 |
Изменения климата в прошлом
Климат Земли на протяжении всей его истории был подвержен постоянным изменениям, связанным с естественными изменениями основных климатообразующих
факторов. Эти изменения происходят на всех мыслимых временных масштабах: от одного сезона до масштаба геологических эр и самого времени существования планеты.
Среди последних (с которыми связаны наиболее крупные колебания глобальной температуры, измеряемые десятками градусов) основными являются:
- эволюция Солнца с сопутствующим изменением среднего потока солнечной радиации;
- изменение массы и газового состава атмосферы (в первую очедь, парниковых газов: двуокиси углерода СО2 и метана СН4);
- изменения позрачности атмосферы, вызванные крупными вулканическими извержениями или столкновениями с космическими телами;
- дрейф континентов и сопутствующее изменение океанической циркуляции.
Десятки миллионов лет назад концентрации углекислого газа и метана во много раз превосходили современные, а глобальная температура была на несколько градусов
выше, чем сейчас (50-100 миллионов лет назад глобальная температура превосходила современную на 10оС).
Одним из важнейших следствий перемещения материка Антарктиды к Южному полюсу стало образование Антарктического ледового щита, приведшее к понижению
температуры океана при таянии отколовшихся от него огромных айсбергов. Вследствие этого произошло общее похолодание климата до уровня, при котором периодическое
изменение элементов земной орбиты стало приводить к развитию крупномасштабного оледенения (ледниковые периоды). Эти ледниковые периоды отделялись один от другого
сравнительно теплыми межледниковыми периодами, с общей длиной цикла около 100 тысяч лет. В настоящее время изучение изотопного состава газов, содержащихся в
ледовых щитах Антарктиды и Гренландии, позволило восстановить картину изменений температуры у поверхности за последние 400 тысяч лет (Рис.10а): амплитуда
гляциал-межледниковых колебаний температуры составляет, во всяком случае, несколько градусов. В настоящее время климат Земли находится в фазе очередного
межледникового периода.
Как показывают современные реконструкции климата последнего тыячелетия (Рис.10б), в 20-м веке произошло весьма быстрое и значительное потепление климата,
которое может быть разделено на две составляющих. Первое потепление происходило с начала столетия до 1940-х годов, второе началось с 1970-х годов и продолжается по
настоящее время. Характер этих двух периодов потепления существенно различается. Оба они пространственно неоднородны (т.е. в отдельных областях потепление выражено
сильнее, чем в других, а в некоторых регионах даже наблюдается похолодание), но пространственные структуры, связанные с первым и вторым потеплением, значительно
отличаются. Отличаются также изменения атмосферной циркуляции, связанные с этими потеплениями. Первое глобальное потепление не имеет общепринятого объяснения.
Выдвинут ряд гипотез о связи его с повышенной прозрачностью атмосферы в указанный период из-за ослабления вулканической активности; колебаниями потока солнечной
радиации; крупномасштабными внутренними колебаниями в системе океан-атмосфера. В то же время, относительно причин второго периода потепления имеется согласие
большей части научного сообщества: это потепление вызвано дополнительным парниковым эффектом, связанным с антропогенным ростом концентрации в атмосфере
некоторых парниковых газов, в первую очередь, углекислого газа от сгорания органического топлива.
 |
Рис.10. Изменения температуры в прошлом: (а) изменения температуры в Антарктике за последние 400 тысяч лет (схема основана на реконструкции по данным о
содержании изотопов в ледовом керне со станции Восток: J.R.Petit et al. (19 authors). Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core,
Antarctica. – Nature, 399 (1999), 429-436); (б) изменения температуры Северного полушария в последнем тысячелетии (схема основана на реконструкциях по данным о
кольцах деревьев, кораллам, озерным отложениям, ледовым кернам и т.п.: http://www.pages.unibe.ch - данные за последнее столетие основаны на измерениях).
|
Антропогенные изменения климата
Парниковый эффект и антропогенные изменения температуры
Основная доля солнечной энергии поглощается поверхностными слоями океана и суши и затем излучается обратно в пространство в виде длинноволновой
(инфракрасной) радиации. Однако, определенная часть уходящей радиации поглощается в атмосфере так называемыми парниковыми газами (в первую очередь, водяным
паром, углекислым газом СО2, метаном СН4 и некоторыми другими), что обеспечивает дополнительный нагрев у поверхности Земли – естественный парниковый эффект.
В среднем за год для всей поверхности Земли достаточно точно выполняется условие радиационного баланса: приходящая солнечная радиация компенсируется радиацией, излучаемой в
пространство с верхней границы атмосферы. Можно считать, что излучение Земли подчиняется закону Стефана-Больцмана I? = I? ~ T4 (Т – температура, при котоой поисходит излучение).
Тогда условие радиационного баланса вместе c данными о величине потока солнечной радиации, измеренными на больших высотах, позволяет оценить температуру земной поверхности, какой
она была бы в отсутствие парникового эффекта в атмосфере: около –19оС (в среднем за год), т.е., значительно ниже реально наблюдаемой величины около +15оС. В действительности за счет
многократного поглощения и переизлучения длинноволновой радиации парниковыми газами уходящая радиация излучается более высокими слоями атмосферы, которые в самом деле имеют
значительно более низкую температуру, нежели наблюдаемая у поверхности. Таким образом, смысл парникового эффекта состоит в том, что он позволяет выполнение суммарного
радиационного баланса Земли при более высокой температуре земной поверхности, чем это было бы в отсутствие поглощения длинноволновой радиации в атмосфере.
Наблюдения и реконструкции по различным геологическим данным показали, что в 20-м веке произошел быстрый и значительный рост концентрации в атмосфере с
280 млн-1 в начале индустриальной эры до 370 млн-1 в настоящее время, и этот рост в основном носит антропогенный характер (выбросы углекислого газа при сжигании
ископаемого органического топлива). В связи с этим возникло предположение о возможном антропогенном потеплении за счет дополнительного парникового эффекта.
Однако количественная оценка этого потепления весьма сложна, поскольку в процессе потепления проявляются многочисленные положительные и отрицательные обратные
связи в климатической системе (в первую очередь, связанные с концентрацией водяного пара и облачностью, а также изменением альбедо земной поверхности при
уменьшении снежно-ледового покрова). Кроме того,было обнаружено, что сопутствующие выбросы аэрозолей (твердых частиц, взвешенных в атмосфере) могут приводить к
относительному похолоданию. В настоящее время оценки предстоящих изменений климата получаются с использованием данных сложных физико-математических моделей,
описывающих взаимодействующие атмосферу, океан, поверхность суши и криосферу.
Ожидаемые изменения температуры в 21 веке
Как было отмечено выше, оценки глобального потепления (и в особенности его пространственной структуры) могут быть получены путем экспериментов с
глобальными моделями климата. Есть два типа таких экспериментов. Первые, так называемые равновесные эксперименты, дают оценки чувствительности климата к росту
концентрации парниковых газов (т.е., изменения температуры при удвоении концентрации этих газов в атмосфере). Для этого выполняются два прогона модели на достаточно
длительный срок (несколько десятилетий и более): контрольный (при современной концентрации парниковых газов) и при удвоенной концентрации, и для каждого из них
оценивается климатическое значение исследуемой величины. На основании разности между этими значениями может быть оценена средняя скорость роста, например,
температуры, в зависимости от концентрации парниковых газов. Второй тип экспериментов (неравновесные) выполняются при постепенном изменении концентрации
парниковых газов в модели, так что моделируется действительно постепенное изменение климатических параметров при росте количества парниковых газов в атмосфере.
Далее оценки скорости роста получаются по модельному ряду с применением обычных методов (сравнение климатов разных периодов, оценка тренда, и т.п.). Следует
отметить, что эти оценки могут быть получены только при использовании прогнозов роста концентрации активных составляющих атмосферы, основанных на тех или иных
сценариях промышленного развития, так что они, вообще говоря, не являются прогнозами в обычном понимании.
Современные оценки чувствительности климата к росту концентрации СО2 (т.е., изменения температуры при удвоении концентрации) дают величину в пределах
1.5-4.5оС. Оценки глобального потепления, полученные с использованием разных моделей для различных сценариев эмиссии парниковых газов (СО2) дают для среднегодовой
температуры конца 21 века (2071-2100 гг.) разброс от 0.9 до 5.5оС.
Результаты современных неравновесных (с изменяющейся концентрацией парниковых газов и аэрозоля) экспериментов демонстрируют пространственную
неоднородность потепления, преимущественно с более высокими скоростями роста над континентами; над океанами потепление слабее, в некоторых областях океана ряд
моделей указывает даже на возможное похолодание. Наиболее сильный рост среднегодовой температуры ожидается в высоких широтах Северного полушария. Оценки
потепления для разных сезонов показывают, что в целом оно сильнее в зимнем полушарии.
Непосредственные оценки ожидаемых региональных изменений климата по данным современных глобальных моделей, в том числе высокого разрешения,
представляются ненадежными. Используются различные методы регионализации (статистические и с использованием физико-математических региональных моделей),
которые, однако, дают в настоящее время значительный разброс результатов. Для большинства регионов суши ожидается потепление; зимой в северных регионах рост
температуры быстрее, чем в седнем по Земному шару; летом более быстрый рост ожидается в Средиземноморском регионе, в Центральной Азии и на севере континента.
|
Рис.11. Ожидаемые изменения глобальной температуры в 21 веке: наиболее вероятнный ход и разброс по результатам нескольких моделей и сценариев роста парниковых газов.
|
Изменения осадков при глобальном потеплении
Изменения гидрологического цикла, в том числе, такой важной его составляющей как атмосферные осадки, могут иметь ряд существенных последствий как для
различных сторон человеческой жизнедеятельности (сельское хозяйство, энергетика и транспорт, и с другой стороны - опасные явления, связанные с наводнениями и
засухами), так и непосредственно для климатической системы (облачность, потоки скрытого тепла, приток пресной воды в океан, аккумуляция/разрушение ледовых щитов и
горных ледников, и т.д.). Соображения, связанные с увеличением содержания влаги в атмосфере при глобальном потеплениии (из-за увеличения количества влаги, как
испаряющейся непосредственно с поверхности, так и за счет эвапотранспирации), позволяют предположить общий рост осадков. Следует отметить, что простое применение
столь общих соображений может привести к неверным выводам, по крайней мере, на региональном уровне из-за сложности и неоднородности условий и процессов,
приводящих к образованию осадков. Действительно, оценки, полученные для ряда регионов Земного шара, показывают наличие положительной тенденции изменения осадков
от периода 1955-1975 гг. к концу века в умеренных широтах (исключая северо-восточную часть Азии). В то же время во многих тропических регионах происходит убывание
осадков.
Более полезным для оценки возможных изменений представляется использование климатических моделей с развитым физическим описанием гидрологического цикла.
Существующие модели климата предсказывают рост средней по Земному шару суммы осадков с увеличением концентрации СО2. Зимой ожидается рост осадков в высоких
широтах, а согласно большинству моделей, также и в умеренных широтах. В основном модели предсказывают рост осадков при потеплении для широтных зон к северу от
50ос.ш. и к югу от 50ою.ш. во все сезоны. В то же время, в более южных областях в отдельные сезоны ожидается уменьшение осадков; в частности, в Средиземноморье
ожидается сильное (более 20%) уменьшение осадков в летний сезон. Есть основания ожидать рост частоты и интенсивности сильных осадков, в особенности в тропиках и
умеренных широтах Северного полушария. Ожидаемый рост температурных контрастов между континентами и океаном может привести к интенсификации муссонов; в
частности, ожидается увеличение осадков в системе восточноазиатского муссона.
Климатология осадков изучена значительно хуже, чем температуры: например, весьма плохо изучены осадки над океаном. Временные ряды осадков содержат
существенные неоднородности, связанные с изменением приборов, сроков наблюдения, внесением инструментальных поправок, и т.д., коррекция которых представляет
значительно большие трудности, чем в случае температуры. Положение осложняется значительной пространственной неоднородностью осадков, что делает значительно
менее надежными оценки региональных средних величин. Тем не менее станционные измерения остаются пока единственным источником информации за достаточно
длительный промежуток времени, поэтому в ряде стран, в том числе, в России, ведутся работы по улучшению качества исторической базы станционных данных об осадках.
Изменения частоты и интенсивности экстремальных аномалий
При глобальном потеплении ожидается (и наблюдается на большей части суши) рост максимальных температур и числа жарких дней (когда температура превосходит
заданное пороговое значение); рост минимальных температур и уменьшение числа холодных дней; уменьшение частоты заморозков; уменьшение суточной амплитуды
температуры. Большинство моделей предсказывают рост интенсивности осадков и увеличение числа случаев с экстремальными осадками; эти явления наблюдаются во многих
регионах Северного полушария в умеренных и высоких широтах. В то же время, в ряде регионов ожидается (и в некоторых наблюдается) рост засушливости. Имеются
определенные указания на возможность роста повторяемости и/или интенсивности тропических циклонов.
|
|
