ПРИЧИНЫ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА

Общеизвестно, что радиационные процессы играют центральную роль в атмосферном тепло-энергообмене и, следовательно, в формировании климата Земли, так как "глобальные долговре­менные динамические процессы регулируются реальными притоками тепла, среди которых од­ним из главных является лучистый"[19]. Мало того, климат крайне чувствителен даже, казалось бы, незначительным изменениям в механизме радиа­ционных процессов. Так, по данным ряда исследо­ваний[20], уменьшение в прошлом солнечной энер­гии, приходящей на Землю, всего на ~1% (в силу ряда астрономических факторов) провоцировало ледниковые периоды. За происходящее же изме­нение климата ответственен, как уже отмеча­лось, "парниковый эффект". Парниковым эф­фектом называется повышение температуры по­верхности Земли (или иных планет) вследствие относительно хорошей прозрачности атмосферы по отношению к солнечному излучению и ее не­прозрачности по отношению к инфракрасному (ИК) излучению.

Интересно отметить, что механизм "парнико­вого эффекта" был описан еще в 1860 г. извест­ным английским физиком Тиндалом. В общих чертах он объясняется поглощением в атмосфере теплового ИК излучения, исходящего от земной поверхности (нагретой солнцем) с последующим его изотропным переизлучением в атмосфере, приводящем к возвращению части первоначаль­ного теплового излучения к поверхности. Эта до­бавка к солнечной энергии, падающей на земную поверхность, и вызывает ее дополнительный ра­зогрев[21]. (В среднем земная поверхность поглоща­ет 168 Вт/м² солнечной энергии, а испускает 390 Вт/м² тепловой, причем 324 Вт/м² возвраща­ется обратно из-за парникового эффекта[22].) Без

парникового эффекта была бы вообще невоз­можна жизнь на Земле (по всяком случае в при­вычных формах), так как средняя глобальная температура тогда равнялась бы всего -20°С вме­сто наблюдающихся +15°С[23].

Важно также отметить, что в прошлом дейст­вительно наблюдались сильные корреляции меж­ду климатом и концентрацией СО₂ в атмосфере[24]. На протяжении нескольких последних тысячеле­тий эта концентрация была довольно стабильной и составляла примерно 280 ppmv (280 молекул СО₂ на 1 млн. молекул воздуха). Однако с начала интенсивного развития промышленности (при­мерно с середины прошлого столетия) эта кон­центрация начала экспоненциально расти и в на­стоящее время уже составляет около 360 ppmv. Только с 1980 по 1990 г. концентрация СО₂ увели­чилась на 17 ppmv (с 337 до 354 ppmv)! Так же рез­ко возрастают концентрации и других парнико­вых газов, в первую очередь метана (за то же де­сятилетие с 1.57 до 1.72 ppmv)[25].

При сохранении таких темпов роста уже при­близительно через 30 лет следует ожидать кон­центрацию парниковых газов в атмосфере, экви­валентную удвоению концентрации СОз (при этом концентрация собственно СО₂ будет равна примерно 450 ppmv)[26]. В прошлом при такой кон­центрации парниковых газов (средний Плиоцен, 3-5 млн. лет назад) климат существенно отличал­ся от настоящего: среднеглобальная температура была на 4-5°С выше, отсутствовало оледенение Антарктиды, уровень океана был выше на не­сколько метров и т.п. Установление такого кли­мата за короткий промежуток времени в несколь­ко десятилетий привело бы к глобальной клима­тической катастрофе. Поэтому неудивительно, что в течение ряда последних лет климатические проблемы активно обсуждаются как в научных кругах, так и на межправительственном уровне при активном содействии ООН.

В IPCC также рассматриваются некоторые прогнозы будущего роста концентрации углекис­лого газа в атмосфере, существенно зависящие от выбора стратегии развития промышленности, энергетики, транспорта и т.п. Согласно этим сце­нариям, к концу следующего столетия можно ожидать возрастание концентрации углекислого газа от ~450 ppmv до ~950 ppmv! Вышеуказанные прогнозы основаны на достаточно надежных в настоящее время теориях и моделях углеродного цикла и данных мониторинга СО₂[27]. Как уже отме­чалось, ситуация обостряется вследствие возрас­тания антропогенного выброса и других парнико­вых газов - метана, фреонов и др.

Полезно также иметь в виду основные черты природного углеродного цикла (следить за угле­родом удобнее, чем за его соединениями типа уг­лекислого газа из-за химических превращений). Вообще говоря, в атмосфере содержится пример­но 750 гигатонн (Гт) углерода (здесь и далее вели­чины даны для периода 1980-1989 гг.), при этом обмен атмосферы с сушей (растительность, поч­ва) составляет около 60 Гт/год и с океаном около 90 Гт/год, то есть довольно интенсивен. Казалось бы, ежегодная антропогенная эмиссия, составля­ющая всего около 7.1 ± 1.1 Гт/год (5.5 ± 0.5 Гт/год только из-за сжигания угля и нефти и производст­ва цемента), при таком интенсивном обмене могла бы быть легко поглощена, например океаном (где уже содержится около 40000 Гт углерода). Од­нако - и это является установленным фактом - об­мен атмосфера - суша и атмосфера - океан весь­ма инерционен и соответствующие скорости аб­сорбции СОз могут меняться лишь довольно медленно (за столетия). Кроме того, в отличие от метана, озона и других газов, углекислый газ не вступает в химические атмосферные реакции, могущие эффективно выводить его из атмосфе­ры. Иначе говоря, природная "фабрика" по ути­лизации атмосферного углекислого газа не мо­жет быстро наращивать свои мощности, что и при­водит к накоплению углерода (СО₂) в атмосфере (в указанный период в атмосфере ежегодно остава­лось около 3.2 Гт углерода). Поэтому, как показы­вают модели углеродного цикла[28], накопившийся в атмосфере "лишний" СО₂ приведет к установлению концентрации углекислого газа на новом, бо­лее высоком уровне, причем снижающемся край­не медленно (в течение многих столетий), даже при полном прекращении антропогенной эмиссии. Значит, возможно воздействовать на ситуацию только на стадии накопления СО₂, а снижения его установившейся концентрации можно будет до­биться только если срочно принять меры по огра­ничению выбросов в атмосферу.

Однако введение любых таких ограничений требует весьма существенных (а зачастую и весь­ма дорогостоящих) перестроек в экономике. Так, наиболее "безопасный" (но вообще говоря мало реальный) из сценариев, рассмотренных IPCC (1592 с), в котором установившаяся концентрация равна 350 ppmv, предполагает, что дальнейшее удовлетворение растущих энергетических по­требностей человечества будет происходить в ос­новном за счет ядерной энергетики (в развитых странах), а рост энергетических потребностей в развивающихся странах будет незначительным. Но такая перспектива не слишком реальна.

Возникает естественный вопрос: насколько опасны возможные изменения климата при том или ином сценарии развития глобальной эконо­мики и каков безопасный уровень установившей­ся концентрации СО₂? Очевидно, только ответив на эти вопросы, можно обоснованно выбрать стратегию по предотвращению возможных нега­тивных последствий изменения климата. К сожа­лению, определенность существующих климати­ческих прогнозов оставляет желать лучшего. Так, имеющиеся оценки увеличения среднеглобальной температуры и повышения уровня океа­на при удвоении содержания СО₂ в атмосфере дают разброс в 1.5-4.5°С и 30-140 см, соответ­ственно[29]. Иначе говоря, по одним оценкам кли­мат почти не изменится, а по другим - может про­изойти чуть ли не климатическая катастрофа.

В свою очередь неудовлетворительная надеж­ность климатических прогнозов обусловлена сложностью описания процессов переноса сол­нечной и тепловой энергии в атмосфере и моде­лирования обратных связей в системе атмосфе­ра-суша-океан. Так, поглощение солнечной и тепловой радиации в ИК области имеет очень сложную зависимость от энергии, так как опреде­ляется колебательно-вращательными ИК-спектрами поглощения молекул водяного пара, угле­кислого газа, озона и др. (при моделировании радиационных процессов требуется учесть не­сколько десятков мегабайт информации о не­скольких сотнях тысяч спектральных линий газов). Большие трудности представляет и моде­лирование переноса солнечной энергии в облачной атмосфере из-за весьма неоднородной структуры облаков. Недавно было установлено, что существующие радиационные блоки клима­тических моделей (программы, где вычисляются параметры атмосферного радиационного тепло­обмена) могут давать рассогласование в расчетах потоков атмосферной радиации в десятки про­центов, тогда как изменения в потоках при удвое­нии СО₂ - всего порядка одного процента[30]. В ре­зультате чисто научная проблема моделирования атмосферных радиационных процессов сдержи­вает решение важнейших практических проблем, имеющих общечеловеческую значимость.

Однако в последнее время, наконец, были ос­воены более адекватные методы теоретического исследования переноса атмосферной радиации[31]. Кроме того, бурно развиваются эксперименталь­ные исследования в этой области, в том числе с использованием спутников. В этой связи особо следует отметить американскую программу экс­периментально-теоретических исследований ат­мосферной радиации ARM (Atmospheric Radiation Measurements)[32]. В рамках этой программы на специальных полигонах проводятся уникальные натурные эксперименты по измерениям атмо­сферной радиации в различных климатических зонах. Все это позволяет надеяться на получение качественно новых методик радиационных рас­четов, обладающих достаточной точностью для целей прогнозирования климатических измене­ний уже в ближайшее десятилетие.

Очень важно также правильно учесть много­численные обратные связи в климатической сис­теме. Например, дополнительный разогрев атмо­сферы из-за парникового эффекта вызовет уве­личение испарения воды и приведет к еще большему разогреву вследствие поглощения ра­диации водяным паром. Кроме того, рост испаре­ния приведет к увеличению облачности. Это, с одной стороны, будет способствовать охлажде­нию атмосферы из-за отражения солнечной ра­диации облаками, а с другой - усилит разогрев вследствие экранирования тепловой радиации. (По этим причинам, как хорошо известно, в лет­ний, ясный, солнечный день теплее, чем в пасмур­ный, тогда как при отсутствии облаков ночи хо­лоднее.) В целом, как показывают расчеты, "из­начальный" парниковый эффект по причине подобных обратных связей будет увеличиваться в несколько раз. Неизвестен лишь точный коэф­фициент такого увеличения.

Для кардинального улучшения климатических прогнозов в настоящее время развернуты широ­комасштабные разработки в рамках Всемирной программы исследования климата ("World Climate Research Programme") и Международной геосферно-биосферной программы ("International Geosphere-Biosphere Programme"). Все это также позволяет надеяться на существенное улучшение климатических прогнозов в самом ближайшем будущем.

Однако уже сейчас существует возможность сравнивать различные факторы воздействия на климат с помощью понятия "радиационного фор­синга" (radiactive forcing). Опуская некоторые подробности, можно определить радиационный форсинг как характерное изменение потоков ра­диации из-за данного фактора, измеряемое в Вт/м² (см. табл. 1).

Таблица 1. Радиационные форсинги (в Вт/м²) на насто­ящий момент в сравнении с серединой прошлого века от наиболее существенных климатообразующих факторов

Как следует из этой таблицы, суммарный фор­синг в настоящий момент составил около 2 Вт/м², причем форсинг от увеличения СО₂ доминирует. Как полагают многие специалисты по климату, это уже привело к увеличению среднеглобальной температуры примерно на 0.5°. Полезно также отметить, что форсинг от удвоения СО₂ должен быть около 4.5 Вт/м², то есть будет уже в не­сколько раз превышать все другие форсинги. Это хорошо иллюстрирует широко распространенное мнение о начале существенных климатических изменений и необходимости принятия безотлага­тельных мер по стабилизации климата.