Устойчивое развитие и проблемы изменения глобального климата Земли
Терез Э.И.
Таврический национальный университет им. В.И.Вернадского
Аннотация: в статье обсуждается изменение глобальной температуры Земли за последнюю тысячу лет. Показано, что крупномасштабные природные катастрофы, такие как извержение вулкана Кракатау и падение Тунгусского метеорита, сравнимые по масштабу с ядерной войной, не привели к заметному изменению климата. Антропогенное влияние на климат имеет ограниченный характер даже в масштабах отдельных регионов Земли, что продемонстрировано на примере колебаний уровня Каспийского моря. Обсуждается гипотеза, предполагающая, что начавшееся в ХХ веке потепление вызвано не антропогенным эффектом, а представляет собой начало нового климатического цикла, который в дальнейшем будет развиваться по своим естественным законам. Рассматриваются эффективность и целесообразность Киотского протокола в свете устойчивого развития мировой экономики.
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 [1]). 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? Для выяснения этих вопросов необходимо, прежде всего, выяснить каким способом и насколько надежно определяется глобальная температура Земли.
Методы измерения температуры Земли
Самые ранние измерения температуры были собраны и обобщены немецким метеорологом Генрихом Вильгельмом Дове. Эти данные представляют научный интерес, но имеют ограниченное значение, т.к. они не охватывают внутренние области Азии, Южной Америки и Австралии. Другой энтузиаст науки, капитан ВМС США Мэтью Маури, впервые в 1830-1840 г.г. начал измерение температур на море и предложил методику их стандартизации. С 1850 г. национальные службы стали согласованно собирать и сохранять данные наблюдений наземных температур. В 1853 г. в Брюсселе было подписано международное соглашение по проведению измерений, а также сбору и обмену наземными и морскими метеорологическими данными. Метеорологическая сеть стала быстро расти и через сто лет к концу 1950 г. стала всемирной, распространившись и на Антарктиду. Однако эти измерения выполнялись не всегда по одинаковым методиками, и их трудно, а иногда и невозможно было сопоставлять. Например, измерения температуры на метеостанциях существенно зависят насколько близко они расположены от большого города, от рельефа местности; морские измерения сильно зависят от высоты палубы корабля, методики измерений т т.д.
В 1980 –1990 г.г. группа американских и английских ученых под руководством Ф.Д. Джоунса и Т.М. Уигли провела фундаментальное исследование [2,3]. Они собрали и проанализировали все существующие архивные данные наблюдений температуры с 1850 г. по 1990 г. В результате получилась база данных, содержащая 1584 метеостанции в Северном полушарии (из 2666 первоначальных) и 293 в Южном (из 610). По данным этих станций были рассчитаны средние значения температур в регионах, полушариях и глобальные температуры (по годам) для всей Земли. Следует отметить, что средние значения температур по полушарию для суши и для моря даже в масштабах времени, равным одному году, сильно коррелируют друг с другом, а для более длинных периодов полностью совпали. Из проделанной работы следовало два вывода :1) глобальный климат существенно меняется от года к году, 2) с начала ХХ-го столетия до 1990 г. климат на Земле потеплел на 0,5 o C.
Какова точность полученных данных? Авторы данной работы считали, что средние температуры за 10-летние периоды определены с погрешностью не более 0,1 oC. Причем наиболее надежные данные по температурам приходятся на 1950-1979 гг., так называемый «эталонный период». Исследования Джоунса и Уигли многократно проверялись [4-11] В некоторых работах (например, [7]) даются более осторожные оценки, только 0,3o – 0,6 o C за последние 150 лет. Однако, согласно последнему отчету IPCC, 2001 [12], в котором тщательно проанализированы все данные, убедительно показано, что глобальная температура выросла за последние 100 лет на 0,6 oC, что подтверждает выводы Джоунса и Уигли. Небольшие количественные расхождения (0,1 oС) не имеют принципиального значения. Важно то, что последние 100 лет характеризуются глобальным потеплением.
С 1979 г. к измерениям температур, проводимым национальными метеослужбами, объединенными в Мировую службу погоды, подключились спутниковые измерения, проводящие регулярное сканирование температуры по всей поверхности земного шара, включая 70 % поверхности океанов. Наконец, в последние десятилетия были разработаны методы, позволяющие (по соотношению изотопов О16 и О18 в кернах льдов Антарктики и Гренландии, по анализу осадочных океанических пород, по осадочным отложениям рек и т. д.) восстановить данные по глобальной температуре на десятки тысяч лет в прошлом, используя для калибровки температуру «эталонного периода» 1950-1979 гг. На рис. 1 в качестве примера показан график реконструкции глобальной температуры за последнюю тысячу лет.
Рис.1. Реконструкция глобальной температуры северного полушария с 1000 г до настоящего времени [9-11]. Тонкие кривые обозначают реконструкцию и данные непосредственных измерений с 1000 по 2000 г.г. Жирная кривая – сглаженная кривая, пунктирная линия – линейный тренд с 1000 г. по 1850 г.
Из рис. 1 видно, что максимальные температуры были в начале тысячелетия (1000 -1300 гг.), так называемый Средневековый климатический оптимум. В это время, согласно историческим хроникам, Гренландия была свободной ото льдов и представляла собой, как отмечено в норвежских сагах, «зеленую землю». Но позже глобальная температура стала уменьшаться, и Гренландия покрылась материковыми ледниками. Самый холодный период в XV –XVII веках в Европейских летописях отмечен суровыми зимами. Известна картина голландского художника Ян ван Гойена «Конькобежцы» (1641 г.), на которой изображены массовые катания на коньках по голландским каналам, в настоящее время не замерзающим. В ХVIII произошло небольшое потепление с максимумом в районе 1770 г. Но в XIX веке снова продолжалось понижение глобальной температуры вплоть до 1900 г., после чего началось быстрое потепление глобального климата. Уже к 1940 г. в Гренландском море количество льдов сократилось вдвое, а в Баренцовом – почти на треть. В
В 1940 г. это потепление снова сменилось кратковременным похолоданием. Но с 1979 г. начался драматический рост глобальной температуры. Этот эффект зарегистрирован не только инструментально по данным Мировой службы погоды, но подтверждается самым очевидным образом по уменьшению толщины льдов Северного Ледовитого океана на 40% за последние 50 лет [13]. Быстро истощаются и огромные ледники в Антарктиде. Так, по данным А. Шеферд [14], исследователя Центра полярных наблюдений и моделирования в Колледже Лондонского университета, ледники PineIsland, Thwaites, Smith (Западно-Антарктический ледниковый пояс) потеряли более чем 40, 40 и 70 км3 льда, соответственно, за время между 1991 и 2001 г.г. Если скорость таяния ледников сохранится, то все эти три ледника исчезнут через 550, 1500 и 150 лет, соответственно.
Причины изменения глобального климата
На сегодняшний день достоверно установлено, что климат Земли никогда не был постоянным. Причем эти изменения в прошлом были весьма значительными и иногда происходили очень быстро. Поверхность Земли покрывалась ледниками, а затем эти ледники исчезали, и на значительной территории Земли устанавливался тропический климат. В прошлом Земли обнаружено несколько десятков таких ледниковых периодов. Повторялись они нерегулярно, промежутки между ними составляют от 40 тысяч до нескольких сотен тысяч лет. Последний ледниковый период начал отступать всего 20 тысяч лет назад. И сегодня еще 14 миллионов квадратных километров поверхности Земли занято ледниками, т.е. мы живем в так называемом малом ледниковом периоде. Следует отметить, что в эпоху больших оледенений масса льда, собиравшегося в ледниках на суше, была очень велика, его объем вдвое превышал объем современных ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии. Вся эта вода изымалась из мирового океана. Поэтому уровень его многократно опускался более чем на 100 м ниже современного. Это подтверждается независимыми геологическими данными. Сейчас уровень мирового океана меняется очень медленно. За период с 1890 по 1950 г.г. он возрос всего на 10 см, а с 1950 г. остается практически постоянным (колебание ± 3 см).
Каковы же возможные причины таких значительных изменений климата? Наиболее очевидные из них следующие:
1. Изменения интенсивности солнечной радиации, вызванные орбитальным движением Земли. По идее самый главный вклад в формирование климата должен вносить радиационный баланс Земли. Астрономическая теория циклических изменений климата была создана известным югославским астрономом Миланковичем [15] в двадцатых годах ХХ века. Основная причина, влияющая на долговременные колебания климата по теории Миланковича, – это изменение эксцентриситета орбиты Земли вокруг Солнца и прецессия оси вращения Земли. Его теория дала возможность вычислить времена ледниковых периодов прошлого. И геологические возрасты предыдущих оледенений, в общем, совпадают с расчетами Миланковича. Но поскольку эти климатические изменения могут происходить только в долговременной шкале, десятков тысяч и сотен тысяч лет, в данной статье они не рассматриваются.
2. Изменения в циркуляции мирового океана. В глубинах океана накопилась огромная отрицательная тепловая энергия. Отрицательная потому, что средняя температура океана 3,5o С, а земной поверхности 15 oС. Поэтому всякое усиление перемешивания глубинных вод океана с поверхностными приводит к похолоданию климата. Этот эффект может проявляться как в кратковременном масштабе десятков и сотен лет, так и на временном интервале сотен тысяч и миллионов лет. (Изменение в циркуляции океанов, вызванное континентальным смещением (дрейфом) материков согласно известной теории Вегенера [16]). Кроме того, в масштабах тысячелетий океаны контролируют химический состав атмосферы и, следовательно, радиационное равновесие всей климатической системы.
3. Кратковременные вариации (в шкале десятков и сотен лет) в солнечной энергетической освещенности, которые, как показано рядом авторов, коррелируют с вариациями солнечной активности. Этот фактор до последнего времени не достаточно учитывался при разработке климатических моделей.
4. Влияние человеческой деятельности или антропогенный фактор.
5. Наконец, целый ряд исследований, выполненных в последние годы, позволяет предположить, что могут существовать некоторые, пока еще неясные циклические процессы в системе космос (взаимодействие Солнца и планет) – гидросфера – атмосфера.
Все эти вопросы были всесторонне проанализированы в монографии Кондратьева [17]. Однако за последние десять лет получен целый ряд принципиально новых результатов. В связи с этим, необходимо снова вернуться к рассмотрению проблемы динамики глобального климата. Главная проблема, которая в настоящее время вызывает наибольший интерес и тревогу у мировой общественности, – это антропогенное влияние на климат. Насколько оно значительно в сравнении с природными явлениями и в чем проявляется? Что делать, чтобы сохранить устойчивое развитие мировой экономики в условиях изменяющегося климата?
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 [18]. 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 [19]. Открытая Вернадским роль биоты как геологической силы была обобщена Перельманом [20] 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.2. Изменение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли за последние 100 миллионов лет [21].
На рис.2 показано изменение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли за последние 100 миллионов лет по данным геохимических расчетов [21]. 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.3. Концентрация основных парниковых газов. (Кривые: а – СО2 , б – СН4, в – N2O).2 – измерения атмосферы, сделанные в последние годы [26 - 29], 1 – данные, определенные по пузырькам воздуха в образцах льда, добытых в Антарктиде [30 –32].
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, как видно из рис.1, 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 [22] 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 [23-25]. Температура особенно быстро возрастала в два последние десятилетия. Однако, количество СО2 увеличивалось монотонно, а концентрация метана вообще стабилизировалась [25] (см. рис. 3). В работах [33, 34] 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 [35], общее содержание озона, как и предсказывалось, начало возрастать. (См. рис.4). И к 2040 – 2050 г.г. глобальный озон снова достигнет своего максимума, а озоновая «дыра» над Антарктидой, соответственно, сократится до минимума.
Рис.4. Наблюдаемый тренд глобального озона в Добсоновских единицах. (1 DU = 1· 10 -3 атм-см). 1 – данные наземных измерений [34], 2 – измерения Nimbus 7 TOMS, 3 – MeteorTOMS, 4 – EarthProbeTOMS.
Антропогенный эффект и природные катастрофы
Рассмотрим предельный случай самого мощного антропогенного воздействия на климат, которое бы произошло в случае тотального ядерного конфликта. За годы холодной войны в мире было накоплено 50 000 единиц ядерного оружия, мощность которых оценивается в 1,3 ×104 Мгт тротила. При этом с 1945 по 1980 гг. было проведено 541 атмосферных взрывов с общим эквивалентом 440 Мгт [36]. Обсуждение возможных последствий ядерной войны были предметом широкой дискуссии в СССР и США в 70-е – 80-е годы. Были рассчитаны модели, согласно которым в случае ядерного конфликта гигантские облака аэрозолей (сажа, пыль и др.) на многие месяцы должны закрыть обширные районы Земли от Солнца. Произойдет резкое снижение температуры. Согласно расчетам при взрыве ядерных зарядов суммарной мощностью 104 Мгт так называемая «ядерная зима » в средних широтах северного полушария будет длиться полтора месяца. Причем температура у поверхности Земли снизится до – 15 о С ¸ – 25 о С [37] и даже, согласно [38] до – 23 о ¸ -53 о С. Однако есть серьезное основание сомневаться в правильности этих модельных расчетов. Дело в том, что в прошлом Земли уже были неоднократно естественные катастрофы, по масштабам сопоставимые с ядерной войной. Только за последние сто с небольшим лет таких катастроф было три: взрыв вулкана Кракатау (август 1883 г.), падение Тунгусского метеорита (июнь 1908) и взрыв вулкана Катмай на Аляске (июнь 1912 г.). Энергия, выделившаяся при взрыве Тунгусского метеорита, оценивается в 1016 – 1017 джоулей, что соответствует 10 – 100 Мгт тротила. Однако после падения Тунгусского метеорита никаких заметных аномалий в климате северного полушария Земли не было зарегистрировано. Взрыв вулкана Кракатау характеризовался гигантским выбросом в атмосферу вулканической породы, пепла и др. продуктов (» 19 км 3 ). Это соответствует энергии взрыва порядка 10 3 – 104 Мгт. Пыль, попавшая в высокие слои атмосферы (до 80 км), распространилась по всему земному шару, вызывая необычные оптические эффекты. Однако ни после взрыва Кракатау, ни после сравнимого по силе взрыва вулкана Катмай существенных отклонений в глобальной температуре Земли также отмечено не было. Несоответствие между теоретическими моделями и реальными последствиямикрупных природных катастроф заставили теоретиков быть более осторожными в прогнозах. Так, в более поздней работе [39] было получено, что взрыв мощностью 10 5 – 10 6 Мгт (что, в принципе, невозможно сделать искусственным способом) вызовет понижение глобальной температуры Земли только на несколько градусов.
Антропогенное влияние на локальный климат
Естественно, что локальное влияние на климат антропогенной и техногенной деятельности человека (создание искусственных водохранилищ, плотин на реках, вырубка лесов и др.) может быть существенно большим. Однако и здесь не стоит переоценивать человеческие возможности по сравнению с природными факторами, такими, как извержение вулканов, землетрясения, колебания уровня воды морей и внутренних водоемов (озер) и т.д. Это хорошо видно на примере Каспийского моря.
Каспийское море – самый большой в мире замкнутый водоем (озеро). Площадь его в настоящее время 371 тыс. кв. км. В 50-х – 60-х годах на реках, впадающих в Каспийское море, были построены крупные гидроэлектростанции и образовались огромные водохранилища, вода которых использовалась для полива сельскохозяйственных земель. Чтобы представить масштаб этих работ следует отметить, что ежегодно Каспийское море стало «недополучать» до 40 куб. км. воды, что превышало 10% приходной статьи его водного баланса (360 куб. км.). Уровень Каспийского моря медленно (4 см в год) понижался уже с 1809 г. Поэтому крупные техногенные мероприятия по ирригации сельскохозяйственных земель, осуществленные в 1950 – 60-тых годах, значительно ухудшили водный баланс моря, что привело, по мнению специалистов-гидрологов, к систематическому понижению уровня Каспийского моря примерно на 11,4 см в год. Были разработаны грандиозные планы по «спасению» Каспийского моря, предусматривающие переброску северных рек на юг. В качестве первого этапа было решено отделить от Каспийского моря мелководный залив Кара-Богаз-Гол, чтобы уменьшить площадь испарения. Плотина была построена в 1980 г. Но еще до окончания ее постройки было отмечено, что уровень воды в Каспийском море стал повышаться. В 1983 г. залив Кара-Богаз-Гол практически высох (глубина 0,5 м.), и было решено снова соединить залив с Каспийским морем. Но и после этого уровень Каспийского моря продолжал повышаться. Что же произошло? В течение последних двух десятилетий этот вопрос обсуждался во многих статьях и конференциях. На международных симпозиумах “Caspy, 1995” [40, 41] были представлены разные модели и, соответственно, разные сроки стабилизации уровня Каспийского моря. Так, Б.Н. Голубев и соавторы на основании развиваемых ими тектонических представлений достаточно смело прогнозировали продолжение подъема уровня моря на ближайшие несколько сотен лет до отметки 24 м. Более осторожен Г.И. Рычагов, который, исходя из геоморфологических данных, ранее предполагал стабилизацию уровня в 1993 – 1994 гг., затем к концу ХХ века, потом – к 2005 г., а потом к 2015 г. до отметки 25 м. По тектоно-динамическим представлениям Г.Г. Бунина этой отметки Каспий достигнет лишь к середине ХХI века. Но случилось иное. Уровень Каспийского моря, достигнув в 1995 г. отметки 26,6 м ниже уровня океана, неожиданно с 1996 г. стал понижаться [42].
Сегодня очевидно, что сменилась фаза естественного цикла, и повышение уровня Каспийского моря сменилось его понижением. Известно, что в прошлом такие колебания уровня моря случались неоднократно. Только за последние 25 тысяч лет отмечено 15 фаз высокого и низкого стояния уровня Каспийского моря, которые каждый раз приводили к существенному изменению климата большого региона. В принципе, не имеет значения, какая гипотеза, объясняющая колебания уровня Каспийского моря, окажется верной. Существенно то, что все теории базируются на естественных циклических процессах, будь-то тектоно-динамические процессы или изменение стока Волги и других рек, вызванные изменениями в циркуляции атмосферы, или даже такая экзотическая гипотеза, как приливо-отливные движения в атмосфере, вызванные циклическими изменениями гравитационного взаимодействия Земли с планетами. Важно отметить, что все эти процессы значительно превосходят по масштабам техногенное влияние человека.
Температура внутренних подповерхностных слоев Земли
Как только в 19 веке появились первые глубокие шахты, то было обнаружено, что температура в недрах Земли выше, чем у поверхности. Она возрастает примерно на 30 градусов с каждым километром вглубь земной коры. По данным глубокого бурения температура на глубине более 7 км всегда превышает 200 о С на любой широте. В принципе, зная теплопроводность земных пород можно оценить тепловой поток из недр Земли наружу. Расчеты показывают, что этот поток около 3 × 1013 вт. Т.е. тепловой поток из недр Земли почти на четыре порядка меньше, чем световая мощность, приходящая от Солнца (1,75 × 10 17 вт). Поэтому на глобальный климат внутреннее тепло Земли практически не влияет. Однако это не пренебрежимо малая величина, и при подсчете общего термодинамического баланса в системе Земля – Солнце внутреннее тепло Земли должно учитываться. В далеком геологическом прошлом внутреннее тепло Земли, по-видимому, могло играть более существенную роль. Есть даже гипотезы (правда, не имеющие сколько-нибудь убедительных доказательств), что библейский потоп имел место 10 – 12 тыс. лет назад, когда в силу суперактивности земных недр из глубин Земли вырвался большой поток тепла, вызвавший значительное, но кратковременное поднятие уровня океана.
В настоящее время внутренняя энергия Земли не оказывает какого-либо заметного влияния ни на температуру океанских глубин, ни на температуру подповерхностных слоев почвы. Средняя температура океанских вод на глубинах, больших 1,5 км, составляет 3,5 о С и почти не зависит от широты. Точно так же температура подповерхностных слоев почвы всегда низка (эффект погреба). Дело в том, что летом солнечные лучи прогревают только самый верхний слой поверхности Земли – около 100 метров воды и 1 – 2 метра почвы. Теплопроводность воды очень мала. Перенос тепловых потоков может происходить только за счет конвекции. Но плотность теплой поверхностной воды меньше, чем плотность непрогретой воды снизу, их перемешивание летом происходит очень медленно и только в самом верхнем слое почвы. Зато зимой охлажденная поверхностная вода тяжелее подстилающей ее воды, и она опускается вниз, т.е. тепловой поток направлен вверх. В результате конвекция пресных вод прекращается, когда температура воды в нижних слоях становится +4 о С : при этой температуре пресная вода имеет максимальную плотность. По этой причине примерно такова температура глубоких озер и температура подземелий. Вода океанов с соленостью 3,5% не имеет температурного максимума плотности. Она чем холоднее, тем тяжелее, вплоть до – 2 о С, когда в ней появляются кристаллики льда. В силу целого ряда причин, связанных с глубинными термохалионными течениями большого масштаба, равновесная температура в океанских глубинах устанавливается на уровне +3,5 о С. В северных районах, где зимой Земля промерзает на значительную глубину, даже в условиях сравнительно жаркого, но короткого лета оттаивает только поверхностный слой почвы. Глубже – слой земли с температурой, которая остается ниже нуля круглый год. Это – вечная мерзлота. Глубина ее различна в разных регионах, но обычно не более нескольких сотен метров, когда уже становится ощутимым подогрев за счет внутреннего тепла Земли (хотя есть участки с толщиной вечной мерзлоты до 1 км и даже больше). Зоны вечной мерзлоты занимают около 24% территорий в северном полушарии [43], см. рис. 5. (в России более 10 млн. км 2 , т.е. почти 59% территории [44])
Рис.5. Зоны вечной мерзлоты в северном полушарии Земли. 1 – непрерывная мерзлота, 2 – прерывная мерзлота, 3 – спорадическая мерзлота. Кружками отмечены места расположения измерительных геофизических станций. (Поданным Geological Survey of Canada, March, 2001).
Вечная мерзлота характеризуется диапазоном температур от очень холодной (ниже -10 о С) до теплой (-1, -2 о С) Вечная мерзлота также классифицируется по трем зонам: непрерывная мерзлота, прерывная мерзлота, исчезающая в отдельные теплые годы, и спорадическая мерзлота, возникающая только в холодные годы. Режим температуры в зоне вечной мерзлоты (на глубине от 10 до 200 м) является очень чувствительным индикатором переменности климата, начиная с десятилетних и заканчивая столетними вариациями, а такжеизменений в энергетическом балансе на поверхности Земли. Это происходит потому, что диапазон межгодовых температурных вариаций («шум») значительным образом снижается с возрастанием глубины, тогда как десятилетние и еще более длительные вариации («сигнал») проникают в самые глубокие части вечной мерзлоты со значительно меньшим ослаблением. В результате этого, соотношение «сигнал-шум» быстро возрастает с увеличением глубины. Это позволило разработать новые, очень эффективные методы оценки изменения климата, которые основываются на аналитической интерпретации температурных профилей вечной мерзлоты. Первые геофизические станции в районах вечной мерзлоты появились еще в начале 20 века. Но только совсем недавно, в конце 90-х годов возникли глобальные международные программы. В 1997 г. система наблюдений за глобальным климатом (GCOS) и глобальная земная наблюдательная система (GTOS) предложили для регистрации в районах вечной мерзлоты два параметра: активный слой (толщина) и температуру.
В 1999 г. была создана глобальная земная сеть для вечной мерзлоты (GTN-P) с участием GCOS/GTOS и при поддержке Международной ассоциации вечной мерзлоты (IPA) [45]. В рамках этих программ около 370 буровых установок из 16 cтран были рассмотрены в качестве кандидатов на проведение исследований в системе термального мониторинга. Большинство буровых установок имеют глубину от 10 до 125 метров и находятся в Северном полушарии. Общая координация и выполнение мониторинга возложено на Геологическую службу Канады (GSC). На рис. 5 показано размещение измерительных станций в северном полушарии Земли. Согласно их данным в Северной Аляске произошло общее потепление на 2 о – 4 о С за последнее столетие. Недавние исследования зарегистрировали уменьшение вечной мерзлоты также в Канаде, России, Монголии и Китае [46]. Третий отчет IPCC [12](Изменение климата 2001: воздействие, адаптация и уязвимость) отмечает, что уменьшение вечной мерзлоты – достаточно медленный процесс. Для полного ее исчезновения понадобятся столетия, а может и тысячелетия. И тем не менее отрицательные последствия этого уменьшения проявляются уже сегодня. Необходим постоянный мониторинг изменений температуры вечной мерзлоты. Эти данные будут использоваться не только для отслеживания изменений глобального климата, но также необходимы для предсказания возможных отрицательных последствий в плане воздействия на экосистемы и инфраструктуры в районах вечной мерзлоты.
Глобальное потепление и климатические модели
Попытки моделировать климат предпринимались уже давно. Первыми, кто поняли необходимость привлечения математики для моделирования климата, были два крупных математика: советский А.А.Фридман и англичанин Люис Ф. Ричардсон. В 1922 г. вышла книга Ричардсона «Предсказание погоды с помощью числового процесса». По проекту Ричардсона в каждом регионе Земли (всего 64 тысячи регионов) ответственный вычислитель рассчитывает метеорологический прогноз. Все расчеты координируются главным вычислителем. Когда получаются окончательные данные, четыре старших клерка на центральной кафедре собирают их и передают по пневматической почте в специальную комнату. Там данные кодируются и передаются по телефону на радиовещательную станцию. Ричардсон не мог предвидеть огромного объема вычислительной работы, выполнить которую 64 тысячи вычислителей, вооруженных счетами и логарифмическими линейками, не смогли бы и за 1000 лет для однодневного прогноза. Но принцип Ричардсона сохранился. Например, для кратковременного прогнозирования погоды сегодня в Лос-Аламосской лаборатории вся околоземная атмосфера разбивается на 500 тысяч тетраэдров (площадь, покрываемая одной пирамидой, составляет около 70 кв. км.). Метеорологические характеристики в каждом тетраэдре вычисляет компьютер, а затем суперкомпьютер обрабатывает данные и сводит их в единую картину.
Создавать модели глобального климата и динамики его изменения на многие годы вперед стало возможным лишь лет 20 назад, когда появились первые суперкомпьютеры, способные хранить и обрабатывать гигантские объемы информации. На сегодняшний день существуют около 20 климатических моделей. Все они пока не могут точно описать не только будущие климатические изменения, но и целый ряд процессов, происходящих в атмосфере сегодня. Дело в том, что математические модели основываются на некоторых начальных условиях и физических гипотезах. И если они не точны, то и конечные результаты расчетов будут неверны. «Компьютерная мощность – вещь необходимая, но … проблемы заключаются в понимании сути процессов», – сказал Л. Бенгтсон из института Макса Планка (институт метеорологии) во время дебатов в Вашингтоне 21 августа 2000 г. в Госкомиссии Конгресса США по климату [47]. Так, все модели предсказывают быстрый рост температуры на поверхности Земли и еще более быстрый в верхней тропосфере. Однако это не согласуется с данными спутникового микроволнового зондирования [48] и наблюдений с помощью радиозондов [49, 50], согласно которым температура в верхней тропосфере остается постоянной и даже немного уменьшается. Попытка объяснить это несоответствие между поверхностной и тропосферной температурой влиянием истощения озонового слоя, несколько улучшает ситуацию, но не может полностью объяснить всю проблему [51]. К тому же, как показано на рис.4, цикл уменьшения общего озона с 1995 г. сменился его возрастанием. Согласно некоторым моделям облака добавляют нагрев, в других, наоборот, облака дают охлаждающий эффект. Ситуация еще более драматична с водяным паром, который является основным парниковым газом. В современных моделях водяной пар имеет положительную обратную связь, усиливая нагрев, вызванный углекислым газом. Повышение нагрева земной поверхности должно привести к повышенному испарению и, таким образом, к возрастанию концентрации водяного пара. Но именно концентрация водяного пара в верхней тропосфере определяет будет обратная связь положительной или отрицательной [52, 53]. Есть разные мнения на этот счет. Еще одна проблема моделирования заключается в том, что очень сложно оценить атмосферный аэрозоль. В настоящее время очень мало надежных данных по оптической толщине атмосферного аэрозоля. Спутниковые измерения дают очень приближенные данные, а наземных атмосферных станций мало и они используют разнотипные приборы и методики измерений. Только с 1993 г. начала создаваться единая мировая сеть атмосферных станций AERONET, позволяющая получать данные об атмосферном аэрозоле по унифицированной методике. Но опять же эти станции размещаются крайне неравномерно по поверхности земного шара, в основном, на территории США и Западной Европы. Так, на громадной территории бывшего Советского Союза пока установлены только 4 станций: в Москве, Тарту (Эстония), Кишиневе (Молдавия) и Минске (Беларусь).
Наконец, до последнего времени недостаточно учитывалось изменение величины солнечной радиации. С 1979 г., когда начались точные спутниковые измерения, стало понятно, что солнечная постоянная меняется внутри 11-летних циклов на несколько десятых процента. Это небольшая величина, которая не может вызвать заметных изменений в глобальной температуре. Но у Солнца есть еще целый ряд долговременных циклов. В каких пределах меняется интенсивность его излучения внутри этих циклов? В известной работе Джона Эдди [54] были увязаны в единую схему все данные по солнечной активности и переменности климата. Д. Эдди утверждал, что средневековой климатический оптимум в 11- 12 столетии и похолодание в 15-17 столетиях совпало с периодами минимума и максимума солнечной активности. Фри-Кристенсен и Лассен [55 , 56] , оценивая 11-летние периоды солнечной активности не по интенсивности, а по длине циклов, получили удивительное соответствие между глобальными температурами и солнечной активностью. В настоящее время установлено, что переменность солнечного излучения внутри 11-летних циклов в УФ – области спектра достигает десятков процентов. По последним данным вариации в озоновом слое и в эмиссии солнечных частиц (солнечный ветер), вызванные УФ-излучением, могут косвенно влиять на круговорот в атмосфере и на облачность, что, в свою очередь, может привести к значительным климатическим изменениям [57]. Казалось бы, что теперь найдена причина изменения климата, не связанная с антропогенным эффектом. Однако, в работе [58] показано, что океаны вследствие большой тепловой инерции могут достаточно долго поддерживать глобальную температуру на одном уровне. Даже, если полностью прекратится парниковый эффект, океаны вследствие инерции поднимут температуру Земли еще на 1o С до полного равновесия системы. По-видимому, именно по этой причине глобальная температура не реагирует cущественно на вулканические извержения, хотя последние вызывают заметное увеличение оптической толщины атмосферы в течение года и более после извержения [59,60]. В работе [61] проанализированы имеющиеся несоответствия между длиной солнечных циклов и глобальной температурой. Отмечено, что имеются доказательства, что компонент переменной солнечной активности связан, прежде всего, с 80-90 летним циклом Глайсберга [62], а не с длительностью 11-летних циклов. Цикл Глайсберга является первичным, а длительность 11-летних солнечных циклов модулируются циклами Глайсберга [63]. Но кроме 11-летних и циклов Глайсберга имеется еще целый ряд солнечных циклов [64], и влияние их на глобальный климат пока неясно. Можно лишь утверждать, что в двадцатом веке цикл Глайсберга соответствует (или отвечает) за 25 % глобального потепления до 1980 г. и 15 % до 1997 г. [61], а не за все 100% как это представлено в работах [55, 56].
Выше отмечалось, что согласно астрономической теории Миланковича долговременные периодические колебания климата вызваны изменением эксцентриситета орбиты Земли вокруг Солнца и прецессией оси вращения Земли. Весьма вероятно, что неравномерность орбитального движения Земли оказывает влияние на климат и в кратковременном масштабе. Существует интенсивное действие на Землю со стороны планет, которое не сводится к гравитационному и которое в первую очередь влияет на атмосферу Земли и вызывает вариации климата планеты. Это действие – модуляция потока солнечной энергии вследствие вариаций положения Земли на орбите вокруг Солнца [65].
Отсутствие надежного учета целого ряда явлений приводит к тому, что в настоящее время разброс в модельных расчетах разных групп ученых очень велик. Сейчас заканчивается разработка второй генеральной климатической модели (Community Climate System Model – CCSM 2,0 [66]). (Первая CCSM-1,0 была опубликована в 1996 г.). ССSМ 2,0 – модель следующего поколения, которая должна по идее существенно улучшить понимание климатических процессов, включая влияние антропогенного эффекта, естественную изменчивость климата, эффекты естественных и искусственных аэрозолей и химических примесей, соответствия между биофизическими и биохимическими процессами на поверхности Земли.
Социально-политические аспекты климатических изменений
Понятна тревога как ученых, так и мировой общественности в связи с ростом потепления в ХХ веке и особенно в последние две декады ХХ-го века. Исследование климата стало приоритетным направлением, создаются многочисленные комитеты, растут выделяемые фонды. Так, в 1986 г. была создана Госкомиссия конгресса США по климату (US National Research Council, NRC), в 1988 г. под эгидой WMO и United Nations Envirоnment Programme (UNEP) при ООН cоздается межправительственный комитет по климатическим изменениям (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC). Научные отчеты IPCC (IPCC, 1990, 1996, 2001) – наиболее фундаментальные и широко цитируемые документыб в которых суммированы все основные данные об изменении климата, а также социальные последствия этих изменений. Так, последний выпуск IPCC, 2001 [12] включает отчеты трех рабочих групп. В отчете первой рабочей группы приведены ряд серьезных доказательств, что потепление, наблюдаемое в последние 50 лет, является результатом антропогенной деятельности. Предполагается, что глобальная температура в ХХI веке возрастет на 1,4o – 5,8o С, что выше, чем предполагалось ранее (1,0o – 3,5o С). Отчет рабочей группы II «Изменение климата 2001: «Влияние, адаптация и уязвимость» обращает внимание на то, что заметные изменения климата уже начали оказывать влияние на многие физические и биологические системы на Земле и могут иметь значительные последствия. Отчет рабочей группы III посвящен предполагаемой реакции на климатические изменения. Следует особо отметить, что отчеты IPCC – очень тщательно подготовленные документы, к составлению которых привлекаются ученые многих стран. Так, например, отчет рабочей группы II (IPCC,2001) был подготовлен 426 авторами из США и Западной Европы, рецензирован 440 правительственными экспертами, а затем принят более чем 160 делегатами из 100 стран, собравшихся в середине февраля 2001 г. в Женеве.
В последние два десятилетия заключен целый ряд региональных и международных соглашений по защите от возможных последствий антропогенного воздействия на земную атмосферу. Основной из них Киотский протокол, составленный представителями 150 стран в 1997 г. [67]. Согласно этому протоколу 38 промышленных стран должны уменьшить эмиссию парниковых газов в целом на 5,2 % к 2012 г. по сравнению с уровнем в 1990 г. Чтобы стать общепризнанным юридическим документом, он должен быть ратифицирован всеми правительствами, после чего последует ратификация этого документа в ООН. Это предусматривалось сделать в начале 2002 г. Однако прохождение этого документа сразу же встретило большие трудности. Прежде всего США, ведущая промышленная держава мира, у которой 37% эмиссии парниковых газов, отказалась ратифицировать Киотский протокол. Президент Дж. Буш заявил, что этот протокол неэффективный и несправедливый по отношению к США. Не ратифицировали договор Россия, Канада, Австралия и Китай. Но идет интенсивная подготовка. В сентябре 2000 г. в Лионе (Франция) встретились 2000 экспертов. Разрабатывались технические вопросы в связи с политикой и экономикой. Решено, что развивающиеся страны должны получить кредиты на новые технологии порядка 10-17 млрд. долларов. Но возникли споры. Так, Госдепартамент США заявил, что новые леса в США и Канаде поглощают половину от нормы сокращения выбросов СО2, и потому для США процент сокращения СО2 должен быть пересмотрен. Россия, в принципе, не возражает против ратификации протокола, но не имеет никаких конкретных проектов по сокращению выбросов парниковых газов. (Необходимо отметить, что для таких северных стран, как Россия и Канада, потепление климата, равно как и увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, создают благоприятный эффект для сельского хозяйства. Поэтому понятна позиция этих стран не спешить с ратификацией Киотского протокола.) Окончательное решение ряда вопросов было перенесено на совещание министров и экспертов в Гааге в ноябре 2000 г. (COP-6) в рамках конвенции ООН по изменению климата. (Присутствовало 10 тыс. человек). В Гааге также не удалось достигнуть договоренности по ключевым вопросам, и обсуждение их было перенесено на следующую конференцию COP 7, которая состоялась в 2001 г. в Маракеши (Марокко). Последняя конференция министров по охране окружающей среды из 178 стран (the UN Conference On Climate Change Negotiations) была проведена 23 июля 2001 г. в Бонне. На этот раз министры достигли широкого политического соглашения, несмотря на противодействие США. Кроме того, в резолюции было отмечено, что должен быть разработан механизм инвестирования благотворительных климатических проектов в развивающихся странах, режим международной торговли эмиссией и согласованный механизм гарантирования выполнения этими странами своих обязательств по договору.
Необходимо отметить, что президент Дж.Буш выдвинул альтернативный план: не сокращать общий объем выбросов парниковых газов, что привело бы к застою в экономики, а уменьшать интенсивность выбросов. Одновременно предусматривается выделение дополнительных ассигнований на расширение научных исследований. Следует отметить, что в промышленно-развитых странах проблемами глобального климата занимается большое число научных центров. Среди них бесспорным лидером являются США, где исследования по глобальному климату включены в число национальных приоритетов и за последние десять лет на эти цели истрачено более 20 млрд. долларов. В настоящее время в США эти исследования проводятся в 46 крупных научных центрах и постоянно создаются новые. Так, 12 марта 2001 г. открыт новый JointGlobalResearchInstitute на базе Мерилендского университета [68]). 11 июня 2001 г. на совещании Европейских лидеров Дж.Буш объявил о создании в США «Исследовательской инициативной группы по изучению приоритетных областей науки». По решению этой группы, секретарь Торговой палаты Дональд Эванс предлагает установить приоритеты для дополнительных исследований и улучшения координации между федеральными агентствами, обеспечив при этом 25 млн. дол. для создания геофизических обсерваторий в развивающихся странах.
Во время ноябрьского совещания Комитета по исследованиям глобального климата (19 ноября 2001 г.) представители администрации США сообщили членам комитета о том, что две инициативы, объявленные президентом Дж.Бушем в июне, а именно: Инициатива об исследовании изменения климата (ClimateChangeResearchInitiative, ССRI) и Инициатива по климатическим технологиям (СlimateTechnologyInitiative, СТI) являются частью бюджета на 2003 г., и что они будут включены в программу проводящихся в США исследований по глобальным климатическим изменениям (U.S.GlobalChangeResearchProgram, GCRP). Программа GCRP была разработана в 1990 г. и направлена на интеграцию усилий по исследованию глобальных изменений, проводимых несколькими федеральными агентствами США. Новые инициативы GCRP [69] будут направлены на изучение областей, которым присущи некоторые сомнительные или не до конца исследованные факторы. Следовательно, будут выделены приоритетные отрасли, или объекты, куда следует вкладывать деньги для получения конкретного результата, тогда как цель GCRP заключается в том, чтобы закрепить проводимые исследования, разработать технологию и финансировать разработки, связанные с изменением климата. 14 февраля 2002 г., выступая на заседании Национальной администрации по исследованию атмосферы и океана в Силвер Спрингс (Мериленд) Дж.Буш уточнил стратегию администрации США в области снижения эмиссии парниковых газов. А именно, она основана на 18 % снижении в следующем десятилетии на единицу экономической деятельности. Учитывая рост промышленности, это не приведет к уменьшению общего объема выбросов парниковых газов. Одновременно Буш подтвердил намерение администрации США увеличить финансирование климатических исследований и заявил о создании нового Комитета по климатическим изменениям и технологическим интеграциям. (Committee on Climate Change and Technology Integration). Национальная конференция по изменению климата [70], которая проходила 3-5 декабря 2002 г. в Вашингтоне при участии администрации президента Буша (принимало участие 1500 ученых), рассмотрела черновой вариант нового стратегического плана США по исследованию изменений глобального климата (CCSP). На конференции, в частности, отмечено, что в существующих сетях наземных и атмосферных наблюдательных станций имеются огромные пробелы. Необходимо ускорить создание единой глобальной наблюдательной системы. Решено окончательный проект стратегического плана США по глобальному климату представить к апрелю 2003 г.
Заключение
Проблема изменения климата – это сегодня не только научная, но и экономическая, и политическая проблема. Ошибки в динамике изменения климата чреваты крупными экономическими катастрофами. Яркий пример: просчеты 50-60 гг. с прогнозом падения уровня Каспийского моря к 2000 г. Тогда шла война дат и наиболее низких оценок. Через 30 лет, в 80–90–х годах все это обернулось социально-экономической трагедией большого региона. В настоящее время цена ошибки несравнимо больше. Для целого ряда государств грядущие климатические изменения – это уже не вопросы геополитики, а проблема выживания.
Подводя итог вышесказанному, что сегодня достоверно известно о климате?
1) Климат Земли в прошлом характеризовался двумя более или менее устойчивыми состояниями: теплым и ледниковым. Эпохи смены этих режимов (что имеет место сегодня – последний ледниковый период начал отступать 20 тыс. лет назад) сопровождались повышенной нестабильностью вследствие заложенной в самой климатической системе нестабильности. Существует положительная обратная связь между глобальной температурой Земли и возмущающими факторами, провоцирующими климатические сдвиги. Палео-климатические записи свидетельствуют о наличии в прошлом больших и быстрых климатических колебаний. Один из наилучшим образом задокументированных примеров резкой смены климата – потепление, произошедшее в конце Позднегляциального периода (Dryas), когда ледники в последний раз начали отступать. Период продолжался с 13000 до 8300 лет до н.э. Согласно анализу ледяных ядер Гренландии в конце позднего Дриаса (YoungerDryas), 8850 – 8300 лет до н.э. [71], температура стала быстро расти и буквально в пределах нескольких десятилетий на смену тундре в Северной Европе и Канаде пришли леса.
2) В ХХ веке глобальная температура начала расти, причем, особенно быстро два последние десятилетия. Естественный вопрос – не может ли быть потепление климата результатом антропогенного воздействия? Или это просто начало нового естественного цикла потепления? Наиболее вероятно последнее предположение. Ибо в свете всего вышесказанного, можно предположить, что сам по себе антропогенный эффект не может в настоящее время вызвать существенное изменения климата; его прямое воздействие незначительно по сравнению с естественными факторами. Но антропогенный эффект мог спровоцировать климатический сдвиг и вызвать новый цикл потепления. Насколько опасно это потепление климата для мирового сообщества? Ответ далеко неоднозначный. Дело в том, что повышение концентрации углекислого газа в атмосфере, с одной стороны, и рост глобальной температуры, с другой стороны, должны заметно повысить общую биопродуктивность и, в частности, урожайность сельскохозяйственных растений. Если для промышленно-развитых стран существует возможность повышения производства продовольствия путем значительного увеличения затрат, то для развивающихся стран с быстро растущим населением этот путь невозможен. Отсюда следует, что восстановление более благоприятных для живых организмов и всей биосферы природных условий, которые существовали на протяжении многих тысячелетий, – очень серьезная проблема. С другой стороны, необходимо учитывать и возможные негативные последствия потепления климата регионального масштаба (наводнения, увеличение количества ураганов и тайфунов, более засушливый климат в некоторых локальных регионах, ущерб для береговых и островных зон, находящихся на малых уровнях над Мировым океаном и т.д.). В этом случае, будет ли эффективным частичное уменьшение выбросов парниковых газов, предусмотренное Киотским протоколом? Мало вероятно. Тем более, что Киотский протокол не является достаточным фактором для уменьшения роста парниковых газов в атмосфере. Относительно небольшое сокращение поступления в атмосферу газов, усиливающих парниковый эффект, окажет незначительное влияние на повышение температуры. Расчеты показывают, что для стабилизации уровня парниковых газов требуется уменьшение их эмиссии на 60-80 % по всему миру. А это привело бы к тяжелейшему ущербу для современной мировой энергетики и потребовало бы расходов, нереальных для большинства современных государств. Поэтому вряд ли стоит сегодня драматизировать ситуацию, предрекая глобальную экономическую катастрофу при глобальном потеплении, вызванным ростом антропогенного воздействия. Тем более, что есть существенные основания сомневаться, что это потепление – результат антропогенного воздействия и что начавшийся цикл потепления не сменится в будущем очередным периодом похолодания.
В свете вышесказанного можно рекомендовать в качестве стратегии устойчивого развития мирового сообщества следующие положения (часть из них уже предлагалась в работе [72]).
1. Необходимо значительное повышение научного уровня исследований всех проблем, связанных с глобальным потеплением; особенно проблем изменения солнечной активности и роста парниковых газов. Внимание к вопросам возрастания солнечной активности важно, потому что мы находимся во временном солнечном максимуме, который очень напоминает средневековый солнечный максимум 1100 – 1250 гг.[73]. Для лучшего понимания динамики солнечных процессов целесообразно активизировать изучение солнцеподобных звезд.
2. Желательно обосновать наиболее безопасные и экономически доступные пути приспособления хозяйственной деятельности к глобальному потеплению. При этом следует подчеркнуть, что проблемы, вызванные происходящим потеплением, специфичны для каждого региона.
3. В силу отсутствия полного понимания причин изменения климата Земли нецелесообразно разрабатывать и принимать в настоящее время какие-либо глобальные проекты воздействия на климат.
4. Сейчас нет достаточного научного обоснования для изменения существующих тенденций развития глобальной энергетики.
Список литературы
1. Lorenz E.N. Climatic Change as a Mathematical Problem // J.Appl.Meteor. – 1970. – V.9. – P. 325 – 329.
2. JonesP.D., WigleyT.M.L., WrightP.B. Global temperature variations between 1861 and 1984 //
Nature. – 1986. – V.322. – P. 430-434.
3. Джоунс Ф.Д., Уигли Т.М.Л. Тенденции глобального потепления //В мире науки (Scientific American).- 1990.- № 10. – C. 62-70.
4. Hansen J., Lebedeff S. Global trends of measured surface air temperature //J. Geophys. Res.- 1987. – V. 92. – P. 13345-13372.
5. Jones P. D., Osborn T.J., Briffa K.R. Estimating sampling errors in large-scale temperature averages // Journal of Climate. -1997. -V.10 (10) – P. 2548-2568.
6. Nicholls N., Gruza G.V., Jouzel J., Karl T.R., Ogallo L.A., Parker D.E. Observed climate variability and change, in Climate Change 1995: The Science of Climate Change. – Edited by J. T. Houghton, L. G. M. Filho, B. A. Callander, N. Harris, A. Kattenberg, K. Maskell, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1996. – P. 133-192.
7. Ledley T.S., Sundquist E.T., Schwartz S.E., Hall D.K., Fellows J.D., Killeen T.L. Climate Change and Greenhouse Gases // Eos, AGU Transection. – 1999. – V.80. – N. 39. – P. 453-458.
8. Jones P.D., Parker D.E., Osborn N.J., Briffa K.R. Global and hemispheric temperature anomalies – land and marin instrumental records // Trends: A Compendium of Data on Global Change. – 1998. – CDIAC, ORNL, Oak Ridge.
9. Mann M.E., Bradley R.S., Hughes M.K. Northern hemisphere temperatures during the past millennium: . Inferences, uncertainties, and limitations // Geophysical Research Letters. – 1999. – V.26. – P. 759-762.
10. Mann M. E., Bradley R.S., Hughes M.K. Global-scale temperature patterns and climate forcing over the past six centuries // Nature. – 1998. – V.392 (6678). – P. 779-787.
11. Jones P. D., Briffa K.R. Global surface air temperature variations during the 20th century: Part 1 – Spatial, temporal and seasonal details // Holocene. – 1992. – V. 1. – P. 165-179.
12. IPCC, Climate Change 2001: The contribution of Working Group 1 to the Third AssessmentReport of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Edited by J.T.Houghton et al., Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2001. – 881 P.
13. Levi, B.G., The Decreasing Artic Ice Cover // Physics Today. – 2000. – N 1. – P. 19-20.
14. http://www.nsidc.org.
15. Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория климата. – М.-Л.: Гос. научно-техн. изд-во, 1939. – 207 с.
16. Wegener A. Die Entstehung der Kontinente und Ozeane. –Braunschweig, 4 Ed., 1929. – 135 s.
17. Кондратьев К.Я. Глобальный климат. – С.-Петербург: Наука, 1992. – 358 с.
18. Кароль И.Л. Оценки характеристик относительного вклада парниковых газов в глобальное потепление климата // Метеорология и гидрология. 1996. – №11. – С. 5-12.
19. Вернадский В.И. Живое вещество. – М.,Л.: Госиздат, 1938. – 399 с.
20. Перельман А.И. Геохимия. – М.: Высшая школа, 1989. – 527 с.
21. Будыко М.И., Ронов А.Б., Яншин А.Л. История атмосферы.–Ленинград: Гидрометеоиздат, 1985.– 208с.
22. IPCC, Climate Change 1995: The Science of Climate Change. Contribution of Working Group I to the Second Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Edited by J.T. Houghton et al., Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK, 1996. – 572 p.
23. Tett S.F.B., Mitchell J.F.B., Parker D.E., Allen M.R. Human influence on the atmospheric vertical temperature structure: detection and observations // Science. – 1996. – V.274. – P. 1170-1173.
24. Penner, J.E., Chuang C.C., Grant K. Climate forcing by carbonaceous and sulfate aerosols // Clim. Dyn. – 1998. – V.14. – P. 839-851.
25. Hansen J.E., Sato M., Lacis A., Ruedy R., Tegen I., Matthews E. Climate forcings in the industrial era // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. – 1998. – V. 95. – P. 12753-12758.
26. NOAA Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory, Carbon Cycle Group (1999a). Continuous in – situ CO2 data files (ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/in-situ).
27. NOAA Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory, Carbon Cycle Group (1999b). Atmospheric methane mixing ratios (ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/ch4/flask).
28. NOAA Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory, Halocarbons Other Atmospheric Trace Species Group (1999c) Group data (ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/noah/n2o).
29. Houghton, J. T., Filho L.G.M., Bruce J., Lee H., Callander B.A., Haites E., Harris N., Maskell K. Radiative forcing of climate change. In Climate Change 1994, Cambridge University Press, Cambridge, 1995.– 231p.
30. Etheridge D. M., Steele L.P., Francey R.J., Langenfelds R.L. Atmospheric methane between 1000 A.D. and present: Evidence of anthropogenic emissions and climatic variability // J. Geophys. Res.-Atmos. – 1998. – V.103. – P. 15979-15993.
31. Etheridge D., L., Steele R., Langenfelds R., Francey R., Barnola J., Morgan V. Natural and anthropogenic changes in atmospheric CO2 over the last 1000 years from air in Antarctic ice and firn // J. Geophys. Res. – 1996.- V. 101. – P. 4115-4128.
32. Machida T., Nakazawa T., Fujii Y., Aoke S., Watanabe O. Increase in atmospheric nitrous oxide concentrations during the last 250 years // Geophysical Research Letters. – 1995. – V. 22. – P. 2921-2924.
33. Tерез Э.И., Терез Г.А. О зависимости долговременного тренда глобального озона от изменения солнечной постоянной // Геомагнетизм и аэрономия. – 1994. – T.34. – №5. – C. 151-156.
34. Terez E.I., Terez G.A. The connection between solar activity and long-term trends of total ozone in the Northern Hemisphere // J. of Atmosph. And Terr. Phys.- 1996. – V. 58. – 1849-1854.
35. Karoly D. Detection and attribution of a stratospheric role in climate change: an IPCC Perspective // SPARC. – 2001. – N 16. – P. 16-18.
36. Jaworowski Z. Radiation risk and ethic // Physics today. – 1999. – N 9. – P. 24-29.
37. Turco R.P., Toon O.B., Ackerman T.P., Pollack J.B., Sagan C. Nuclear Winter: Global consequences of multiple nuclear explosions // Science. – 1983. – V. 222. – N. 4630. – 1283-1292.
38. Кондратьев К.Я., Байбаков С.Н., Никольский Г.А. Ядерная война, атмосфера и климат // Наука в СССР. – 1985. – № 2, C.3-13, № 3.- C.3-11, 97-101.
39. Toon O.B., Zahnle K., Turco R.P., Covey C., Enviromental perturbations caused by asteroid impacts. – In: Hazards due to comets and asteroids: Ed. T.Geherels, Tucson: The University of the Arizona Press, 1994. – C. 791-826.
40. CASPY,1995 // International conference CASPY-95: Economics, Ecology Mineral resources.Moscow, – 1995.
41. Проблемы морфотектоники, геодинамики и геоэкологии Каспия на международных симпозиумах 1995 // Известия РАН. Cерия географическая. – 1996. – № 6. – C. 140-146.
42 Голицын Г.С., Радкович Д.Я., Фортус М.И., Фролов А.В. О современном подъеме уровня Каспийского моря // Водные ресурсы. –1998. – Т. 25. – № 2. – С. 133-139.
43. Zhang I. et al. Further statistics on the distribution of permafrost and ground ice in the Northern Hemisphere // Polar Geography. – 2000. – V.24. – P.126-131.
44. Достовалов В.Н., Кудрявцев В.А. Общее мерзлотоведение. – М.: Изд. МГУ, 1967. – 403 с.
45. Burgess M. et al. Global Terrestrial Network For Permafrost (GTNet-P): permafrost monitoring contributing to global climate observations. – Ottawa: Geological Survey of Canada, 2000. Current Research 2000 E –14. – 8 p.
46. Romanovsky V., Burgess M., Smith S., Yoshikawa K., Brown J. Permafrost Temperature Records: Indicators of Climate Change // Eos, Transactions AGU. – 2002. – V.83. – N 50. – P.589, 593, 594.
47. http://books.nap.edu/catalog/6365.html.
48. Christy J.R. Temperature above the surface layer // Clim.Change. – 1995. – V. 31. – P. 455-474.
49. Angell J.K. Variations and trends in tropospheric and stratosperic global temperatures, 1958-87 // J. Clim. – 1998. – V. 1. – P. 1296-1313.
50. Christy J.R., Spenser R.W., Lobl E.S. Analysis of the merging procedure for the MSU daily temperature time series // J.Clim. – 1998. – V. 11. – P. 2016-2041.
51. Bengtsson L., Roeckner E., Stendel M. Why is the global warming proceeding much slower than expected? // J.G.R. – 1999. – V. 104. – N D4. – P. 3865-3876.
52. Lindzen R.S. Some coolness concerning global warming // Bull. Am. Meteorol. Soc. – 1990. – V.71. – P. 288-299.
53. Spencer R.W., Braswell W.D. How dry is the tropical free troposphere, Implications for global warming theory // Bull. Am. Meteorol. Soc. – 1997 – V. 78. – P. 1097-1106.
54. Eddy J. The Maunder Minimum // Science. – 1976. -, V.192. – P.1189-1202.
55. Friis-Christensen E., Lassen K. Length of the solar cycle: An indicator of solar activity closely associeted with climate // Science. – 1991. – V. 254. – P. 698-700.
56. Lassen K., Friis-Christensen. Variability of the solar cycle length during the past five centuries and the apparent association with terrestrial climate // J. Atmos. Terr. Physics. 1995. – V. 57. – N 8. – P.835-845.
57. Svensmark H., Friis-Christensen E. Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage: A missing link in solar-climate relationships // J.Atmos.Sol.Terr.Phys. – 1997. – V. 59. – P. 1225-1232.
58. Wetherald R.T., Stouffer R.J., Dixon K.W. Commited warming and its implications for climate change // Geophys. Res. Let. – 2001. – V. 28. -, P.1535-1538.
59. WMO Scientific Assessment of Stratospheric Ozone. Report N 20.- 1989. – V.1. – P. 228.
60. Terez E.I., Terez G.A. Investigation of atmospheric transmission in the Crimea (Ukraine) in the twentieth century // J. Appl. Meteorology. – 2002. – V. 41. – N 10. – P. 1060-1063.
61. Damon P.E., Peristykh A.N. Solar cycle length and 20th century northern hemisphere warming: revisited // Geoph. Res. Letters. – 1999. –V.26. – P.2469-2472.
62. Gleissberg W. A table of secular variations of the solar cycle // Terr. Magn. Atmos. Electr. – 1944. – V.49. – P. 243-244.
63. Damon P.E., Jirikowic J.L. The Sun as a low-frequency harmonic oscillator // Radiocarbon. – 1992. – V.34. – P. 199-205.
64. Damon P.E., Sonett C.P. Solar and terresrial componens of the atmospheric 14 C variation spectrum // The Sun in Time. – 1991. – Ed. C.P.Sonett, V.S.Giampapa, M.S.Matthews. Univ. of Arisona Press, Tucson. – P. 360-388.
65. Иванов В.В. Периодические колебания погоды и климата // УФН – 2002. – Т.172. – №7. – С.777 – 811.
66 Dickinson R.E., Kiehl J., Gent P. Widely awaited Community Climate System Model to be released soon. Eos, AGU Transactions. – 2002. – V. 83. – N 11. –P. 119.
67. http://www.unfccc.de.
68. Showstack R. New U.S. Global Change Research Institute Opens // Eos, AGU Transactions. – 2001. –V. 82. – N 12. – P. 142.
69. Barron E.J. Will Bush Energize U.S.Climate and Global Change Research? // Eos, AGU Transactions. – 2002. – V.83. – N 1. – P. 4, 8.
70. Showstack R. U.S. Climate Science Conference Examines Strategic Plan // Eos, AGU Transactions. – 2002. – V.83. – N 52. – P. 614.
71. Peteet D. Global Younger Dryas? // Quatern. Int. – 1995. – 28. – P. 93-104.
72. Будыко М.И., Израэль Ю.А., Яншин А.Л. Глобальное потепление и его последствия // Метеорология и гидрология. – 1991. – № 12. – С. 5-10.
73. Jirikowic J.L., Damon P.E. The Medieval Solar Activity Maximum // Climatic Change. – 1994. –V.26. – P. 309-316.
Опубликовано в Ученых записках Таврического национального университета им.В.И.Вернадского. Том 17(56), 2004 г., № 1, С.181-205.