Антропогенный эффект и изменение климата

 Климат (от греческого klima, родительный падеж - klimatos) – буквально наклон, подразумевается наклон земной к солнечным лучам. В современном понимании климат - это многолетний режим погоды, свойственный той или иной местности на Земле и являющийся одной из ее географических характеристик. При этом под многолетним режимом поверхности подразумевается совокупность всех условий погоды в данной местности за значительный период времени (несколько десятков лет) и типичная внутригодовая смена этих условий.

К середине 20-го века понятие климата, относившееся раньше к условиям земной поверхности, было распространено и на высокие слои атмосферы, а в число климатических показателей вошли параметры элементов теплового баланса Земли: солнечная радиация, радиационный баланс и т.д. Климат стал характеризоваться как статистический ансамбль состояний, проходимых климатической системой: океан – суша – атмосфера за периоды времени в несколько десятилетий. С этой точки зрения, теория изменения климата является статистической динамикой климатической системы. Построение такой теории является чрезвычайно сложной физической задачей. (Теория хаоса динамических систем, эволюционирующих на имеющихся в их фазовых пространствах предельных множествах со сложной структурой – так называемых странных аттракторах). В общем виде задача вычисления климатической функции (т.е. распределений вероятностей для значений всех параметров, характеризующих климатическую систему, - температуры, давления, вектора скорости ветра, концентрации парниковых газов, аэрозолей и т.д. от пространственных координат и времени) при современном уровне вычислительной техники не выполнима. Задачу можно существенно упростить, если ввести понятие о «глобальном климате» - климатической функции, интегрированной по всей земной поверхности.

Глобальный климат Земли, в принципе, может характеризоваться всего лишь одним параметром - глобальной температурой (т.е. среднегодовой температурой) приповерхностного слоя воздуха всего земного шара. Изменение глобальной температуры определяется рядом взаимосвязанных астрономических и геофизических явлений. Эта взаимосвязь основана на механике небесных тел и на тепловом равновесии планет в целом и их внешних оболочек - атмосфер. Из всех планет солнечной системы наибольший интерес, естественно, представляет планета Земля, ее глобальный климат и динамика его изменения. Каковы причины этих изменений, как долго будет продолжаться нынешнее потепление и существует ли это потепление на самом деле? Может быть, это просто результат изменения техники измерений температуры и создается эффект кажущегося потепления? 

Антропогенный эффект и изменение климата

По-видимому, основными факторами антропогенного воздействия на климат являются увеличение концентрации парниковых газов, а также увеличение выбросов аэрозолей в атмосферу. Основные парниковые газы - это водяной пар (Н2О), углекислый газ (СО2), метан (СН4), окись азота (N2O), озон (О3) и, в меньшей степени, ряд хлорфторуглеводородных соединений.
Увеличение концентрации этих газов приводит к увеличению поглощения излучения от Земли, которое имеет место в инфракрасной области спектра, (максимум излучения в области 8 - 13 мк). Это вызывает подогрев атмосферы и, следовательно, в свою очередь, поверхности Земли. 

Рассмотрим влияние главных парниковых газов: водяного пара и углекислого газа, с одной стороны, являющихся главным условием существования жизни на Земле, а с другой стороны, на долю которых приходится более 95 % всего парникового эффекта, подогревающего атмосферу на 33 о С. Между ними есть принципиальная разница.
Водяной пар в атмосфере является наименьшей по массе частью свободной воды, находящейся в гидросфере и криосфере в основном в жидкой и твердой форме. Масса водяного пара определяется притоком солнечной радиации и температурой воздуха и не может существенно изменяться при постоянстве этих факторов. Так как в геологическом прошлом происходили заметные изменения климата, количество водяного пара в атмосфере также изменялось в соответствии с колебаниями глобальной температуры. Однако эти изменения массы водяного пара были следствием, а не причиной изменения климата. Вследствие положительной обратной связи водяной пар при каждом очередном похолодании или потеплении климата лишь усиливал этот процесс. Точно так же, водяной пар является следствием, а не причиной существования морей и океанов. Его прямое влияние на биосферу несущественно по сравнению с его косвенным влиянием как источника воды, выпадающей в виде осадков. 

Углекислый газ, как в климатических условиях геологического прошлого, так и в условиях современного климата может существовать только в газообразном состоянии. При этом его концентрация в атмосфере может меняться в широких пределах вне зависимости от внешней температуры. Наоборот, рост концентрации СО2 вследствие парникового эффекта неизбежно должен приводить к повышению глобальной температуры Земли. Наличие углекислого газа является необходимым условием существования жизни на Земле. Почти все живое вещество, создаваемое в биосфере, возникает из углекислого газа и воды в результате процесса фотосинтеза. Еще большее, чем в атмосфере (2,6 × 1018 г), количество СО2 содержится в водоемах, где масса этого газа достигает 130 × 1018 г. Углекислый газ гидросферы используется в ходе фотосинтеза водных растений. Основная часть углекислого газа, израсходованного автотрофными растениями, возвращается в атмосферу и гидросферу в ходе процессов деструкции органического вещества, которые происходят при участии бактерий и других гетеротрофных организмов. Сравнительно небольшая часть органического углерода, полученного в результате фотосинтеза, сохраняется длительное время в составе почвенного гумуса, сапропеля, торфа и других органических веществ, масса которых частично расходуется в ходе окисления, но частично сохраняется и захороняется в литосфере в виде каменного угля, нефти, горючих газов и рассеянного органического углерода. Еще больший расход углекислого газа атмосферы и гидросферы связан с образованием карбонатных отложений. Процесс формирования карбонатов наиболее активно происходит в мелких водоемах, куда потоки воды выносят с поверхности континентов продукты эрозии, включающие различные соединения углерода. Из этих продуктов образуются отложения известняка, мела, доломита и других минералов, содержащих углерод. Большую роль в процессе карбонатообразования играют водные организмы, скелеты которых создаются из содержащихся в воде соединений углерода. На активное участие живых организмов, выступающих в качестве геологических факторов эволюции земной коры и тропосферы, впервые обратил внимание академик Вернадский . Открытая Вернадским роль биоты как геологической силы была обобщена Перельманом в виде закона Вернадского: суммарный эффект деятельности живого вещества за всю геологическую историю огромен, т.к. живые организмы определили геохимические особенности верхней части земной коры. 

Очевидно, что без постоянного притока СО2 из глубоких слоев Земли сохранение более или менее стабильной концентрации атмосферного углекислого газа в течение интервала времени, сравнимого с геологическими эпохами, невозможно. Углекислый газ поступает в атмосферу из глубоких слоев Земли в результате дегазации верхней мантии, а также более высоких слоев земной коры. Значительная часть СО2, получаемого атмосферой, выбрасывается при вулканических извержениях. Наряду с СО2 вулканические газы обычно содержат некоторое количество окиси углерода (СО), которая в относительно короткое время окисляется и превращается в углекислый газ. Из сказанного выше следует, что скорость прихода углекислого газа как для длительных, так и для сравнительно коротких интервалов времени может изменяться в широких пределах главным образом из-за колебаний уровня вулканической активности. Планета Земля стареет, и наряду с ритмическими колебаниями имеется общая тенденция к уменьшению вулканической активности, что должно вызвать, соответственно, снижение количества СО2.

Рис.1. Изменение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли за последние 100 миллионов лет

На рис.1. показано изменение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли за последние 100 миллионов лет по данным геохимических расчетов. Отметим, что представленная кривая СО2, в общем согласуется с данными по изменениям вулканической активности за этот период, определенной по количеству вулканических пород, образованных за единицу времени. По мере снижения количества углекислого газа снижалась интенсивность фотосинтеза, что, по-видимому, уменьшало общую биомассу на нашей планете. Существует некоторая минимальная концентрация СО2, которая соответствует понижению фотосинтеза до пределов, делающих невозможным существование автотрофных растений. И, если предположить, что на Земле цивилизации удалось бы создать альтернативные источники энергии, не загрязняющие атмосферу, в отдаленном будущем биосфера Земли должна была бы погибнуть в результате естественного уменьшения концентрации углекислого газа ниже критической.

Рис.2. Концентрация основных парниковых газов. (Кривые: а – СО2 , б – СН4, в - N2O).2 - измерения атмосферы, сделанные в последние годы, 1 – данные, определенные по пузырькам воздуха в образцах льда, добытых в Антарктиде

В настоящее время является общепризнанным, что возрастание парниковых газов на протяжении ХХ века является следствием человеческом активности. Однако нет четкой корреляции между изменением температуры Земли и возрастанием концентрации парниковых газов в ХХ веке. Так,  глобальная температура между 1945 г. и 1979 г. немного понизилась. В то же время это был период быстрого роста мировой экономики. В докладе IРСС, 1996  это несоответствие объясняется эффектом охлаждения за счет отражения части солнечной радиации, вызванной сульфатными аэрозолями при горения угля и другого топлива. Однако это объяснение не может рассматриваться как удовлетворительное. Влияние аэрозолей - фактор очень неопределенный и недостаточный в данном случае. Температура особенно быстро возрастала в два последние десятилетия. Однако, количество СО2 увеличивалось монотонно, а концентрация метана вообще стабилизировалась  (см. рис. 2). В работах показано, что истощение стратосферного озона, наблюдаемое в последние два десятилетия ХХ века, вызваны, по-видимому, не антропогенным эффектом, а объясняется циклическими процессами в атмосфере. По данным последних измерений , общее содержание озона, как и предсказывалось, начало возрастать. (См. рис.3). И к 2040 – 2050 г.г. глобальный озон снова достигнет своего максимума, а озоновая «дыра» над Антарктидой, соответственно, сократится до минимума.

Рис.3. Наблюдаемый тренд глобального озона в Добсоновских единицах. (1 DU = 1· 10 -3 атм-см). 1 – данные наземных измерений, 2 - измерения Nimbus 7 TOMS, 3 – MeteorTOMS, 4 – EarthProbeTOMS.