книги из ГПНТБ / Будыко, М. И. Изменения климата

212 Глава 6. Влияние человека на климат

концентрации углекислого газа в атмосфере. Выше приведен вывод о том, что по этой причине средняя температура у земной поверх­ ности за последние десятилетия возросла приблизительно на 0,2°. Поскольку за этот период времени, по данным наблюдений, сред­ няя температура воздуха в северном полушарии понизилась при­ мерно на 0,3°, встает вопрос, могло ли увеличение массы антропо­ генного аэрозоля снизить среднюю температуру у земной поверх­ ности на величину около 0,5°.

Для ответа на этот вопрос следует оценить влияние изменений концентрации аэрозоля в тропосфере на температуру воздуха у земной поверхности, которое сложнее аналогичного влияния из­ менений концентрации аэрозоля в стратосфере (Будыко, 1974а).

Из представленных выше данных следует, что увеличение кон­ центрации антропогенного аэрозоля снизило прямую радиацию в северном полушарии примерно на 6%. Суммарная радиация при безоблачном небе в таком случае уменьшается приблизительно на 1%. Считая, что при наличии облаков влияние тропосферного аэрозоля на суммарную радиацию невелико, и принимая во внима­ ние, что средняя планетарная облачность примерно равна 0,5, най­ дем величину среднего уменьшения суммарной радиации равной 0,5%. Используя полуэмпирическую теорию термического режима атмосферы, получим, что такое уменьшение суммарной радиации приведет к снижению средней температуры у земной поверхности на 0,75°. Этот результат соответствует случаю влияния аэрозоля только на рассеяние радиации без ее поглощения на аэрозольных частицах. В ряде исследований было указано, что эффект погло­ щения коротковолновой радиации частицами тропосферного аэро­ золя может в некоторой мере компенсировать снижение темпера­ туры, достигаемое в результате обратного рассеяния радиации на частицах аэрозоля.

Как указано выше, оценка влияния поглощения радиации аэрозолем затруднена недостаточной изученностью средних значе­ ний коэффициентов поглощения. Тем не менее для этой цели можно использовать результаты исследования Ямамото и Танака (Yamamoto, Tanaka, 1972), в котором при применении полуэмпирической теории термического режима атмосферы было рассчи­ тано понижение средней глобальной температуры у земной поверхности в результате рассеяния радиации аэрозолем для слу­ чаев наличия и отсутствия поглощения радиации частицами аэро­ золя. Отношение изменения температуры в первом случае к изме­ нению температуры во втором случае для средней глобальной величины облачности при не очень большом коэффициенте мут­ ности, по данным Ямамото и Танака, оказывается равным 0,68. Умножая эту величину на найденное выше понижение темпера­ туры, найдем значение этого понижения для реальных условий

близким к 0,5°, т. е. совпадающим с величиной, полученной по данным наблюдений.

Хотя приведенный расчет является весьма приближенным, он, однако, дает основания считать, что изменения средней глобаль­ ной температуры воздуха в течение последних десятилетий, воз­ можно, объясняются влиянием хозяйственной деятельности чело­ века. Такое заключение является естественным, поскольку во вто­ рой половине XX в. не было больших аномалий в вулканической активности и существенных причин для изменения температуры в эту эпоху, кроме названных выше антропогенных факторов, не имелось.

Этот вывод подтверждает заключения, полученные в несколь­ ких упомянутых выше исследованиях, а также в работе Брайсона

(Bryson, 1972).

Отметим, что в приведенных выше соображениях было исполь­ зовано предположение, что оценка влияния аэрозольных частиц на прямую радиацию, сделанная по данным актинометрических наблюдений в Европе, Азии и Северной Америке, более или ме­ нее соответствует средним условиям для всего северного полу­ шария.

Такое предположение очень правдоподобно для стратосферного аэрозоля, концентрация которого сравнительно мало изменяется в пределах полушария. В отношении тропосферного аэрозоля это предположение менее очевидно из-за ограниченного срока сущест­ вования отдельных частиц в тропосфере. Данные наблюдений по­ казывают, что в нижних слоях атмосферы существуют обширные области со значительно повышенным содержанием аэрозольных частиц.

В связи с этим вопрос о репрезентативности использованных в данном анализе актинометрических данных для полушария в це­ лом нуждается в дальнейшем изучении.

Другие факторы изменений климата. Можно думать, что влия­ ние всех остальных антропогенных факторов, кроме изменения массы атмосферной углекислоты и аэрозоля, на современные гло­ бальные климатические условия сравнительно невелико.

Из этих факторов заслуживает внимания производство энергии при различных видах хозяйственной деятельности, что приводит к дополнительному нагреванию атмосферы и земной поверхности. Вся энергия, потребляемая человеком, в конечном счете превра­ щается в тепло, причем основная часть этого тепла является до­

представляют собой преобразование энергии солнечной радиации, ежегодно поглощаемой Землей. Расход таких видов энергии не меняет теплового баланса Земли и не приводит к ее дополнитель­ ному нагреванию.

тепла, не зависимым от преобразований энергии солнечной радиа­ ции в современную эпоху.

В работах автора (Будыко, 1962 и др.) проводились оценки количества тепла, которое возникает в результате хозяйственной деятельности человека. Для единицы поверхности Земли в целом это количество невелико и составляет около 0,01 ккал/(см2• год). Для наиболее развитых промышленных районов указанная вели­ чина на два порядка больше, она достигает 1—2 ккал/(см2-год) на территориях в десятки и сотни тысяч квадратных километров. На территориях больших городов (десятки квадратных километ­ ров) эта величина возрастает еще на один-два порядка, т. е. до десятков и сотен ккал/(см2 • год).

Можно подсчитать, как это дополнительное производство тепла влияет на среднюю температуру Земли.

Выше было отмечено, что изменение на 1 % притока энергии,

тате деятельности человека составляет сейчас около 0,006% об­ щего количества радиации, поглощенной системой Земля—атмо­ сфера, найдем соответствующее этому количеству тепла повыше­ ние средней температуры равным примерно 0,01°. Эта величина сравнительно незначительна, однако при резкой неравномерности размещения на поверхности Земли созданных человеком источни­ ков тепла в отдельных районах такое повышение температуры мо­ жет быть значительно большим.

В указанной выше работе было отмечено, что при отсутствии циркуляции атмосферы в наиболее развитых промышленных рай­ онах температура могла бы возрасти на величину порядка гра­ дуса, а в больших городах — на десятки градусов, что, очевидно, сделало бы там жизнь невозможной. Влияние атмосферной цир­ куляции значительно ослабляет соответствующие повышения тем­ пературы, причем это ослабление тем больше, чем меньше площадь, на которой сконцентрировано производство дополнительной тепло­ вой энергии.

Подробный анализ потребления энергии, которая является до­ полнительным источником тепла для атмосферы, выполнил Флен

(Inadvertent Climate Modification, 1971). Он установил, что в цен­ тральной части Нью-Йорка и в Москве приток тепла, создавае­ мого человеком, в несколько раз превосходит количество энергии, поступающей от Солнца. В ряде менее крупных городов, а также в наиболее развитых в промышленном отношении районах с пло­ щадью в десятки тысяч квадратных километров приток дополни­ тельного тепла равен 10—100% притока солнечной энергии.

Во многих государствах площадью в сотни тысяч квадратных километров дополнительный приток тепла составляет 1% энергии солнечной радиации.

Данные Флена подтверждают приведенный выше вывод о том, что не только в крупных городах, но и на значительных террито­ риях промышленных районов производство энергии человеком яв­ ляется существенным климатообразующим фактором.

В предыдущем разделе было отмечено, что орошение засушли­ вых районов может оказывать известное влияние на среднюю температуру у земной поверхности. Определим, как влияет суще­ ствующая сейчас система орошения на среднюю температуру у по­ верхности Земли. При орошении сухих районов альбедо земной поверхности может понижаться на величину около 0,10. Учитывая связь между альбедо земной поверхности и альбедо системы Земля—атмосфера (см. гл. 2), найдем, что при малой облачности такое уменьшение альбедо земной поверхности соответствует уменьшению альбедо системы Земля—атмосфера на 0,07.

Существующая сейчас орошаемая территория равна примерно 2 млн. км2, что составляет около 0,4% общей поверхности Земли. Таким образом, орошение уменьшает альбедо Земли приблизи­ тельно на 0,03%.

Во второй главе было установлено, что изменение альбедо Земли на 1 % изменяет среднюю температуру у поверхности Земли на 2,3°. Принимая во внимание это значение, найдем, что ороше­ ние повышает среднюю температуру у поверхности Земли прибли­ зительно на 0,07°. Такое изменение температуры не является нич­ тожно малым и при увеличении орошаемых площадей может играть известную роль.

Наряду с орошением некоторое влияние на среднюю темпера­ туру у земной поверхности может оказывать строительство водо­ хранилищ.

Средняя величина альбедо земной поверхности при создании водохранилища в районах с растительным покровом уменьшается приблизительно так же, как и при орошении пустынных областей. Но так как наиболее крупные искусственные водохранилища со­ зданы в районах со сравнительно влажным климатом, где суще­ ствует более или менее значительная облачность, то альбедо си­ стемы Земля—атмосфера в этом случае изменяется меньше, чем над орошенными районами, где облачность невелика. Кроме того, поскольку общая площадь искусственных водохранилищ заметно меньше площади орошенных земель, их влияние на среднюю тем­ пературу у поверхности Земли оказывается сравнительно не­ большим.

Кроме перечисленных выше процессов, известное влияние на температуру воздуха может оказывать выделение тепла людьми в ходе их жизнедеятельности. Такой приток тепла имеет значение только на ограниченных пространствах, где размещаются много­

216 Глава 6. Влияние человека на климат

численные толпы, на больших территориях его роль несуще­ ственна.

Материалы этого раздела показывают, что изменения глобаль­ ного климата в течение последних десятилетий, по-видимому, в значительной мере зависели от хозяйственной деятельности че­ ловека.

Это, возможно, объясняет упомянутый в третьей главе факт нарушения в эту эпоху связей между колебаниями средней гло­ бальной температуры и вулканической активностью, которые были установлены по материалам наблюдений за предшествующие годы.

Можно думать, что дальнейшее развитие хозяйственной дея­ тельности человека приведет к более значительным изменениям глобального климата по сравнению с тем, которое достигнуто в наше время.

Глава 7

КЛИМАТ БУДУЩЕГО

7.1. ПЕРСПЕКТИВЫ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА

Естественные изменения климата. При изучении климатических условий будущего следует сначала остановиться на тех измене­ ниях, которые могут произойти вследствие естественных причин.

В третьей и четвертой главах было рассмотрено влияние на из­ менения климата ряда факторов, каждый из которых характери­ зуется различным временным масштабом его действия. К их числу относятся следующие основные факторы.

1.Вулканическая деятельность. Из изучения современных из­ менений климата следует, что колебания вулканической активно­ сти могут влиять на климатические условия для периодов времени,, равных годам и десятилетиям. Возможно также влияние вулка­ низма на изменения климата за периоды порядка столетий и за более длительные интервалы времени.

2.Астрономические факторы. Изменение положения поверхно­

сти Земли по отношению к Солнцу создает изменения климата

свременными масштабами в десятки тысяч лет.

3.Состав атмосферного воздуха. В конце третичного и в четвер­ тичное время определенное влияние на климат оказывало убыва­ ние содержания углекислого газа в атмосфере. Принимая во вни­ мание скорость этого убывания и соответствующие ему изменения температуры воздуха, можно заключить, что влияние естественных изменений содержания углекислоты на климат существенно для интервалов времени более ста тысяч лет.

4.Строение земной поверхности. Изменение рельефа и связан­ ные с ними изменения положения берегов морей и океанов могут заметно изменить климатические условия на больших простран­

ствах за периоды времени, не меньшие сотен тысяч — миллио­ нов лет.

5. Солнечная постоянная. Оставляя в стороне вопрос о суще­ ствовании влияющих на климат короткопериодических колебаний солнечной постоянной, следует принять во внимание возможность медленных изменений солнечной радиации, обусловленных эволю­ цией Солнца. Такие изменения могут существенно влиять на кли­ матические условия за периоды не менее ста миллионов лет.

Наряду с изменениями, обусловленными внешними факторами,, климатические условия меняются в результате автоколебательных

218 Глава 7. Климат будущего

процессов в системе атмосфера—океан—полярные льды. Такие из­ менения относятся к периодам времени порядка годов — десятиле­ тий и, возможно, также к периодам в сотни и даже тысячи лет.

Указанные в этом перечне временные масштабы действия раз­ личных факторов на изменения климата в основном согласуются с аналогичными оценками Митчелла (Mitchell, 1968) и других ав­ торов.

Рассмотрим вопрос, какое влияние перечисленные выше фак­ торы могут оказать на климатические условия будущего.

Так как в настоящее время не имеется надежных методов предсказания уровня вулканической активности, при изучении влияния этого фактора на климат будущего приходится ограни­ читься оценкой вероятного масштаба такого влияния. В третьей главе указано, что потепление в первой половине XX в., обуслов­ ленное в основном колебаниями вулканической активности, при­ вело к повышению средней глобальной температуры примерно на 0,5°. Как видно из исследования Лема (Lamb, 1970), ослабление вулканической деятельности в 20—30-х годах нашего века было крупной и сравнительно редкой аномалией в режиме вулканиче­ ской активности за последние столетия.

Количественный анализ данных из сводки вулканической ак­ тивности Лема и материалов о вековом ходе средней глобальной температуры позволяет прийти к выводу, что вероятное изменение средней за десятилетие глобальной температуры к концу нашего века под влиянием колебаний вулканической активности имеет порядок 0,1°, т. е. составляет небольшую величину по сравнению с приведенной ниже оценкой вероятного изменения температуры воздуха, обусловленного хозяйственной деятельностью человека.

В противоположность трудности предсказания уровня вулка­ нической активности будущие изменения положения поверхности Земли по отношению к Солнцу могут быть рассчитаны со значи­ тельной точностью. Такие расчеты (Шараф, Будникова, 1969; Vernekar, 1972) позволяют оценить колебания прихода солнечной радиации за теплое полугодие, от которых в наибольшей степени зависит положение границ полярных льдов. Как указал Миланкович (Milankovich, 1930), особенно большое влияние на перемеще­

в области «критических широт» северного полушария произойдет заметное понижение радиации, составляющее около двух третей снижения, имевшего место в эпоху последнего вюрмского оледе­ нения. Такое уменьшение радиации могло бы привести к наступ­ лению новой ледниковой эпохи с развитием континентальных оледенений, несколько меньших оледенений вюрмского времени.

Затем следует ожидать заметное увеличение радиации, кото­ рое может привести к разрушению оледенений, после чего умень­

шения радиации в критических широтах северного полушария будут повторяться — примерно через 50 и 90 тыс. лет после на­ шего времени. Амплитуда этих понижений радиации будет возра­ стать, приближаясь к величине уменьшения радиации, вызвавшего последнее вюрмское оледенение.

Гораздо большие понижения радиации в критических широтах северного полушария произойдут через сотни тысяч лет, что озна­ чает возможность развития громадных оледенений в эти эпохи.

Влияние астрономических факторов на климат будущего мо­ жет значительно усилиться при дальнейшем снижении содержания углекислого газа в атмосфере. Так как на протяжении многих миллионов лет преобладала тенденция к уменьшению концентра­ ции углекислоты в воздухе, то вероятно, что при отсутствии воз­ действия хозяйственной деятельности на климат количество атмо­ сферной углекислоты в будущем продолжало бы уменьшаться. Скорость этого уменьшения можно приближенно рассчитать по приведенным в четвертой главе данным об убывании концентра­ ции углекислого газа в последнем геологическом периоде — плей­ стоцене.

Применяя такую экстраполяцию, можно оценить, за какое время концентрация углекислоты в атмосфере могла бы пони­ зиться от ее значения, которое имело место перед эпохой быстрого промышленного развития, равного 0,029%, до величины, при ко­ торой возможно полное оледенение планеты, равной по приведен­ ным выше данным 0,015%. Разность между этими двумя значе­ ниями близка к изменению концентрации углекислоты, произошед­ шему за время от начала развития четвертичных оледенений до современной эпохи. Таким образом, следует заключить, что пол­ ное оледенение Земли могло бы произойти за период времени по­ рядка миллиона лет.

Если мы примем во внимание, что наряду с общей тенденцией к развитию оледенений, вызванной снижением концентрации угле­ кислоты, существуют периодические эпохи увеличения ледяных покровов, обусловленные изменением положения земной поверх­ ности по отношению к Солнцу, то эту оценку придется уменьшить. Вероятное время наступления полного оледенения Земли с учетом указанного эффекта составит несколько сотен тысяч лет.

Принимая эту оценку, можно представить себе следующую картину возможной эволюции биосферы.

Продолжающееся снижение концентрации углекислоты будет сопровождаться постепенным уменьшением продуктивности авто­ трофных растений и уменьшением общей массы живых организ­ мов на Земле. Одновременно с этим будет постепенно расширяться зона полярных оледенений, которые при наступлении ледниковых эпох перемещаются в более низкие широты.

Продуктивность автотрофных растений и общий объем био­ массы на Земле уменьшится не более чем в два раза, когда ледяной

220 Глава 7. Климат будущего

покров достигнет критической широты, после чего он распро­ странится вплоть до экватора в порядке саморазвития. В резуль­ тате возникнет полное оледенение планеты, которое будет обла­ дать большой устойчивостью, обусловленной низкими отрицатель­ ными температурами на всех широтах земного шара.

Можно думать, что полное оледенение приведет к прекращению всех биологических процессов на нашей планете. Это предположе­ ние основано на том, что за длительное время существования ант­

короткое время климатических условий Центральной Антарктики на весь земной шар трудно ожидать возникновения живых орга­ низмов, которые могли бы приспособиться к таким неблагоприят­ ным условиям.

Полное оледенение планеты, соответствующее термическому режиму, отмеченному на рис. 8 точкой В', должно быть чрезвы­ чайно устойчивым, так как на всех широтах температуры воздуха будут значительно ниже точки замерзания воды. Вместе с тем возможно, что в отдаленном будущем указанное оледенение может исчезнуть в результате постепенного увеличения солнечной посто­ янной. Как известно, в ряде астрономических исследований выска­ зывалось предположение, что в ходе эволюции Солнца темпера­ тура его поверхности и количество излучаемой им энергии бу­ дет возрастать (Schwarzschield, 1958; Angstrom, 1965; White, 1967, и др.).

Как видно из рис. 8, для разрушения планетарного оледенения необходимо увеличение солнечной постоянной примерно на 40%, что, по данным указанных выше работ, может произойти через несколько миллиардов лет. В таком случае льды растают на всех широтах и температура воздуха повысится более чем на 100°, до­

верхности будет продолжать повышаться, таяние льдов вряд ли приведет к созданию условий, благоприятных для повторного воз­ никновения жизни на Земле.

Учитывая, что вопрос об эволюции Солнца не вполне выяснен, следует отметить гипотетический характер такого пути изменения термического режима Земли. Представляется, однако, интерес­ ным, что при его осуществлении термический режим пройдет через стадии, соответствующие большей части гистерезисной кривой на рис. 8 — от безледных режимов мезозойского времени (несколько выше точки Е) до современных условий (точка 3), условий пол­ ного оледенения (от точки В' до А) и разрушения оледенения (точка А').

Приведенная выше оценка времени, в течение которого может наступить полное оледенение планеты, по ряду причин является