Прогнозирование тенденций изменения климата кратко

Обновлено: 05.07.2024

Данный материал рассказывает об изменениях климата на нашей планете. При этом автор параллельно касается темы развития энергетики на основе ВИЭ.

Предлагаемая статья посвящена изменениям климата, но мы рассматриваем её в одной связке с темой энергетики на основе ВИЭ. Причина в том, что один из стимулов развития возобновляемой энергетики в наше время — постулат о текущем потеплении климата как следствия, прежде всего, повышения содержания парниковых газов в атмосфере, вызванного сжиганием ископаемого топлива. Это даёт основание рассматривать ВИЭ как фактор снижения эмиссии парниковых газов и предотвращения глобального потепления климата. В статье рассматривается фактическая ситуация с изменениями климата и их причинами — в историческом прошлом и в наше время, приводятся данные исследований и прогнозы советских и российских учёных, показывающие существенно более сложную картину факторов изменений климата, причинно-следственных связей и сценариев развития ситуации, не позволяющие делать однозначные выводы.

В настоящее время в общественнополитических кругах и среди широкой публики считается очевидной истиной и почти не подвергается сомнению факт резкого антропогенного потепления климата, грозящего человечеству глобальной катастрофой. Для её предотвращения необходимо, как считается, сокращение хозяйственной деятельности и потребления природных богатств — прежде всего углеводородных ресурсов, вызывающего рост эмиссии CO2 и других парниковых газов.

Проблема глобального потепления становится предметом широкого обсуждения на международном уровне, причиной создания и деятельности ряда международных организаций и программ. К ним относятся, например, Международная группа по изменениям климата (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), созданная при участии Программы ООН по окружающей среде (UN Environment Programme, UNEP).

В свою очередь, энергетика на ВИЭ рассматривается как средство сдерживания глобального потепления, поскольку при работе ветряных, солнечных, гидро- и геотермальных станций не происходит эмиссии парниковых газов, то есть замена ископаемых источников энергии возобновляемыми приведёт к устранению основного (как нередко считается) фактора потепления климата.

Если же беспристрастно посмотреть на имеющиеся научные факты, действительность, как обычно бывает, далека от крайностей, высказываемых и той, и другой стороной. Итак, нам необходимо разобрать следующие вопросы: действительно ли глобальное потепление климата происходит; если да, то обусловлено ли оно в первую очередь хозяйственной деятельностью человека и, прежде всего, выбросами парниковых газов.

Климат Земли в историческом прошлом и XX-XXI веках

Трудно найти естественно-научный вопрос, который был бы столь же политизированным, как вопрос глобального потепления второй половины XX века, продолжающегося в XXI-м. Есть горячие сторонники взгляда на глобальное потепление как дело рук человека и не менее жёсткие их оппоненты

В VIII-XIV веках климат был теплее современного примерно на 1 °C, это период известен как Малый климатический оптимум (обозначен как Medieval Warming на рис. 2). Именно в этот период наши предки двинулись с Днепра на северо-восток и освоили территории в междуречье Волги и Оки и верховьях Волги, а викинги высадились в Исландии, Гренландии и Северной Америке.

Далее потепление сменилось новым похолоданием с пиком примерно в XVII веке, получившим название Малого ледникового периода (Little Ice Age на рис. 2). Тогда средняя температура воздуха опускалась до уровня почти 2 °С ниже современной или примерно на 3 °С относительно предшествовавшего тёплого периода. В свою очередь, на Малый ледниковый период приходятся и мощные исторические катаклизмы. По Руси прокатилась Великая Смута, совпавшая по времени с резкими похолоданиями — в первые годы XVII века были случаи снижения температур ниже нуля и замерзания рек в июле-августе (!), соответственно, погибал и урожай.

Колонизация викингами Гренландии и Северной Америки прекратилась, и их поселения погибли, а в самой Европе разгорелись катастрофические религиозные войны, связанные с Реформацией.

Новое сильное потепление, продолжающееся и в наши дни, отсчитывается уже с XIX века (рис. 3). С конца XIX века по 1940 год температура выросла на 0,6 °С. В 1940-1960 годы последовало новое похолодание (на 0,2 °С). Заметим, что во время Великой Отечественной были суровые зимы, они хорошо запомнились. А уже с середины 1960-х годов фиксируется новое потепление, продолжающееся и в настоящее время. В целом, в течение ХХ и первого десятилетия XXI века глобальная температура воздуха выросла примерно на 1,3 °С, а с середины XX века до начала XXI — на 0,8 °С.

С одной стороны, сейчас мы находимся где-то между Малым ледниковым периодом и Малым климатическим оптимумом Средневековья, не достигнув пока температур тысячелетней давности. С другой стороны, нельзя не отметить, что с 1960-х годов рост глобальной температуры шёл весьма быстро.

Содержание СО2 в атмосфере Земли

В XX веке также быстро росли антропогенные выбросы парниковых газов, способствуя выводам о том, что в нынешнем потеплении виновна хозяйственная деятельность человека, в первую очередь энергетика и транспорт.

Действительно, содержание парниковых газов (из которых более 80 % приходится на СО₂, остальные — метан СН₄, двуокись азота NO₂, соединения фтора) в атмосфере Земли в последние века и десятилетия росло. Содержание СО₂ выросло с 280 ppm (пропромилле, или частей на миллион массы) или 0,028 %, в 1750 году до 400 ppm (0,04 %) в 2014 году [5], то есть на 43 %. В том числе мощный рост примерно с 315 ppm произошёл за последние 55 лет (рис. 4-5).

Что это значит в абсолютных величинах? Общая масса земной атмосферы составляет около 5 X 10 15 тонн. Величина в 0,028 % — это 1,4 трлн тонн; 0,04 % — уже 2,0 трлн тонн. Таким образом, в среднем с середины XVIII века в атмосфере ежегодно становилось на 2 млрд тонн СО2 больше, в том числе в последние 55 лет на 7,5 млрд тонн ежегодно.

При этом, по оценкам авторитетного гентства США по охране окружающей среды (US Environmental Protection Agency, EPA), с 1900 года до нашего времени ежегодная эмиссия СО₂ только от сжигания ископаемого топлива выросла с примерно 2 млрд до 30-35 млрд тонн (рис. 6). Это примерно соответствует темпам роста потребления энергоресурсов человечеством за этот период.

Природа успевает перерабатывать, как мы видим, большую часть выбрасываемого углекислого газа (прежде всего, в процессе фотосинтеза), но на полное решение этой задачи её сил уже не хватает, и концентрация углекислого газа в атмосфере растёт.

Факторы и прогнозы изменений климата

Казалось бы, картина ясна — есть корреляция между ростом энергопотребления, выбросов парниковых газов и глобальным потеплением климата, следовательно, потепление вызвано выбросами парниковых газов в результате хозяйственной деятельности человека.

Однако картина кажется однозначной, только если не принимать в расчёт, что в природе действуют не один-два, а намного больше факторов, а данная корреляция вовсе не означает причинно-следственную связь, тем более действующую именно в данном (а не каком-либо другом) направлении.

Голоса, призывавшие к более взвешенным и комплексным оценкам, исходили от советских и российских учёных, включая географов и палеогеографов, геологов, физиков, энергетиков с мировым именем, например, таких как А. А. Величко, В.М. Котляков, А .Л. Яншин, А.П. Капица, Х. И. Абдусаматов, К. С. Демирчян и др.

История Земли, включая и недавнее по естественно-историческим меркам прошлое (например, средневековый климатический оптимум), знала периоды теплее нынешнего, но при этом содержание углекислого газа в атмосфере было не выше, а ниже нынешнего, а антропогенное воздействие было заведомо на порядки меньше, чем в наше время

Отечественные специалисты предлагали, прежде всего, обратить внимание на общий тренд к похолоданию климата в голоцене (см. выше) — если смотреть в масштабе тысяч и, тем более, десятков тысяч лет, мы живём в состоянии перехода от межледниковья к очередному ледниковому периоду. Изменения климата, наблюдаемые нами в последние 100-200 лет, на этом фоне — обычные флюктуации, не выбивающиеся из общего долгосрочного тренда.

История Земли, включая и недавнее по естественно-историческим меркам прошлое (например, упоминавшийся выше Средневековый климатический оптимум), знала периоды теплее нынешнего, но при этом содержание углекислого газа в атмосфере было не выше, а ниже нынешнего, а антропогенное воздействие было заведомо на порядки меньше, чем в наше время.

В свою очередь, похолодание 19401960 годов проходило на фоне предшествовавшего и продолжающегося активного роста хозяйственной деятельности человека.

Сам факт потепления, наблюдающегося с XIX века, и некоторое его ускорение примерно с 1960-х до начала 2000-х годов, никто не отрицает — это объективные данные наблюдений. Точно так же возможна антропогенная и углеродная составляющая в потеплении.

Однако другие данные позволяют предположить и наличие других, более мощных факторов изменения климата, несколько иных зависимостей, и, более того, прогнозировать смену потепления похолоданием в ближайшие десятилетия.

Опираясь на данные исследований активности Солнца, результаты гидрометеорологических и океанологических наблюдений, Х. И. Абдусаматов делает вывод, что пик потепления уже пройден, и грядёт новое похолодание, связанное с очередным 200-летним циклом изменения солнечной постоянной [7].

Периоды потеплений действительно коррелируют с периодами роста солнечной активности, и наоборот (рис. 7), это общеизвестный научный факт. Минимум её совпадал в том числе и с Малым ледниковым периодом XIV-XVIII веков, а очередной максимум (пик которого уже пройден) приходится на наше время.

Кроме того, обнаруживается и корреляция между солнечной активностью и содержанием CO₂ в атмосфере. В 2009-2011 годах Абдусаматов называл условную дату начала нового похолодания — примерно 2013-2015 год. Проверить истинность или ложность прогноза в текущем режиме в подобных случаях практически невозможно — более понятной ситуация станет спустя ещё несколько лет.

Однако ослабление потепления начиная с 2000-х годов (рис. 3) уже фиксируется. Более того, детальные наблюдения позволяют обнаружить даже прекращение потепления в северных и низких широтах (рис. 8). При этом содержание CO₂ в атмосфере в этот период продолжало расти стабильными темпами (рис. 4-5), а антропогенная эмиссия даже несколько усилилась (рис. 6). Другие наблюдения также свидетельствуют о неоднозначности ситуации с изменениями климата.

Сейчас внимание обращают, прежде всего, на таяние арктических льдов. В свою очередь, академик В. М. Котляков, директор Института географии РАН, обращает внимание на параллельно идущий процесс нарастания ледникового покрова в восточном секторе Антарктиды [8], а также рост количества осадков в Евразии в последние годы, что также может рассматриваться в качестве предвестника нового похолодания.

По данным исследований активности Солнца и результатам гидрометеорологических и океанологических наблюдений Х. И. Абдусаматов делает вывод, что пик потепления уже пройден, и грядёт новое похолодание, связанное с очередным 200-летним циклом изменения солнечной постоянной

Демографический вывод работы в том, что пик роста населения Земли уже пройден (табл. 1), при этом пик абсолютного прироста населения пришёлся на 1980-2000 годы (то есть 874 млн человек за 10 лет), а относительный, в процентах, ещё в 1950-1960 годах (составивший в среднем 2,2 % за год).

Возвращаясь к углекислому газу и изменениям климата, по оценкам К. С. Демирчяна, к 2100 году средняя температура Земли за счёт антропогенного фактора может вырасти ещё на 0,35 °С при росте количества углекислого газа в атмосфере до 440-450 ppm.

Сходные прогнозы приводит член-корреспондент РАН В. В. Клименко [12], заведующий Научно-исследовательской лаборатории глобальных проблем энергетики МЭИ. По его оценкам, опасаться катастрофических выбросов парниковых газов не стоит — в ближайшие 20-30 лет вероятен их рост ещё на 20-25 % в год, затем последует стабилизация, а рост глобальной температуры к концу XXI века составит 1,3-1,6 °С относительно уровня середины ХХ века или примерно на 0,50,8 °С относительно современных значений. Разумеется, данные оценки основаны на продолжении текущих тенденций и идут вразрез с приведёнными выше прогнозами смены потепления похолоданием в ближайшие десятилетия.

Последствия изменений климата и ВИЭ

Прежде всего, не следует ожидать катастрофического подъёма уровня Мирового океана из-за таяния арктических и антарктических льдов, о чём также нередко говорят. Примерно 90 °% всех ледовых и снежных покровов Земли (общим объёмом 23 млн км 3 ) приходится на Антарктиду. Полное таяние антарктических льдов привело бы к подъёму уровня Мирового океана на 50-60 м, но вероятность такого события можно считать равной нулю, учитывая высокую стабильность антарктического ледника, и даже его некоторый рост (см. выше). Некоторый подъём уровня Мирового океана — на величины от нескольких до нескольких десятков сантиметров — возможен, и это действительно способно создать ряд проблем в прибрежных районах.

В целом же, нет ничего, имеющего однозначно положительный или однозначно отрицательный эффект. К положительным эффектам роста содержания углекислого газа можно отнести улучшение условий для растений, в том числе для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, поскольку CO₂ для них — источник питания, соединение, усваиваемое при фотосинтезе. Сам по себе CO₂ не относится к токсичным веществам, и наблюдаемый рост его концентрации не представляет прямой угрозы для здоровья человека.

Гипотетическое похолодание в будущем может означать повышение спроса на энергию и рост цен на энергоносители, что станет позитивным и для энергии на основе возобновляемых источников энергии

Заметим также, что чрезмерный акцент на потеплении и росте содержания CO₂ в атмосфере невольно отодвигает на второй план ряд насущных проблем экологического характера на местных уровнях — проблемы загрязнения воздуха, воды и грунта в городах и промышленных центрах, дефицита качественной воды и продовольствия в ряде регионов. Между тем, именно от этих проблем множество людей на Земле (в том числе и в России) страдает непосредственно в данный момент.

Позитивные следствия потепления климата также достаточно понятны — ряд территорий с суровыми природными условиями, благодаря их смягчению, становится доступнее для хозяйственного освоения. В частности, сокращение ледовых покровов в Арктике облегчает использование Северного морского пути в качестве транспортной артерии.

Негативные последствия потепления, помимо подъёма Мирового океана, тоже неизбежны. Некоторые территории, напротив, становятся слишком жаркими и сухими. Кроме того, любые изменения климата, особенно достаточно быстрые, способны привести к локальным или региональным явлениям катастрофического характера.

Любой экономист скажет вам, что общего и однозначного ответа на этот вопрос нет, и движение в любом направлении имеет целый ряд как позитивных, так и негативных сторон. В полной мере это относится и к потеплению либо похолоданию климата на Земле. То же самое можно сказать и о перспективах энергетики на возобновляемых источниках в данном контексте.

С одной стороны, если окажется, что прогнозы потепления климата не оправданы или связывание изменений климата с колебаниями количества CO₂ в атмосфере не обосновано, возобновляемая энергетика может потерять один из стимулов развития. С другой стороны, гипотетическое похолодание в будущем может означать повышение спроса на энергию и рост цен на энергоносители, что станет позитивным и для энергии на основе ВИЭ. Кроме того, возобновляемая энергетика тесно связана с региональными природными условиями, и любое их изменение окажет то или иное влияние на природный потенциал возобновляемых источников, что должно быть темой отдельного анализа.

Некоторые климатологи полагают, что климатические изменения – естественный планетарный процесс, бояться которого не нужно. Но, по мнению большинства ученых, потепление – причина таяния ледников и повышения уровня океанов, а также учащения летних засух, мощных ураганов, наводнений.

Причины изменения климата

Климат на планете формируется под влиянием Солнца. Солнечное излучение нагревает земную поверхность неравномерно (в экваториальной области сильнее), из-за этого образуются движущиеся в определенном направлении ветры и морские течения. При повышении солнечной активности отмечаются потепления и геомагнитные бури.

Естественными причинами климатических преобразований являются сдвиги планетарной орбиты, изменения геомагнитного поля, движения материковых и океанических плит, вулканические извержения. На протяжении всей истории планеты они влияли на климат, способствовали его циклическим колебаниям, называемым ледниковыми периодами и межледниковьями.

Но на данном этапе существования планеты к естественным причинам преобразований климата добавились антропогенные, то есть связанные с деятельностью человека. Основная причина – парниковый эффект. С начала 21 века его воздействие на планету в 8 раз превысило по интенсивности воздействие солнечной радиации.

Факторы изменения климата

Следует подробнее рассказать о факторах, провоцирующих глобальное изменение климата на Земле:

Парниковые газы накапливаются в атмосфере в результате воздействия разнообразных антропогенных факторов:

сгорания топлива;
использования аэрозолей;
выброса отходов тяжелой промышленности;
химической обработки сельскохозяйственных земель;
животноводческой деятельности;
вырубки лесов;
свалок мусора и захоронений отходов.

Если бы к естественным факторам не прибавились антропогенные, то изменение климата не носило бы такой выраженный характер.

Последствия глобальных изменений

Негативных последствий глобального потепления гораздо больше, чем положительных.
Из благоприятных моментов следует отметить:

увеличение урожайности сельскохозяйственных культур в условиях умеренного климата;
повышение продуктивности лесных биоценозов.

Отрицательные последствия изменения климата:

повышение влажности климата, усиление неравномерности выпадения осадков, приводящее к учащению засух и наводнений;
повышение уровня Мирового океана, затопление мелких островов и прибрежных низменностей;
угнетающее влияние на живую природу, слишком быстрое изменение среды обитания растительных и животных организмов (ученые предсказывают вымирание 30% не сумевших приспособиться видов);
таяние ледников, возрастание опасности лавин и селевых потоков;
снижение количества осадков и объема пресных водоемов, дефицит питьевой воды;
снижение урожайности в сельскохозяйственных районах вне умеренного климата;
негативное влияние на здоровье человека, повышение частоты сердечно-сосудистых, психических и некоторых других патологий;
снижение продуктового обеспечение населения.

Пути решения проблемы

Для снижения концентрации углекислого газа в атмосфере требуется восстановление лесных массивов.

К сожалению, пока идет обратный процесс – интенсивная рубка.

С реализацией вышеперечисленных мер нельзя затягивать. По прогнозам ученых, если климатические изменения будут продолжаться в том же темпе, то европейцев ждет тяжелое испытание: из-за таяния покровных ледников Арктики и Гренландии повысится уровень океана, течение Гольфстрим изменит направление, Европу накроет ледниковый период. Человечество во всех частях света вынуждено будет выживать в условиях засух и ураганов, эпидемических вспышек, острого дефицита пищи и питьевой воды.

Обнинск

-2 .1 °C -0 .6°

Интересное

Прогностические оценки изменений климата на два десятилетия

д.г.н. Б.Г. Шерстюков (зав. лабораторией исследования последствий изменения климата).

E-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Наблюдаемое глобальное потепление климата сопровождается неоднозначной реакцией изменений метеорологических величин в разных регионах Земли. Глобальное потепление сопровождается изменением общей циркуляции атмосферы, что приводит к перераспределению тепла и влаги на Земле и к изменению пространственно-временных особенностей регионального климата.
В связи с потеплением климата последнего столетия и их негативными последствиями выполнено и опубликовано много работ с оценками сценариев изменений климата в будущем. Существует два подхода построения прогностических моделей – физико-математический и статистический.
Физико-математические модели опираются на гипотезу об антропогенном потеплении климата и предполагаемом антропогенном увеличении концентрации парниковых газов в атмосфере на предстоящие столетия. По физико-математическим моделям оцениваются возможные предстоящие состояния климата через 50, 100 и более лет. Эти модели дают оценки температуры и других метеорологических характеристик будущего на каждый год и месяц по всему земному шару, но это лишь возможные сценарии тех многолетних тенденций метеорологических величин и пределов неопределенности их погодичных отклонений, которые могут сформироваться при дальнейшем накоплении парниковых газов, если гипотеза о главной роли таковых верна. По данным физико-математического моделирования можно оценивать только тренды и осредненные по некоторым пространственным и временным интервалам значения характеристик будущего климата. На интервале первых нескольких десятилетий величина неопределенности таких модельных значений больше величины прогнозируемых трендовых изменений.
Статистические модели опираются на статистические закономерности развития физических процессов в климатической системе, не прибегая к гипотезам о причинах глобального потепления. Статистические модели позволяют учесть некоторые общие закономерности межгодовых колебаний регионального климата и построить их экстраполяции на ближайшие два-три десятилетия точнее физико-математических моделей. Для более длительных сроков статистические модели пока не пригодны.
Для человека межгодовые колебания климата и отклонения температуры от линии тренда в ближайшие 10-20 лет более важны, чем сам тренд в эти годы. Поэтому во многих случаях наиболее актуальной является задача получения оценок межгодовых колебаний климата на одно-два ближайших десятилетия. На этом временном интервале явное преимущество статистических моделей.
Во ВНИИГМИ-МЦД создана статистическая модель для получения прогностических оценок колебаний температуры воздуха и количества атмосферных осадков на предстоящие два десятилетия. В модель заложены новые знания о ритмических свойствах климатической системы и отдельных ее элементов.

Вычисляются прогностические оценки изменений температуры воздуха и количества атмосферных осадков на ближайшие два десятилетия по заданным регионам.
По этим оценкам выполняются расчеты возможных последствий в хозяйственной деятельности при ожидаемых колебаниях климата на два десятилетия. Подробнее: Оценки текущих и ожидаемых последствий изменений климата для отраслей экономики (ссылка на раздел).

Рис.1. Среднегодовая температура воздуха северного полушария по данным наблюдений за 1990-2006 годы и авторский прогноз на период 2007-2025 годы (из публикации 2008 года).

Рис.2. Среднегодовая температура воздуха над континентами северного полушария Земли: прогноз, составленный автором в 2007 году на 2007-2025 годы (Тп) и фактические значения температуры воздуха по данным наблюдений на метеорологических станциях северного полушария по 2015 год (Тн)
Проверка показала, что авторская статистическая модель климата позволяет вычислять ожидаемые изменения температуры на два десятилетия вперед.
Более детальная проработка короткопериодных циклов позволяет составлять и сезонные прогнозы температуры воздуха с годовой заблаговременностью. Ведутся разработки по созданию статистической модели для прогноза температуры поверхности океана и для других характеристик климатической системы.

Историческая справка и теоретические предпосылки создания прогностической статистической модели климата

Шерстюков Б.Г. Сезонно-широтные особенности парникового эффекта на территории России.// Метеорология и гидрология. -2007. -№12, с.21-28.

Шерстюков Б.Г. Долгосрочный прогноз месячной и сезонной температуры воздуха с учетом периодической нестационарности. // Метеорология и гидрология. -2007. -№9. С.14-26.

Глобальное потепление

Учитывая полную площадь планеты, изменение угла наклона поверхности к солнечным лучам и то, что половина Земли находится в тени, реально получаемая в среднем за год энергия вне атмосферы уменьшается до 340 Ватт на квадратный метр (Вт ∙ м −2 ). Попадая на Землю, часть этой энергии отражается от облаков, от поверхности континентов и океанов, поглощается в самой атмосфере и переизлучается обратно. В итоге для приведения в действие тепловой машины климата во всех ее формах доступно только 250 Вт ∙ м −2 . Вот эта-то величина известна намного менее точно (±10%), чем солнечная постоянная. Для сравнения: вклад тепла из недр планеты мал и составляет лишь 0,03 Вт ∙ м −2 или около 0,01% от доступной энергии. Прямой вклад тепла, которое производит человек, примерно такого же порядка — около 0,04 Вт ∙ м −2 [3]. С практической точки зрения климат воспринимается человеком, да и основной частью биосферы, в виде среднего режима погоды у поверхности земли, где мы, собственно, и обитаем, и ведем свою деятельность. Хотя у погоды много важных характеристик (ветер, осадки и т. п.), о климате удобно в первом приближении судить по изменениям температуры воздуха. Это интуитивно понятная величина. Она легко измеряется, и ее непосредственные измерения известны для последних примерно 200 лет, а если брать косвенные данные, например соотношение изотопов кислорода во льду Антарктиды, то и для более миллиона лет.

Если бы Земля была лишена атмосферы, то равновесная температура теплового излучения серого тела на орбите Земли была бы −18°С. Газы в атмосфере частично непрозрачны для теплового излучения, поэтому, для того чтобы потоки приходящей и уходящей энергии были в среднем одинаковы, а иначе температура будет либо расти, либо падать, необходимо нагреть излучающую поверхность, то есть увеличить поток тепла на величину, которая будет переизлучена атмосферой обратно к Земле. При неподвижной атмосфере температура Земли выросла бы до +40°С. С перегревом помогает бороться атмосферная конвекция, которая выносит водяной пар выше основной массы атмосферы, где он выделяет тепло при конденсации и тем самым более эффективно излучает тепло в окружающее пространство. Конвективное приспособление охлаждает поверхность Земли до наблюдаемых +15°С [4]. Таким образом, климат планеты определяется не столько приходящей солнечной энергией, сколько тем, как устроена динамика атмосферы и океана. К сожалению, при изучении динамики простыми рассуждениями о физических эффектах и оценочными суждениями не обойтись. Любой, даже самый здравый эффект может быть нивелирован или, наоборот, усилен динамикой. Динамику климата Земли нужно моделировать!

Тем не менее некоторые рассуждения о климате могут быть полезны, исключая хорошо известные орбитальные факторы, которые на протяжении десятков тысяч лет медленно управляют циклами оледенений; в историческое время, т. е. последние пять тысяч лет современного межледниковья, температурные вариации определяются балансом доступного тепла от Солнца и обменом теплом с деятельным слоем океана. Вплоть до XX столетия такие температурные вариации для планеты в целом не превышали ±0,5°С [5].

Рис. 1. (МГЭИК 5-й доклад, рис. 6.3): (а) Изменение атмосферных концентраций CO₂ (все изотопы) для станций Мауна Лоа (MLO) и Южный Полюс (SPO) — северное и южное полушария соответственно; (b) кислорода для станций Алерт (ALT) и Кейп Грим (CGO); (c) отношение устойчивых изотопов 13 C/ 12 C характеризует рост относительной доли ископаемого углерода; (d) изменение концентраций метана CH₄ и (e) окислов азота N₂O

Таблица 1. Содержание углерода, способного к обмену с атмосферой в разных средах, гигатонны в пересчете на углерод

2015 год	Примерная разница с доиндустриальным уровнем
Атмосфера	860	+275
Океан	39000
Живые растения	450–650
Почва, мертвые растения	1500–2400
Вечная мерзлота	1700
Ископаемое топливо	≈ 1000–2000	−570
Нефть	175–265	−150
Газ	385–1 135
Уголь	445–540

Эта таблица приведена для общей ориентации: где сколько запасено углерода, способного к пополнению атмосферного СО₂. Содержание СО₂ в атмосфере и темп антропогенной эмиссии определяются прямыми измерениями * .

Даны только потенциально рентабельные запасы ископаемого топлива. Разброс цифр отражает неопределенность оценки.

Таблица 2. Обмен углеродом между атмосферой и другими средами, гигатонны в год

Темп
Атмосфера → океан	90 + 2,5
Океан → атмосфера	90
Атмосфера → растения	120 + 3,2
Почва + валежник + растения → атмосфера	120
Мантия (вулканы + спрединг) → атмосфера	0,1
Ископаемое топливо → атмосфера	9,5

Рис. 2 (МГЭИК 5-й доклад, рис. 10.1): аномалии температуры, полученные в расчетах исторических изменений климата с 1850 года без роста концентрации парниковых газов (верхняя панель) и с наблюдаемым ростом концентрации (нижняя панель). Справа даны соответствующие географические распределения температурных трендов. Результаты моделирования взяты из двух сравнительных экспериментов CMIP3 и CMIP5

Обратим внимание, что переход к более теплому климату, который соответствует современному содержанию СО₂ в атмосфере, растянут во времени. Температурная аномалия в 1,1°С, наблюдаемая в настоящее время, соответствует концентрациям СО₂ в середине XX века, а нынешние 408 частей на миллион частей воздуха проявятся полностью только во второй половине века XXI. Поэтому даже если немедленно прекратить выбросы, то изменения климата и рост температуры не остановятся еще долго.

Кроме СО₂, главными парниковыми газами являются водяной пар и метан в атмосфере. Содержание водяного пара быстро растет с температурой, что формирует положительную обратную связь с содержанием углекислого газа [11]. Водяной пар в 3–6 раз усиливает эффект СО₂ на рост температуры. Однако при всей своей мощи это лишь вторичный эффект, который сам по себе не приводит к долгосрочным нарушениям теплового баланса. Кроме того, перенос водяного пара в верхние слои атмосферы и его конденсация приводят к охлаждению планеты. Среднее время жизни молекулы водяного пара в атмосфере до ее выпадения на поверхность лишь четверо суток, так что водяной пар находится в динамическом равновесии с более долгоживущими нарушителями теплового баланса. То же можно сказать и о метане. Его время жизни в атмосфере около 30 лет, что также заметно меньше, чем временной масштаб изменений климата. Без СО₂ воздействие и того и другого газа быстро вернется к своему историческому равновесию.

Итак, термодинамику и перенос радиации в атмосфере, т. е. общий баланс тепла, мы понимаем достаточно хорошо; динамику, т. е. перераспределение тепла по планете, — не очень хорошо. Вопрос о роли конвекции и крупномасштабной динамики планетарных волн в атмосфере еще далеко не решен. И та и другая динамика пока не слишком хорошо воспроизводится моделями. Впрочем, модели работают достаточно хорошо, чтобы давать прогноз потепления для наблюдаемого изменения содержания СО₂ (рис. 3). И достаточно хорошо, чтобы воспроизводить некоторую задержку потепления в середине и самом конце XX века [12].

Рис. 3. Проверка предсказаний моделей из сравнительного эксперимента CMIP3, который был использован для подготовки 4-го доклада МГЭИК. Для моделей использованы данные наблюдений до 2000 года. Прогноз выдавался на 20-летний период (2000–2020). Отклонения температуры даны в градусах Фаренгейта. Подготовлено Гавином Шмидтом для [13]

В настоящий момент достигнуты концентрации СО₂, которые не наблюдались на протяжении последних трех миллионов лет. Полученная в результате множества модельных экспериментов и анализа огромного массива исторических и геологических данных зависимость между аномалиями температуры и содержанием углекислого газа позволяет предсказать, что температура вырастет к концу XXI века по меньшей мере еще на один градус. Данные показывают, что дискуссии о сокращении выбросов СО₂ несущественны (в исторической перспективе) (рис. 4). Если выбросы не сокращать, то будут получены совершенно определенные климатические изменения, может быть, только несколько раньше или позже. На временных масштабах развития государства и инфраструктуры различия в последствиях несущественны.

Рис. 4. (МГЭИК 5-й доклад, рис. SPM10): зависимость аномалий температуры от накопленных выбросов антропогенного СО₂. При любом сценарии масса выбросов почти однозначно переводится в изменение температуры

Рис. 5. Заметка из новозеландской газеты о климатических последствиях сжигания угля (1912)

К удивлению, наверное, многих, климатические знания всегда были и есть востребованы. Медленные изменения климата, температуры и осадков интересовали человечество с момента зарождения цивилизации. Да и сами цивилизации зародились по берегам великих рек, которые чувствительны к климатическим вариациям. Известны записи уровня воды в Ниле более чем 5-тысячелетней давности. Не утратили актуальности климатические сведения и сейчас. Без знаний температуры и ее изменений невозможно ни дом построить, ни планировать развитие регионов. Последствия выбросов углекислого газа для климата были ясны ученым еще 100 лет назад (рис. 5), хотя для перехода от качественных к количественным оценкам потребовалось развитие многих отраслей математики и физики, а также системы наблюдений. Нет нужды кого-либо убеждать, что наблюдаемые изменения климата уже приняты во внимание страховыми компаниями и банками. Борьба разворачивается за принятие климатических прогнозов. Столь критикуемое климатическими активистами нежелание политиков и капитанов бизнеса противодействовать изменениям климата на деле во многом мнимое: конкретный бизнес и политика почти не имеют столь далеких горизонтов планирования, ведь требуется заблаговременность решений в 30–50 лет и более.

Тут, кажется, проявляется классическая проблема теории игр: платить надо сейчас, чтобы снизить риски, которые станут заметны через десятилетия. Поэтому внимание климатологов сосредотачивается на определении рисков климатических изменений в тех географических областях и в тех физических процессах, где они могут быть достаточно точно определены при современном уровне знаний. Одна из таких областей — Арктика и прилегающие территории — непосредственно касается России. Арктика освобождается ото льда на один, два, может быть, и три месяца в году уже через два-три десятилетия, при этом место толстого многолетнего льда занимает тонкий однолетний лед. В этом прогнозе у климатологов разногласий нет. Что за этим последует, кроме улучшения условий судоходства, не совсем понятно. Есть работы, которые указывают на усиление атмосферных волн тепла и холода в средних (более заселенных) широтах вследствие открытия Арктики. Есть другие работы, где эти выводы ставятся под сомнения. Цена вопроса для России высока. Может быть, вместо абстрактных споров о климатах далекого прошлого, что само по себе ценно, заняться более активным изучением сценариев и физических процессов климатов будущего, даже если какие-то из этих сценариев и не будут реализованы?

Проблемы современных изменений климата на Земле в последние десятилетия все больше беспокоят мировое сообщество. Они исследуются учеными всего мира и анализируются международными организациями. Но разногласий по-прежнему много. В первой части статьи [18] мы разобрали основные доводы в пользу реальности потепления и привели часть доказательств того, что основной его причиной может являться углекислый газ, выбрасываемый в атмосферу при сжигании ископаемого топлива, а также рассмотрели некоторые альтернативные точки зрения. Здесь мы приведем результаты моделирования, указывающие на значительный вклад человечества в ход потепления.

Как показал статистический анализ публикаций в рецензируемых научных изданиях, около 97% климатологов мира считает, что на Земле сейчас действительно происходит слишком быстрое потепление. Из них большинство думает, что температура приземного воздуха растет в основном из-за выбросов углекислого газа при сжигании ископаемого топлива.

Но по-прежнему много разногласий по поводу вкладов в современное потепление со стороны естественных колебаний климата и антропогенных причин. Также сильно варьируют прогнозы на будущее и предложения по смягчению последствий. При этом проблемы, связанные с изменениями климата, зачастую либо недооцениваются, либо переоцениваются – от полного отрицания до предсказаний страшных катастроф, что зачастую имеет экономическую или политическую подоплеку.

В первой части статьи [18] мы рассмотрели вопросы роста температуры приземного воздуха, увеличения содержания углекислого газа в атмосфере и его источников. Здесь мы поговорим об антропогенном и природном вкладах в современное потепление, а также о возможностях прогнозирования дальнейших климатических изменений с помощью математического моделирования.

Факторы , влияющие на климат

Климатическая система Земли охватывает атмосферу, океан, сушу, криосферу и биосферу. К характеристикам, описывающим эту комплексную систему, относятся: температура воздуха и морской воды, динамика циркуляции атмосферы и Мирового океана, атмосферные осадки, скорость и направление ветров, частота и сила экстремальных метеорологических явлений, влажность воздуха, почв и других грунтов, состояние снежного и ледового покровов, уровень моря, границы природных зон и др.

Естественных факторов , в комплексе влияющих на климат , может быть множество :

циклические процессы в океане и изменения океанических течений ;
общая циркуляция атмосферы , содержание в ней парниковых газов , аэрозолей , озона ;
деятельность живых организмов , прежде всего растений ;
изменения ландшафтов и альбедо ( отражающей способности ) поверхности суши и океана ;
тектонические процессы ;
вулканическая активность ;
выбросы метана при сейсмической активности ;
водородная дегазация Земли ;
положение земного ядра ( которое сейчас предположительно смещается в сторону Северного полюса );
переполюсовка магнитного поля ;
наклон , прецессия и нутация земной оси , скорость вращения Земли , сезонные и суточные циклы ;
орбитальные циклы ( эксцентриситет эллиптической орбиты Земли и ее искажение под влиянием других планет ) и соответствующее расстояние между Землей и Солнцем ;
падение астероидов ;
солнечная активность ;
расстояние между Солнцем и барицентром Солнечной системы ( которое сейчас предположительно уменьшается );
галактические циклы , космические лучи и др .

А теперь , как оказалось , на климат влияют и разные виды хозяйственной деятельности человека .

Но что из всего этого является основной причиной слишком быстрого современного потепления ? Встречается множество научных публикаций , где берется какой - то отдельный фактор и приводятся доказательства того , что именно он и является сейчас основной причиной изменений климата . Поскольку факторов много , то и точек зрения , не совпадающих с наиболее общепринятой , встречается множество .

Главными трудностями в понимании причин климатических изменений являются :

невозможность достаточно надежного учета положительных и отрицательных обратных климатических связей ( облачно - радиационной обратной связи , выбросов в атмосферу большого количества метана и углекислого газа при таянии многолетней мерзлоты , изменений альбедо земной поверхности из - за таяния льдов или смены растительных сообществ , взаимодействий атмосферы и океана , соответствующей инерционности климатической системы и др .):
отсутствие достоверных количественных оценок соотношений между вкладами природных и антропогенных факторов ;
большая пространственная неоднородность современных изменений климата и его межгодовая изменчивость ;
неизученность глобальных осцилляций приземной температуры воздуха с периодом около 65 – 70 лет и т . д .

О вкладах в потепление со стороны антропогенного и природных факторов

Несомненно , естественные причины всегда вызывали , вызывают и будут вызывать изменения климата на Земле . Однако анализ климатических моделей с учетом различных групп независимых переменных показал , что на современном этапе увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере из - за сжигания ископаемого топлива оказывает на наблюдающееся потепление гораздо более серьезное влияние , чем другие факторы .

Оказалось , что лучше всего соответствуют результатам наблюдений те модели , которые учитывают как современные фазы естественной изменчивости климата , так и антропогенные выбросы углекислого газа ( рис . 2, а ). Если же использовать в качестве входных данных только естественные причины вместе или по отдельности , то современное потепление воспроизвести не удается ( рис . 2, б ; рис . 3).

Рис. 2. Сопоставление графиков изменений глобальной температуры, полученных по результатам наблюдений и путем расчетов с помощью климатических моделей: а – с учетом и природных, и антропогенных воздействий; б – с учетом только природных воздействий. Серыми вертикальными линиями отмечены моменты достаточно крупных извержений вулканов [6, 37]

Рис. 3. Сопоставление графиков изменений глобальной температуры по результатам наблюдений и моделирования (сверху), а также по результатам моделирования с учетом разных факторов по отдельности (снизу) [54]

Поэтому в научном мире наиболее распространено мнение о том , что в последние 100 с лишним лет с очень большой вероятностью происходит антропогенное усиление роста глобальной температуры , вызванное природыми причинами . Причем распространен вывод , что со второй половины XX века выбросы углекислого газа при сжигании ископаемых углеводородов вносят в потепление основной вклад . Сравнительно небольшой дополнительный вклад имеют и другие виды человеческой деятельности – землепользование , сведение лесов , загрязнение атмосферы другими химическими веществами и пр . ( отметим , что выбросы аэрозолей , особенно сульфатных , могут работать в другую сторону , то есть замедлять современное потепление ).

Если говорить об обратных связях , то повышение температуры приземного воздуха приводит к еще большему увеличению концентраций углекислого газа и метана за счет их выделения из нагревающихся океанов , грунтов и оттаивающей многолетней мерзлоты , что , в свою очередь , вносит свой вклад в последующее потепление .

Все это может принять слишком опасный для человечества и биосферы характер , если цивилизация действительно необратимо нарушила динамическое равновесие в климатической системе , отлаженное за время развития Земли , тем более что естественные процессы чаще всего бывают циклическими , а влияние человека является нарастающим .

Эта точка зрения не получила широкой поддержки , однако сопоставление точных графиков наблюдаемых изменений , например , в Арктике , показало , что активность Солнца все - таки оказывала значительное влияние на повышение температуры приземного воздуха с начала XX века до 1930 – 1940- х годов ( и в какой - то степени в 1980 – 1990- х годах ) ( рис . 4). Но с 1950- х ( и особенно с 1990- х ) годов серьезного роста солнечной активности не было и даже началось некоторое ее уменьшение ( рис . 5), но именно тогда глобальная температура стала подниматься особенно быстро , то есть антропогенный вклад скорее всего вышел на передний план .

Рис. 4. Графики, показывающие, что изменения температуры воздуха в Арктике до 1990-х годов и особенно до 1950-х годов значимо коррелировали и с солнечной активностью [57]

Прогнозные модели

Чтобы предсказать , как будет изменяться климат дальше , также разрабатывают модели , математически описывающие взаимодействия между атмосферой , океаном , земной поверхностью , ледниками , солнечным излучением , антропогенными выбросами и другими факторами . Надежность отражения климатической моделью усредненной тенденции климатических изменений на десятки и сотни лет вперед в какой - то степени подтверждается ее способностью правильно их воспроизводить в прошлом и в настоящем .

Какой - то одной идеальной модели на сегодня по - прежнему нет – их используется несколько десятков . И все они показывают , что в ближайшем будущем будет продолжаться увеличение температуры приземного воздуха , количества и неравномерности распределения осадков , испарения и погодных катаклизмов . И все - таки климатическая система Земли является настолько сложной , что всегда будут оставаться сомнения .

Однако первые прогнозы , сделанные на основе моделирования , уже можно проверить . Например , прогнозы моделей конца 1980- х годов , показывавшие значительное потепление к концу 1990- х и в начале 2000- х годов , подтвердились .

Климат и формирующие его факторы – чрезвычайно сложная и постоянно меняющаяся система , находящаяся в динамическом равновесии . Необходимо учитывать все множество сложных прямых и обратных связей , причем только в комплексе и с учетом пространственной и временной изменчивости . Имеющиеся же у ученых сведения пока противоречивы , неполны и в ряде случаев охватывают слишком короткие периоды наблюдений . Известны еще далеко не все причинно - следственные связи , влияющие на климат , поэтому пока нет возможности понять всю систему связаных с ним процессов в полной мере . А ведь небольшое изменение исходных данных , вводимых в модели , может привести к кардинальным изменениям в климатических прогнозах .

Но в любом случае прогнозы необходимы даже при отсутствии 100%- ной уверенности в них , чтобы подготовиться к возможным рискам , которые в целом возрастают при увеличении темпов и масштабов изменений климата .

Будет ли похолодание?

Часто можно встретить мнение о том , что потепление скоро закончится и наступит похолодание . Действительно , в будущем ожидаются изменения параметров орбиты , углов наклона и прецессии земной оси и т . д ., которые в прошлом приводили к ледниковым периодам , но связанное с этим похолодание скорее всего наступит не ранее чем через 2 – 3 тыс . лет ( может быть , даже через 10 или 100 тысяч лет ). Сегодня мы живем в период межледниковья , то есть в теплый период , который длится уже около 11,7 тыс . лет . Он , возможно , подходит к концу , но в геологических масштабах времени .

Так что прогнозы , предрекающие глобальное потепление и глобальное похолодание , не противоречат друг другу . Просто скорее всего первое ожидает нас в ближайшие десятки и сотни лет , а второе – через тысячи или десятки тысяч лет .

Поскольку до следующего ледникового периода еще очень далеко , решать проблемы похолодания придется нашим далеким потомкам . Но пока что наблюдается рост средней температуры на планете , а человеческая деятельность его усиливает и при этом , может быть , тормозит или будет тормозить приближение следующего похолодания . Поэтому нам и нашим ближайшим потомкам придется решать проблемы , связанные с потеплением . Однако трудно точно предсказать , насколько долго и резко оно будет продолжаться , как повлияет на нашу жизнь и что нам с этим делать . Но об этом мы поговорим в следующих частях статьи .

Читайте также: