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

20 Глава 1. Введение

воздуха была выше современной, хотя разность температур в этом случае была меньше по абсолютной величине, чем в эпохи оледе­ нений.

Менее ясен вопрос о связанных с оледенениями изменениях режима осадков.

Имеющиеся данные указывают, что условия увлажнения в раз­ личных районах земного шара при оледенениях менялись по-раз­ ному. Это свидетельствует об изменении системы атмосферной циркуляции, обусловленном развитием оледенений, которое свя­ зано с изменением контрастов температуры между полюсами и экватором.

Наряду с этим в эпохи максимального развития оледенений количество осадков во многих континентальных районах снижа­ лось, что, по-видимому, объяснялось уменьшением испарения с по­ верхности океанов, значительная часть которой была покрыта льдами.

Следует отметить, что первые континентальные оледенения в высоких широтах, по-видимому, возникли еще в плиоцене. Цент­ ральные части этих оледенений располагались в горных районах.

Развитие больших континентальных оледенений, не связанных с горными системами, является характерной особенностью плей­ стоцена.

Дочетвертичное время. Климатические условия палеозоя (570— 230 млн. лет до нашего времени) известны очень приближенно. По-видимому, на протяжении большей части палеозоя на всем земном шаре климат был очень теплым, причем условия увлажне­ ния на континентах изменялись в широких пределах. В конце па­ леозоя, на границе каменноугольного и пермского периодов, воз­ никло оледенение, которое охватило значительную территорию суши, расположенную сейчас в тропических широтах. Оценить географическое положение этого оледенения в эпоху его развития довольно трудно из-за возможности за столь длительное время значительного перемещения континентов и изменения положения полюсов земного шара.

Характерно, что климатические условия других районов зем­ ного шара в эпоху пермокарбонового оледенения были достаточно

теплыми.

В пермском периоде стала заметной термическая зональность, причем на континентах значительно расширились области сухого климата.

Климат мезозоя (230—65 млн. лет до нашего времени) был довольно однообразным. На большей части земного шара клима­ тические условия были близки к современным тропическим, тогда как в высоких широтах климат был более прохладным, хотя все же очень теплым, с незначительными сезонными изменениями тем­ пературы. Условия увлажнения на континентах в мезозое, по-ви­ димому, были более однородными по сравнению с современной

эпохой, хотя в это время существовали зоны как недостаточного,, так и избыточного увлажнения.

Вконце мелового периода зона жаркого климата сократилась,

аобласть сухих климатических условий расширилась. При пере­

ходе к кайнозойскому времени заметного изменения климата не произошло. Во второй половине третичного периода (в середине олигоцена) начался процесс прогрессивного похолодания, который был наиболее заметен в умеренных и особенно высоких широтах. С этого времени в высоких широтах появляется и постепенно рас­ ширяется новая климатическая зона, в которой метеорологический режим напоминает современные климатические условия умерен­ ных широт. В этой зоне температура воздуха зимой опускалась ниже нуля, что делало возможным образование сезонного снеж­ ного покрова. Одновременно в удаленных от океанов районах кон­ тинентов усиливалась континентальность климата.

Процесс похолодания не был равномерным, в отдельные эпохи происходили потепления, которые, однако, не изменяли общей тенденции к усилению термической зональности, обусловленной снижением температур в высоких широтах. Этот процесс уско­ рился в плиоцене, когда, по-видимому, образовалось первое круп­ ное континентальное оледенение в Антарктиде, существующее до настоящего времени.

Хотя в конце плиоцена климат был теплее современного, он уже меньше отличался от современных климатических условий по сравнению с климатом мезозоя и первой половиной третичного времени.

Рассматривая последовательность изменений климата за время, для которого имеются более или менее достоверные данные, сле­ дует обратить внимание на нетипичность режимов с сильно вы­ раженной термической зональностью для климатических условий на нашей планете.

Большое различие температур между полюсами и экватором,, существующее с конца третичного времени и особенно возрастав­ шее в ледниковые эпохи, характерно для малой части времени, прошедшего после начала палеозоя. За последние 600 млн. лет,, кроме четвертичных оледенений, было только одно крупное пермо­ карбоновое оледенение, длительность которого также была неве­ лика по сравнению со временем, прошедшим с начала палеозоя.

Вместе с тем нельзя быть уверенным, что при развитии данного оледенения существовала большая разность температур между полюсом и экватором (подробнее этот вопрос рассматривается

в четвертой главе).

Сведения о климатических условиях докембрийского времени мало достоверны, в частности, не имеется единого мнения об интерпретации относящихся к позднему протерозою тиллитоподобных пород, которые иногда рассматриваются как следы круп­ ных оледенений. Если допустить существование оледенений

в протерозое, вопрос об их положении по отношению к полюсам Земли того времени остается совершенно неясным.

Таким образом, климатические условия последнего сравни­ тельно короткого интервала геологической истории Земли с резко выраженной термической зональностью, возможно, не имеют сколько-нибудь близкой аналогии среды климатов прошлого. Они резко отличаются от преобладавшего на протяжении большей части последних 600 млн. лет типа климата, который характеризо­ вался жаркими или теплыми условиями на всех широтах, малой разностью температур между полюсами и экватором и малой амп­ литудой годового хода температуры во внетропических широтах.

1.4. ФАКТОРЫ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА

Переходя к рассмотрению существующих взглядов на причины изменения климата, мы разделим эти причины на две группы. К первой из них относятся такие внешние факторы, которые ока­ зывали несомненное влияние на климат, хотя мнения о масштабах этого влияния и его характере различаются. Ко второй группе

•относятся факторы, влияние которых на климат возможно, но не является бесспорным. В связи с этим некоторые авторы признают роль этих факторов в изменении климата, тогда как другие ее от­ рицают.

К числу факторов, входящих в первую группу, следует отнести изменения состава атмосферы, формы земной поверхности и астро­ номических элементов, определяющих положение земной поверх­ ности по отношению к Солнцу.

Изменения состава атмосферы. В существующих исследованиях главное внимание уделяется изучению влияния на климат двух переменных компонент, входящих в состав атмосферы, — концент­

.длинноволновое излучение в атмосфере, изменения концентрации углекислоты могут привести к колебаниям климата (Tyndall, 1861).

В дальнейшем вопрос о влиянии атмосферной углекислоты на климат привлек внимание Аррениуса (Arrhenius, 1896, 1903) и

Чамберлина (Chamberlin, 1897, 1898, 1899), которые предполо­ жили, что изменения количества атмосферной углекислоты могли

•быть причиной четвертичных оледенений.

В работах Аррениуса было исследовано поглощение радиацион­ ных потоков в атмосфере и предложена численная модель для

•определения температуры у земной поверхности в зависимости от

•свойств атмосферы. Используя эту модель, Аррениус нашел, что

24 Глава 1. Введение

Хотя Коллендер показал большое значение учета поглощения длинноволновой радиации водяным паром для правильной оценки влияния изменения концентрации углекислоты на температуру, тем не менее Пласс (Plass, 1956) и Каплан (Kaplan, 1960) выпол­ нили расчеты влияния углекислоты на термический режим, не при­ нимая во внимание этого эффекта. Пласс получил довольно боль­ шие изменения температуры у земной поверхности (повышение температуры на 3,6° при удвоении концентрации углекислоты, понижение на 3,8° при уменьшении концентрации вдвое), что по­ зволило ему вернуться к углекислотной гипотезе происхождения четвертичных оледенений. Для обоснования этой гипотезы Пласс выдвинул концепцию об автоколебательном характере изменений концентрации углекислоты в атмосфере и океане, которая своди­ лась к следующему.

После начального небольшого снижения количества углекис­ лоты в атмосфере происходит снижение температуры у земной по­ верхности, которое вызывает увеличение массы полярных льдов. В результате этого уменьшается объем океанических вод, что лриводит к увеличению содержания углекислоты в атмосфере и к новому потеплению.

После наступления потепления льды тают, объем океанов воз­ растает, количество углекислоты в атмосфере уменьшается и на­ чинается новый период похолодания.

В работе Каплана было отмечено, что влияние облачности за­ метно уменьшает изменение температуры у земной поверхности, обусловленное колебаниями концентрации углекислоты, по срав­ нению с оценкой, полученной Плассом.

Необходимость принять во внимание поглощение длинноволно­ вой радиации водяным паром в расчете влияния углекислоты на термический режим атмосферы была подчеркнута в исследовании К. Я. Кондратьева и X. Ю. Нийлиск (Kondratjev and Niilisk, 1960)

и в работе Меллера (МбПег, 1963). Учитывая этот эффект, К. Я. Кондратьев и X. Ю. Нийлиск получили гораздо меньшие из­ менения температуры у земной поверхности по сравнению с ре­ зультатами Пласса и Каплана.

Меллер обратил внимание, что при изменении температуры воздуха обычно меняется абсолютная влажность, тогда как отно­ сительная влажность воздуха остается более или менее постоян­ ной. Увеличение абсолютной влажности воздуха при повышении температуры усиливает поглощение длинноволновой радиации в атмосфере, что дополнительно повышает температуру. Меллер нашел, что увеличение температуры у земной поверхности, обус­ ловленное удвоением концентрации углекислоты, при постоянной абсолютной влажности воздуха составляет 1,5°, тогда как при постоянной относительной влажности эта величина возрастает в несколько раз. Наряду с этим Меллер отметил, что влияние угле­ кислоты на термический режим может быть компенсировано срав­

нительно небольшими изменениями абсолютной влажности воздуха или облачности.

Детальное исследование зависимости температуры воздуха от концентрации углекислоты в атмосфере выполнили Манабе и Ве-

зеролд (Manabe and Wetherald, 1967). В этой работе была отме­ чена неточность расчетов Меллера, который оценивал изменения термического режима атмосферы только по данным о тепловом балансе земной поверхности, не рассматривая теплового баланса атмосферы в целом.

Манабе и Везеролд рассчитали вертикальное распределение температуры в атмосфере, принимая во внимание поглощение длинноволновой радиации водяным паром, углекислым газом и озоном. В расчете использовалось вертикальное распределение относительной влажности воздуха, заданное по эмпирическим дан­ ным. Предполагалось, что распределение температуры определя­ ется условиями локального радиационного равновесия, если вер­ тикальный градиент температуры не превышает 6,5°/км. Указанное значение градиента температуры считалось максимально возмож­ ным из-за ограничивающего влияния конвективных процессов на рост вертикального градиента.

Манабе и Везеролд нашли, что для средних условий облач­ ности удвоение концентрации углекислого газа при постоянной от­ носительной влажности воздуха увеличивает температуру у земной поверхности на 2,4°. Уменьшение существующей концентрации

вдва раза снижает температуру воздуха на 2,3°.

Впоследующих работах Манабе были выполнены расчеты влияния изменений концентрации углекислоты на температуру воздуха на различных широтах. Используя трехмерную модель об­ щей циркуляции атмосферы, Манабе нашел, что вызванное уве­

личением концентрации углекислоты повышение температуры в высоких широтах примерно вдвое превосходит повышение средней глобальной температуры (Inadvertent Climate Modifica­ tion, 1971).

Изменения температуры воздуха на различных широтах для большого интервала концентрации углекислоты были рассчитаны Л. Р. Ракиповой и О. Н. Вишняковой (1973). В этой работе для решения поставленной задачи была использована двухмерная модель термического режима атмосферы, включавшая учет радиа­ ционных потоков тепла, прихода и расхода тепла при конденсации и испарении, макротурбулентный теплообмен в атмосфере и теп­ лообмен между поверхностью океана и нижележащими слоями. При расчете радиационных потоков было принято во внимание влияние водяного пара и озона.

Л. Р. Ракипова и О. Н. Вишнякова рассчитали изменения тем­ пературы воздуха на различных широтах и разных высотах в за­ висимости от концентрации углекислого газа, которая изменялась от нуля до величины, в пять раз превосходящей ее современные

значения. Расчеты были выполнены для холодного и теплого полу­ годий в условиях безоблачной атмосферы и для средних условий облачности. Влияние облачности на зависимость температуры воз­ духа от концентрации углекислого газа оказалось сравнительно небольшим. Различие этой зависимости для теплого и холодного полугодий также оказалось довольно малым.

Следует отметить, что Л. Р. Ракипова и О. Н. Вишнякова,

вотличие от Манабе и Везеролда, предполагали, что при измене­ ниях концентрации углекислоты абсолютная влажность воздуха остается постоянной. Такое предположение означает пренебреже­ ние эффектом изменения испарения при изменениях температуры земной поверхности, что приводит, как показали Манабе и Везеролд, к некоторому преуменьшению изменений температуры воз­ духа, вызванных колебаниями концентрации углекислоты.

Все упомянутые выше исследования влияния изменения кон­ центрации углекислоты на термический режим атмосферы содер­ жат большое количество упрощающих предположений. В боль­ шинстве этих исследований задача рассматривается как локаль­ ная, без учета возможных изменений общей циркуляции атмосферы

врезультате изменений температуры воздуха.

Сэтой точки зрения представляют интерес последние работы Манабе и Л. Р. Ракиповой, О. Н. Вишняковой, из которых следует, что расчет изменений температуры на различных широтах дает для средних глобальных условий результаты, не очень сильно от­ личающиеся от расчета, выполненного непосредственно по данным, осредненным для планеты в целом.

Из различных ограничений, принятых в ранее выполненных исследованиях влияния количества углекислого газа на климат, одним из наиболее существенных является пренебрежение обрат­ ной связью между термическим режимом атмосферы и площадью

1971; Smagorinsky, 1974), который принимал во внимание измене­ ния площади снежного и ледяного покрова в зависимости от тер­ мического режима атмосферы. В результате Манабе получил более значительное изменение температуры воздуха (в особен­ ности для более высоких широт) при колебаниях концентрации углекислоты в атмосфере.

Вопрос о влиянии изменений площади полярных льдов на тер­ мический режим атмосферы при колебаниях концентрации угле­ кислого газа рассмотрен в работах автора (Budyko, 1972а, Будыко 1973), результаты которых изложены в четвертой главе книги.

Учет этого влияния, по-видимому, имеет существенное значение для объяснения закономерностей изменений климата в течение последней части третичного периода и в четвертичное время.

Наряду с вопросом о влиянии изменений содержания углекис­ лого газа на климат ряд исследований был посвящен изучению воз­

можности влияния на климатические условия концентрации атмо­ сферного аэрозоля.

Одно из первых предположений о том, что изменения про­

sin, 1901) предложили гипотезу о том, что четвертичные оледе­ нения объяснялись снижением прозрачности атмосферы в эпохи повышенной вулканической активности. Эта гипотеза была под­ держана в нескольких последующих исследованиях (Fuchs, Patter­ son, 1947, и др.).

Наиболее подробно концепция о влиянии вулканических извер­ жений на изменения климата была разработана в первой поло­ вине XX в. Гемфрисом (Humphreys, 1913, 1929, и др.).

Гемфрис отметил, что после вулканических извержений взрыв­ ного характера в стратосфере возникают облака мелких частиц, которые он считал состоящими из вулканической пыли. Он оценил влияние этих частиц на радиационный режим и пришел к выводу, что они могут заметно ослабить поток коротковолновой радиации, приходящей к земной поверхности, почти не изменяя длинновол­ нового излучения, уходящего в мировое пространство. Количество частиц, попавших в атмосферу северного полушария после извер­ жения вулкана Катмай в 1912 г., по расчету Гемфриса, было до­ статочным для снижения средней температуры у земной поверх­ ности на несколько градусов, если бы эти частицы достаточно долго находились в атмосфере. Из данных наблюдений Гемфрис нашел, что после крупных вулканических извержений действи­ тельно имели место понижения средней для больших территорий температуры воздуха, которые составляли несколько десятых гра­ дуса.

Такая сравнительно небольшая величина изменения темпера­ туры после извержений, по мнению Гемфриса, объяснялась огра­ ниченным временем нахождения частиц вулканической пыли в ат­ мосфере.

В дальнейшем взгляды Гемфриса были поддержаны и развиты Векслером (Wexler, 1953, 1956), который предположил, что наибо­ лее мелкая пыль может задерживаться в стратосфере в течение ряда лет после вулканических извержений.

По мнению Векслера, потепление 20—30-х годов объяснялось постепенным очищением атмосферы от вулканической пыли после нескольких крупных извержений, имевших место в начале XX в.

Существенное значение влиянию вулканизма на климат прида­ вал Брукс (Brooks, 1950), который по данным о мощности вулка­ нических пород составил сводку интенсивности вулканической деятельности от начала палеозоя до нашего времени. Брукс счи­ тал, что усиление вулканизма было одним из факторов, способст­ вовавших развитию континентальных оледенений.

1970), содержащую сводку произошедших после 1500 г. вулкани­ ческих извержений взрывного характера, которые существенно снижали прозрачность атмосферы для коротковолновой радиации. Лем, так же как Гемфрис и Векслер, считал, что вулканические извержения являются одним из основных факторов современных изменений климата.

Вопрос о влиянии вулканической активности на климат рас­ смотрен в работах автора (Будыко, 1967, 1972; Budyko, 1969 и др.), результаты которых излагаются в следующих главах.

Изменения формы земной поверхности. Вопрос о влиянии формы земной поверхности на изменение климата был впервые рассмот­ рен Лайеллом (Lyell, 1830—1833), который сравнил климатиче­ ские условия для двух гипотетических случаев строения земной поверхности: при наличии в полярных зонах континентов и при наличии в этих зонах океанов. В первом случае, по мнению Лайелла, климат в высоких широтах должен быть значительно теплее, чем во втором. В связи с этим Лайелл заключил, что эво­ люция формы земной поверхности сопровождалась значительными колебаниями климата.

Большое значение влиянию изменений рельефа на климат при­ давали А. И. Воейков (1902 и др.), Рамсей (Ramsay, 1910), И. Д. Лукашевич (1915).

А. И. Воейков предполагал, что изменение строения земной поверхности оказывает более существенное влияние на климат по сравнению с астрономическими факторами.

Рамсей и Лукашевич считали, что похолодания, приводящие к оледенениям, возникали в результате поднятия континентов и уменьшения поверхности океанов, которая поглощает больше сол­ нечной энергии, чем суша. Они пришли к заключению, что при развитии оледенений температура воздуха снижалась главным образом в высоких широтах, тогда как ее понижение в низких широтах было незначительным.

Наиболее подробно влияние изменений земной поверхности на климатические условия было изучено Бруксом (Brooks, 1950 и др.). В его исследованиях было указано на то, что холодные климатические условия высоких широт существенно зависят от находящихся там полярных льдов, так как большое альбедо снега уменьшает поглощение солнечной радиации. Брукс отметил также роль морских течений, действие которых значительно уменьшает контраст температур между низкими и высокими широтами.

По мнению Брукса, типичный для большей части истории Земли климат с теплыми или жаркими условиями на всех широтах имел место при низком уровне континентов, разделенных обшир­ ными межконтинентальными океанами и морями. Повышение уровня континентов, особенно в полярных районах, было причиной

похолодания и развития оледенений, которые затем распростра­ нялись в умеренные широты. Брукс считал, что пермокарбоновое оледенение возникло в тропических широтах и что оно объясня­ лось главным образом высоким уровнем континентов и изменением режима морских течений в соответствующих районах.

Большое значение, которое Брукс придавал влиянию морских течений, видно из его предположения о том, что некоторое усиле­ ние течения в Беринговом проливе могло бы привести к разру­ шению большей части арктических морских льдов.

Альбрехт (Albrecht, 1947) считал существенным фактором охлаждения климата в четвертичное время поднятие меридиональ­ ных горных цепей, в частности, Скалистых гор и Андов. По мнению Альбрехта, эти горы значительно ослабляют интенсивность ат­ мосферной циркуляции, уменьшают количество осадков, выпа­ дающих зимой в континентальных районах умеренных и вы­ соких широт, и в результате снижают приход конденсационного тепла.

В нескольких исследованиях обсуждался вопрос о влиянии на климат изменений рельефа морского дна (Ewing and Donn, 1956, 1958 и др.; Рухин, 1958 и др.). Авторы этих работ предполагали, что четвертичные оледенения возникли в результате поднятия под­ водного горного хребта на севере Атлантического океана, прохо­ дящего от Шотландии к Исландии и Гренландии. Это поднятие ослабило перенос тепла Гольфстримом и привело к охлаждению полярных широт, где начали формироваться холодные и сухие воздушные массы. При взаимодействии этих масс с теплым и влажным морским воздухом происходило выпадение обильных твердых осадков, что привело к развитию континентальных лед­ ников.

В ряде работ рассматривался вопрос о влиянии на климатиче­ ские условия перемещений континентов и изменения положения полюсов земного шара.

Гипотеза о дрейфе континентов привлекла большое внимание в 20-е годы нашего века после опубликования известной работы Вегенера. Основываясь на этой гипотезе, Кеппен и Вегенер (Кбрpen, Wegener, 1924) построили реконструкцию климатов прошлого. В дальнейшем гипотеза движения материков вызвала большие возражения, но сейчас в несколько измененном виде она довольно широко используется в геологических исследованиях.

Вопрос о перемещении полюсов много раз обсуждался по ма­ териалам о палеомагнетизме (которые давали представление о по­ ложении магнитных полюсов в прошлом), а также на основе ана­ лиза обычных палеогеографических данных.

Выяснение этого вопроса оказалось связанным с большими трудностями из-за сложности согласования палеомагнитных мате­ риалов для различных континентов как друг с другом, так и с часто противоречащими им палеогеографическими данными.