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

30 Глава 1. Введение

Высказывалось мнение, что положение полюсов в кайнозойское время и на протяжении большей части мезозойского времени было близким к современному, но в более ранние эпохи заметно изменялось. Эта концепция была использована в реконструкции климатов прошлого, выполненной Н. М. Страховым (1960). Авторы других исследований допускают, что заметное перемещение полю­ сов имело место и в более позднюю эпоху.

Изменения астрономических факторов. Французский математик Адемар (Adhemar, 1842) впервые указал на то, что изменения эле­ ментов земной орбиты могли быть причиной развития оледенений. В дальнейшем эту концепцию разрабатывали Кролль и другие авторы, причем наиболее полно она была рассмотрена в работах Миланковича (Milankovich, 1920, 1930, 1941).

Для объяснения изменений климата в четвертичное время Миланкович использовал материалы расчетов векового хода трех астрономических элементов: эксцентриситета земной орбиты, на­ клона земной оси к плоскости эклиптики и времени предварения равноденствий в результате прецессии земной оси (т. е. даты наибольшего приближения Земли к Солнцу в годовом ходе). Все эти элементы изменяются во времени из-за влияния Луны и дру­ гих планет на движение Земли, причем период изменений эксцен­ триситета составляет около 92 тыс. лет, наклона оси — около 40 тыс. лет, предварения равноденствий — около 21 тыс. лет.

Хотя колебания указанных здесь элементов не влияют на ко­ личество солнечной радиации, приходящей на внешнюю границу атмосферы для Земли в целом, они изменяют суммы радиации, получаемые различными широтными зонами в отдельные сезоны года.

Миланкович разработал приближенную теорию радиационного и термического режима атмосферы, из которой следовало, что в зависимости от соотношения указанных здесь астрономических элементов температура воздуха у земной поверхности в теплое время года в умеренных и высоких широтах может изменяться на несколько градусов.

Такое изменение обычно в большей или меньшей степени со­ впадало с обратным по знаку изменением температуры за холод­ ный период года, однако, как известно из эмпирических исследо­ ваний, режим оледенений в основном зависит от температуры теплого периода (когда ледники тают). Термические условия хо­ лодного сезона оказывают гораздо меньшее влияние на ледяной покров.

Используя материалы расчетов астрономических элементов за четвертичное время, Миланкович предположил, что периоды сни­ жения температуры теплого времени года в зоне, где главным образом развивались оледенения (60—70° широты), соответство­ вали ледниковым эпохам, а периоды повышения температуры — интервалам между ними.

Первое сопоставление результатов расчетов Миланковича с климатическими условиями четвертичного времени сделал Кеппен, заключивший, что выводы Миланковича хорошо согласуются с историей четвертичных оледенений (Корреи, Wegener, 1924). В дальнейшем такие сопоставления проводились многими авто­

вызвал оживленную дискуссию, продолжающуюся до настоящего времени.

Входе этой дискуссии было сделано несколько попыток пост­ роить численные модели развития оледенений, применение которых

.позволяло бы оценить изменения размеров полярных ледяных по­ кровов при колебаниях положения земной поверхности в отноше­ нии Солнца.

Вряде случаев такие попытки приводили к выводу о несущест­ венности влияния астрономических факторов на развитие оледе­ нений, что, по-видимому, объяснялось отсутствием учета в соот­

ветствующих моделях обратной связи между ледяным покровом и термическим режимом атмосферы. Принимая во внимание эту обратную связь, удалось показать, что изменения положения земной поверхности в отношении Солнца оказывают существенное

nekar, 1972) были выполнены новые расчеты векового хода астро­ номических элементов, влияющих на распределение солнечной радиации в различных широтных зонах.

В ряде исследований рассматривается вопрос о возможности влияния на климат изменений астрономической солнечной постоян­ ной. В отличие от метеорологической солнечной постоянной, т. е. потока коротковолновой радиации на верхней границе тропосферы, которая несомненно изменяется при колебаниях прозрачности стратосферы, существование длительных изменений астрономиче­ ской солнечной постоянной (т. е. энергии, излучаемой Солнцем) нельзя считать доказанным.

Неоднократно делались попытки обнаружить короткопериоди­ ческие колебания солнечной постоянной по материалам астрономи­ ческих наблюдений. В нескольких исследованиях был получен вывод, что такие колебания существуют, причем солнечная посто­ янная несколько возрастает при среднем уровне солнечной актив­ ности и уменьшается при низкой и высокой активности Солнца (т. е. при очень малом и очень большом количестве солнечных пятен).

Другие авторы (Allen, 1958; Angstrom, 1969, и др.) считают,

что если изменения солнечной постоянной и имеют место, то они не превосходят точности имеющихся измерений.

32 Глава 1. Введение

Доказать наличие изменений солнечной постоянной в прошлом для периодов, соответствующих продолжительности различных колебаний климата, очень трудно. Тем не менее гипотеза о таких изменениях использовалась в нескольких исследованиях, из кото­

Симпсон считал, что солнечная постоянная периодически из­ менялась во время четвертичного периода, причем при ее увели­ чении росло испарение, возрастало количество осадков и повыша­ лась температура воздуха, а при ее уменьшении значения этих элементов климата убывали. Симпсон предположил, что при мак­ симуме радиации имели место теплые и влажные межледниковые эпохи, а при минимуме — холодные и сухие.

Континентальные оледенения, по мнению Симпсона, возникали в периоды увеличения солнечной радиации, когда возрастал тем­ пературный градиент между полюсом и экватором и усиливалась атмосферная циркуляция, что увеличивало испарение, облачность и осадки. Рост облачности ограничивал повышение температуры, что при возросшем количестве осадков способствовало развитию ледников в высоких широтах.

При увеличении радиации до ее максимального значения про­ исходило повышение температуры, в результате чего ледники раз­ рушались, затем дальнейшее понижение радиации приводило к повторению цикла оледенения, которое исчезало при значитель­ ном уменьшении радиации, когда пониженные из-за убывания испарения осадки становились недостаточными для поддержания оледенений.

Эпик исходил из предположения о связанных с нестабиль­ ностью излучения Солнца изменениях солнечной постоянной на величину, превышающую 20%, причем максимум радиации имел место в третичное время, а минимумы —в эпохи четвертичных оледенений. Используя разработанную им численную модель тер­ мического режима, Эпик вычислил изменения температуры, соот­ ветствующие указанным колебаниям солнечной постоянной, и за­ ключил, что таким способом можно объяснить главные законо­ мерности изменений климата.

Хотя предположение о том, что Солнце является переменной звездой, высказывалось неоднократно, оно, однако, не разделя­ ется большинством астрономов (Mitchell, 1965).

В ряде работ рассматривался вопрос о возможности изменений солнечной радиации, получаемой Землей, в результате прохожде­ ния солнечной системы через туманность, вещество которой или ослабляет доходящее до Земли солнечное излучение, или, падая на поверхность Солнца под действием силы притяжения, усили­ вает солнечное излучение. Обе эти гипотезы, высказанные раз­ личными авторами, не получили широкого признания и редко ис­ пользуются в исследованиях изменений климата.

Кчислу внутренних факторов климата следует отнести также

ихарактеристики состояния океана и ледяных покровов на суше

иводоемах.

Очевидно, что генезис климата в широком смысле слова охва­ тывает не только процессы, происходящие в атмосфере, но также и физические процессы в гидросфере, и весь комплекс гидрометео­ рологических процессов на поверхности суши, включая развитие оледенений, если оно имеет место.

Таким образом, под подстилающей поверхностью как фактором климатообразования следует понимать строение рельефа, которое определяет размеры поверхности и глубины морей и океанов, а также размеры поверхности и высоты континентов. Изменения подстилающей поверхности, связанные, например, с оледенениями, хотя и могут в частных исследованиях рассматриваться как фак­ тор генезиса климата данной эпохи, при общей постановке про­ блемы должны считаться одним из элементов климата, обуслов­ ленным теми же внешними климатообразующими факторами — приходящей радиацией, строением рельефа и составом атмо­ сферы.

Рассматривая систему атмосфера—океан—ледяной покров, сле­ дует поставить вопрос: могут ли климатические условия в этой си­ стеме изменяться при постоянных внешних факторах климата?

Этот вопрос изучался Лоренцом (Lorenz, 1968 и др.) на осно­ вании анализа уравнений теории климата. Лоренц указал, что воз­ можны два различных варианта решения этих уравнений. Первый из них дает один тип устойчивого климата, который получается

врезультате осреднения мгновенных состояний полей метеороло­ гических элементов за длительный период времени. Такой климат, названный Лоренцом транзитивным, является однозначным для рассматриваемых внешних условий.

Второй вариант решения дает несколько типов устойчивого климата, каждый из которых относится к тем же внешним усло­ виям (интранзитивный климат). В таком случае климат может существенно изменяться без видимых внешних причин.

Некоторые соображения об однозначности климата приведены

вследующей главе.

Лоренц высказал интересную идею о том, что современный климат может быть «почти интранзитивным», т. е. что климат, определенный для длительного, но конечного интервала времени, может зависеть от начальных условий и, следовательно, разли­ чаться для различных периодов времени при неизменных внешних факторах. Вопрос о том, является ли современный климат «почти интранзитивным», пока еще не разрешен.

Наряду с проблемой транзитивности климата существенное значение для понимания изменений климата имеет выяснение воз­ можности развития автоколебательных процессов в системе атмо­ сфера—океан—ледяной покров.

36 Глава 1. Введение

Состояние проблемы. Хотя кроме упомянутых предположений о факторах изменений климата существует ряд гипотез, которые по разным причинам реже применяются в современных исследо­ ваниях, приведенного перечня достаточно для иллюстрации зна­ чительных различий в мнениях отдельных авторов о причинах изменений климатических условий.

Отсутствие более или менее общепринятых взглядов по этому вопросу отмечается во всех современных обзорах исследований изменений климата (Schwarzbach, 1950, 1961, 1968; Sellers, 1965; Синицын, 1967; Mitchell, 1968; Shell, 1971 и др.).

С нашей точки зрения, такое положение было неизбежным для определенной стадии изучения изменений климата, когда многие аспекты этой проблемы рассматривались главным образом каче­ ственно, без применения сколько-нибудь надежных количествен­ ных расчетов.

Можно думать, что точная оценка имеющихся в этой области гипотез будет достигнута только после создания общей теории климата, теории эволюции атмосферы, океана, верхних слоев лито­ сферы и теории эволюции Солнца. Поскольку достаточное для рассматриваемой цели развитие этих теорий может отнять десятки лет, возникает необходимость разработки приближенных методов исследования изменений климата, при помощи которых можно получить количественные оценки действия на климат тех факто­ ров, влияние которых на процесс его изменений более или менее очевидно. Если учет этих факторов окажется достаточным для объяснения установленных в эмпирических исследованиях основ­ ных закономерностей изменений климата, то это уменьшит потреб­ ность в привлечении дополнительных гипотез для объяснения изу­ чаемых процессов.

Как отмечено выше, создание метода количественного расчета изменений климата является в настоящее время актуальной зада­ чей не только для изучения климатов прошлого, но главным образом для расчета возможных изменений климата, которые в результате дальнейшего развития хозяйственной деятельности человека могут произойти в ближайшие десятилетия. В связи с этим необходима неотложная разработка численных моделей изменений климата, основанных на современных материалах и методах физической климатологии.

По-видимому, имеются различные пути для решения этой задачи. Один из них, связанный с использованием материалов по энергетическому и водному балансам Земли, развивался в работах автора и его сотрудников, выполненных на протяжении последних лет. В следующих главах монографии излагаются основные ре­ зультаты этих исследований.

Глава 2

ГЕНЕЗИС КЛИМАТА

2.1.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ЗЕМЛИ

Впредыдущей главе было отмечено, что климат Определяется солнечной радиацией, приходящей на внешнюю границу атмо­ сферы, составом атмосферы и строением земной поверхности. Для изучения процессов, связывающих климатические условия с этими факторами, иначе говоря, для объяснения генезиса климата боль­ шое значение имеют материалы об энергетическом балансе Земли. Эти материалы характеризуют преобразования солнечной энергии

ватмосфере, в океанах и на земной поверхности.

Составляющие энергетического баланса. Задача исследования энергетического (теплового) баланса Земли была поставлена в 80-х годах прошлого века выдающимся русским климатологом А. И. Воейковым. В дальнейшем большой вклад в развитие этих исследований внесли В. Шмидт, А. Онгстрем, Г. Свердруп и Ф. Альбрехт.

Начиная с 1945 г. систематические исследования энергетиче­ ского баланса Земли проводились в Главной геофизической об­ серватории им. А. И. Воейкова, где были подготовлены два миро­ вых атласа энергетического баланса (Атлас теплового баланса, 1955; Атлас теплового баланса земного шара, 1963) и получен ряд других материалов о географическом распределении состав­ ляющих баланса, изложенных в работах автора (Будыко, 1956, 1971) и других изданиях.

В этих работах содержатся сведения о всех составляющих энергетического баланса, входящих в уравнение теплового баланса

где R — радиационный баланс земной поверхности, LE — затрата тепла на испарение (L — скрытая теплота парообразования, Е — испарение), Р — турбулентный поток тепла от подстилающей по­ верхности к атмосфере, А — поток тепла от подстилающей по­ верхности к нижележащим слоям.

Наряду с материалами о тепловом балансе земной поверхности в названных выше работах были получены данные о компонентах теплового баланса системы Земля—атмосфера, т. е. теплового баланса вертикальной колонны единичного сечения, которая

проходит через атмосферу и океан (или на континентах через ат­ мосферу и верхние слои литосферы).

Уравнение теплового баланса системы Земля—атмосфера имеет вид

где Rs —радиационный баланс системы Земля — атмосфера; Fs— разность прихода и расхода тепла в указанной выше колонне в результате горизонтальных движений в атмосфере и гидросфере.

считается пропорциональным величине осадков г; Bs— изменение теплосодержания в вертикальной колонне, проходящей через си­ стему Земля—атмосфера, которое определяется главным образом нагреванием и охлаждением верхних слоев океана.

Радиационный баланс земной поверхности R равен разности поглощенной коротковолновой радиации на земной поверхности и эффективного длинноволнового излучения, а радиационный баланс системы Земля—атмосфера Rs— разности солнечной радиации, поглощенной в системе Земля—атмосфера, и длинноволнового из­ лучения на внешней границе атмосферы, уходящего в мировое пространство. Величины R и Rs в уравнениях (2.1) и (2.2) счи­ таются положительными, когда они соответствуют приходу тепла, все остальные члены этих уравнений — когда происходит расход тепла.

При изучении энергетического баланса необходимо использо­ вать сведения о водном балансе Земли, составляющие которого

где f — для условий суши сток, для водоемов горизонтальное пе­ рераспределение воды; b — изменение влагосодержания в верхних слоях литосферы или для водоемов изменение количества воды из-за колебания их уровня.

В этом уравнении г всегда положительно, Е и f положительны, когда они характеризуют расход воды, b — при увеличении коли­ чества воды в почве или в водоеме.

Приведем результаты расчетов составляющих теплового ба­ ланса Земли, основанных на использовании мировых карт из «Ат­ ласа теплового баланса земного шара» (1963).

По материалам этих карт были рассчитаны средние широтные значения составляющих теплового баланса поверхности континен­ тов, океанов и Земли в целом. Результаты такого расчета пред­ ставлены в табл. 3.

Данные этой таблицы показывают, что только один член теп­ лового баланса — радиационный баланс — имеет аналогичное ши­ ротное распределение на суше и океанах. Как на континентах,

Таблица 3

Средние широтные величины составляющих теплового баланса поверхности Земли (ккал/(см2 • год))

так и на океанах максимальные значения радиационного баланса наблюдаются в тропиках, причем в пределах тропических широт средние широтные величины радиационного баланса почти по­ стоянны.

Обращает на себя внимание изменение с широтой разности между значениями радиационного баланса суши и океанов. Ука­ занная разность максимальна в тропической зоне, где она состав­ ляет около одной трети величины радиационного баланса океа­ нов. С повышением широты радиационные балансы суши и океа­ нов сближаются и на широтах 50—70° становятся практически одинаковыми. Одна из причин такой закономерности заключается в увеличении среднего альбедо водной поверхности с ростом широты.

Средние широтные величины затраты тепла на испарение на суше имеют главный максимум на экваторе, который сменяется уменьшением величин испарения на широтах пояса высокого дав­ ления. С ростом широты в обоих полушариях намечается некото­ рое увеличение испарения (более заметное в северном полуша­ рии), обусловленное возрастанием осадков по сравнению с сухой зоной более низких широт. При дальнейшем увеличении широты затрата тепла на испарение убывает в связи с недостатком тепла.

На океанах в противоположность условиям континентов макси­ мальные среднеширотные величины затраты тепла на испарение