Наблюдаемые изменения климата

Литературный обзор

Связь и глобального потепление

Проблемы современных изменений климата, особенно быстрых в последние десятилетия, все больше беспокоят мировое сообщество. Чтобы разобраться в этих вопросах, ученые советуют читать первоисточники, написанные специалистами, а не «дилетантские» публикации в СМИ. Однако и среди первоисточников встречается полный спектр мнений, подкрепленных теми или иными доказательствами, на первый взгляд вполне убедительными. Все существующие гипотезы хотя бы кем-нибудь, но оспариваются, являясь одновременно активными направлениями исследований. А специалисты, случается, обвиняют в некомпетентности не только журналистов, но и друг друга.

Наблюдаемые изменения климата

Глобальные аномалии температуры в 2015 году по сравнению с уровнем 1951–1980 гг. В ряду «желтый, оранжевый, красный» – увеличение положительных аномалий температуры; в ряду «голубой, синий, темно-синий» – усиление отрицательных аномалий; белый цвет – отсутствие аномалий

Анализ данных наблюдений со спутников, в атмосфере, в толще воды, по всей поверхности Земли (суши, Мирового океана, льда, снега), в скважинах, полученных с использованием самых разных методов, а также результаты численного моделирования доказали, что в последние 100–150 лет происходят глобальные изменения климата, слишком быстрые по крайней мере для последних 0,8–3 млн лет (в сотни или тысячи раз быстрее). Они касаются роста температуры в приземном воздухе, в тропосфере (при понижении температуры в нижней стратосфере), увеличения температуры воды в приповерхностных слоях Мирового океана, изменения характеристик его теплых течений (Гольфстрима, Эль-Ниньо), повышения уровня моря примерно на 3 мм в год, сокращения массы и площади ледников и морских льдов, деградации многолетней мерзлоты, роста удельной влажности воздуха, увеличения количества атмосферных осадков и др.

Проследить за глобальным ходом температуры непросто из-за ее межгодовой, межсезонной, внутрисуточной и пространственной изменчивости. Однако по мере усреднения данных для все более длительных рядов измерений и для все более обширных территорий стало возможным увидеть, что за последние 100 с лишним лет температура приземного воздуха на нашей планете поднялась примерно на 0,9 град., причем по крайней мере на 2/3 – за последние 40 лет.

Изменения среднегодовой температуры приземного воздуха начиная с конца XIX века, осредненные по земному шару (серая кривая). Жирная черная линия показывает сглаженный ход температуры (11-летние скользящие средние). Затененная коричневатая область обозначает границы 95%-ного доверительного интервала для 11-летних средних

в атмосфере

Одновременно с наблюдаемым ростом приземной температуры воздуха измерения показали такое же быстрое увеличение (примерно на треть) содержания в атмосфере углекислого газа (СО2) – наиболее долго сохраняющегося в воздухе по сравнению с другими парниковыми газами. (Рис., а)

Усредненные графики изменений концентрации СО2 и температуры почти повторяют друг друга. Эта корреляция сама по себе не является доказательством того, что причиной потепления является увеличение содержания в атмосфере углекислого газа, но она навела многих ученых на мысль о том, что именно он является основной причиной современных изменений климата.

На данных графиках представленны глобальные изменения содержания углекислого газа в атмосфере:

а – красной линией показаны измеренные концентрации углекислого газа, осредненные по годам, в частях на миллион частей воздуха (ppm), cиней линией показаны данные еженедельных спутниковых измерений, а ее колебания скорее всего отражают сезонные изменения активности северных лесов;

б – скорость изменений содержания углекислого газа.

Достаточно точный изотопный анализ показал, что в наше время в атмосфере растет концентрация именно того углерода, который входил в состав горючих полезных ископаемых, то есть в воздухе добавляется углекислый газ в основном от сжигания топлива в процессе хозяйственной деятельности человека. Дело в том, что в атмосфере содержится некоторое количество радиоактивного изотопа углерода. Но он распадается примерно за 15 тыс. лет, поэтому в любом ископаемом топливе (кроме молодого торфа) его нет. Что касается вулканов, то они среди прочих веществ выбрасывают сразу углекислый газ, а топливо при сжигании потребляет кислород из воздуха, поэтому в антропогенных выбросах СО2 будет присутствовать характерное соотношение изотопов не только углерода, но и кислорода.

Конечно, есть и природные причины изменений концентрации углекислого газа в атмосфере: выделение его океанами и грунтами при нагревании и поглощение при охлаждении, выбрасывание вулканами, поглощение при фотосинтезе растениями и некоторыми бактериями, выделение при дыхании живых организмов, при лесных пожарах и т.д.

Из естественных причин наибольший вклад вносит Мировой океан. Теплая вода не может содержать в растворенном виде столько же углекислого газа, сколько холодная, поэтому при нагревании она отдает в атмосферу часть СО2. Но в этом случае, по результатам изотопных исследований пузырьков ископаемого воздуха в ледяных кернах из скважин, пробуренных в Антарктиде и Гренландии, рост температуры на 500–800 лет опережал увеличение концентрации углекислого газа (то есть потепление являлось причиной, а не следствием), поскольку перемешивание и суммарное прогревание океанических вод – процесс небыстрый.

Рис. Глобальные аномалии приповерхностной температуры воздуха начиная с 1950 года

В ответ на споры, возникающие по поводу взаимных опережений или запаздываний между ростом глобальной температуры и концентрации атмосферного углекислого газа, было высказано предположение, что это зависит от типа влияющих на климат факторов и временных масштабов. Моделирование показало, что само по себе значительное антропогенное увеличение концентрации CO2 в достаточно короткие периоды времени будет незначительно опережать повышение температуры, то есть являться причиной потепления. А при постепенном естественном росте температуры воздуха за долгое время ситуация будет обратной – сначала прогреется приземный слой атмосферы и океан, но только лет через 500–800 произойдет заметное увеличение содержания углекислого газа в воздухе в ответ на потепление (тем самым усиливая это потепление) – в основном за счет выделения его нагревшимся океаном после полного перемешивания вод. Связанные с этим циклические изменения и «зафиксировали» в себе ледяные керны.

Однако в целом для такой сложной системы, как климатическая, при наложении антропогенного воздействия на естественные факторы запаздывание или опережение между концентрацией углекислого газа и температурой за последнине 100 с небольшим лет не обязательно будет отражать преобладающие причинно-следственные связи. Встречаются данные о почти синхронных недавних изменениях этих параметров или о том, что современное потепление сопровождается повышением содержания CO2 с задержкой только в 5 месяцев, а не в несколько сотен лет. Тогда это вполне могло бы свидетельствовать о наложении антропогенного потепления на естественное.

В публикациях обычно указывается, что такого высокого содержания CO2, как сейчас, то есть около 400 частей на миллион частей воздуха (ppm), или 0,04% от полного состава воздуха, в земной атмосфере не было уже по крайней мере 650–800 тыс. лет, а то и все 3 млн лет, а такой высокой скорости его увеличения не было, вероятно, никогда.

Но встречаются и публикации, где это опровергается и говорится о сходных с соверменными концентрациях углекислого газа в не такие далекие от нас доиндустриальные времена.

Отмечают также, что в ордовикский период палеозойской эры (около 450 млн лет назад) концентрация углекислого газа в атмосфере была более чем на порядок выше, чем сейчас, но при этом наблюдались признаки некоторого оледенения (хотя пока не доказано, что эти явления действительно были синхронными).

Изменения средних континентальных температур за последние 100 с лишним лет

В настоящее время скорость увеличения содержания CO2 в воздухе составляет примерно 0,5% в год и колеблется в соответствии с экономической активностью. Например, кризис в начале 1990-х годов, связанный с распадом СССР, и экономический кризис 2008 года достаточно хорошо отображаются на рисунке 8, б в виде замедления прироста содержания углекислого газа.

При сжигании угля, газа, нефти и их продуктов в атмосферу ежегодно выбрасывается до 32 млрд тонн CO2, что примерно в 100 раз превышает вулканический вклад (сами по себе вулканические выбросы при наиболее мощных извержениях привели бы также к образованию аэрозолей в стратосфере, задержке ими солнечного излучения и понижению температуры приземной части атмосферы). Около 3/4 всего антропогенного увеличения содержания углекислого газа в воздухе объясняется сжиганием ископаемыъх углеводородов, а большая часть остального – вырубкой лесов. При этом около половины выделяемого при человеческой деятельности СО2 остается в атмосфере и не поглощается растениями и океанами.

Отметим, что антропогенные выбросы CO2 составляют только 4–5% от всей его эмиссии с поверхности суши и океана. Однако необходимо учитывать, что потоки углекислого газа между разными естественными компонентами климатической системы (например, между атмосферой и океаном, атмосферой и биотой/грунтами) находятся в динамическом равновесии, которое установилось за очень долгое время, поэтому небольшая антропогенная добавка вполне могла нарушить этот баланс. Ведь сжигая горючие полезные ископаемые и их продукты, человечество всего за 150–200 лет возвращает в атмосферу углерод органического происхождения, который накапливался в осадочных породах в течение многих десятков, а то и сотен миллионов лет.

Напомним, что вообще-то парниковые газы необходимы для выживания людей и других живых существ, поскольку они предотвращают полное отражение солнечного тепла обратно в космос и делают Землю пригодной для жизни (рис. 9). Если бы их не было, то глобальная температура на планете была бы около минус 18 град., но она сейчас составляет плюс 15 град. То есть за счет парникового эффекта температура приземного воздуха выше на 33 град., из которых только 1 град. – за счет влияния человеческой деятельности. То есть деятельность человека не создает парниковый эффект, а скорее всего только усиливает его.

Основные парниковые газы в порядке их воздействия на тепловой баланс Земли в отсутствие антропогенной деятельности.

Концентрация в воздухе других парниковых газов, например метана, также выросла, но было показано, что больше всего с текущим потеплением связан все же рост содержания СО2 как самого «долгоживущего» из них в атмосфере. Так, по спутниковым данным, верхние слои атмосферы Земли стали выпускать в космос меньше теплового излучения с длиной волны 12-17 мкм. А ведь инфракрасное излучение именно с такой длиной волны поглощается углекислым газом (но потом опять излучается, в том числе и в сторону поверхности планеты, дополнительно нагревая ее и усиливая естественный парниковый эффект).

Как итог...

Пока нет определенности и в оценке чувствительности климатической системы планеты к росту концентрации углекислого газа. Многие считают, что при удвоении концентрации CO2 в атмосфере ее температура в приземном слое вырастет на величины от 2 до 4,5 град., что является очень неточным и в ряде случаев вообще оспаривается.

Те ученые, которые отрицают влияние современнтого повышения концентрации СО2 в атмосфере на температуру приземного воздуха, приводят, например, результаты расчетов, показывающие, что даже двукратное увеличение содержания такого слабого парникового газа, как углекислый, привело бы к увеличению температуры только на 0,5 град.

Более того, изредка встречается даже неожиданное мнение о том, что повышение концентрации углекислого газа, наоборот, может сдерживать нагревание приземного воздуха, внося охлаждающий эффект за счет усиления вертикальной циркуляции в атмосфере и более быстрого рассеивания энергии в космосе.

В качестве аргумента против антропогенной причины современного потепления приводят и то, что на Марсе сейчас тоже явно начался период глобального потепления и тают полярные шапки, а о влиянии человека там не может быть и речи.

Рис. История климата на Земле в последние 20 тыс. лет

Источники информации:

https://www.geoinfo.ru/product/analiticheskaya-sluzhba-geoinfo/globalnye-izmeneniya-klimata-chast-1-proiskhodit-li-poteplenie-i-pochemu-40679.shtml