анализ достаточно обширных архивов по вулканическим извержениям и солнечной активности, который стал возможен к концу ХХ в., подтверждает эту гипотезу. Полной ясности о том, как Солнце оказывается в состоянии управлять вулканами, пока нет. Интересно, что с точки зрения влияния того и другого фактора на климат, один как бы усиливает другой – уменьшение активности Солнца приводит к снижению среднеглобальной температуры атмосферы Земли и одновременно активизирует деятельность вулканов, что, в свою очередь, вносит дополнительный эффект в уменьшение солнечной радиации, достигающей поверхности планеты.
Автоколебания в системе атмосфера-океан.Из природных явлений планетарного масштаба к числу наиболее мощных и имеющих наиболее серьезные последствия для человека следует отнести так называемое южное колебание – перераспределение масс воздуха в низких широтах Южного полушария между Индийским и Тихим океаном. При этом
возможна ситуация, повторяющаяся через нерегулярные промежутки времени – давление над Индийским океаном вырастает настолько, что пассатные ветры ослабевают и даже меняют направление на противоположное. Теплая вода из западной части Тихого океана устремляется на восток и накапливается у берегов Южной Америки. Такие случаи значительного потепления воды в центральной и восточной частях экваториальной зоны Тихого океана получили название явлений Эль-Ниньо.
Явления Эль-Ниньо оказывают влияние не только на региональный климат и морскую экосистему западного побережья Южной Америки,
но и возмущают атмосферную циркуляцию на всем земном шаре. Начиная с XVI в. и по сей день произошло 48 достаточно сильных явлений
Эль-Ниньо (последнее началось в марте 1997 г. и закончилось в конце
1998 г.). Наступление Эль-Ниньо сопровождается заметным повышением среднеглобальной температуры. Примером тому могут служить 1983, 1987 и 1997 годы, попавшие в разряд самых теплых в значительной степени из-за исключительно сильных Эль-Ниньо.
Другим примером, менее хорошо известным, но оказывающим большее влияние на жителей Европы, может служить явление Североатлантического колебания. Все привыкли к словам: «Азорский антициклон» и «Исландская область низкого давления». Над Азорскими островами, расположенными в середине Атлантического океана, преимущественно расположена область высокого давления, над Исландией же всегда или почти всегда низкое давление. Если над Исландией давление уменьшается, то над Азорскими островами оно растет и наоборот. Это так называемые качели давления. В зависимости от того, как наклонено коромысло этих качелей, в Европе либо чрезвычайно холодные и бесснежные зимы, либо теплые и влажные. Сейчас, когда в последние 20 лет давление над Азорскими островами аномально высокое, а над Исландией аномально низкое, Атлантика посылает на нас волны теплого и влажного воздуха, в результате чего зимы у нас стали теплыми.
Параметры орбиты Земли.По сравнению с перечисленными факторами формирования глобального климата фактор изменения параметров орбиты Земли проявляется на гораздо более длительных временных интервалах. Для нынешнего периода истории планеты характерно, что суммарный эффект от изменения параметров орбиты ведет к медленному понижению среднеглобальной температуры со скоростью 0,04 °С в столетие.
Что же ожидает человечество в наступившем первом веке нового тысячелетия? Тенденция к потеплению, обнаружившаяся в конце XIX и развившаяся в XX в., продлится и в XXI веке. Среднеглобальная температура будет возрастать в результате продолжающегося накопления в атмосфере парниковых газов, однако все естественные факторы будут действовать в направлении похолодания и тем самым значительно уменьшать антропогенно обусловленное потепление. Средняя скорость роста температуры
составит 1,2 °С в столетие. Таким образом, оценки грядущего потепления не дают оснований для пессимистических, тем более катастрофических, прогнозов. Реально ожидаемое повышение температуры в XXI столетии полностью лежит в пределах отметок климатического оптимума, наблюдавшегося 6–5 тысяч лет тому назади отличавшегося чрезвычайно благоприятными природными условиями.
Таким образом, на климат влияет огромное количество факторов, роль каждого из которых оценить чрезвычайно сложно. Кроме того, климатическая система живет богатой внутренней жизнью. Человек может оказывать существенное влияние лишь на один важный климатообразующий фактор – концентрации парниковых газов.