Экология

http://geo.1september.ru/2004/36/5.htm

Стоит ли бояться накопления углекислого газа в тропосфере и озоновых дыр в стратосфере?

О.Г. СОРОХТИН академик РАЕН, Заслуженный деятель науки Российской Федерации, заведующий лабораторией Института океанологии РАН

Существуют, казалось бы, очевидные представления, которые как аксиомы часто принимаются на веру даже без критической проверки. Так, до Коперника и еще долго после него очевидным казалось, что именно Солнце вращается вокруг неподвижной Земли, а не Земля вокруг Солнца. Кто сомневался в этом, мог воочию наблюдать с утра до вечера за движением дневного светила по небосводу с востока на запад вокруг неподвижной Земли. Очевидно? Да. Но неверно. Аналогичная ситуация «очевидности» в настоящее время наблюдается и с идеей парникового эффекта*. Нам со школьной скамьи внушали, что за счет поглощения парниковыми газами тепла, идущего от прогретой поверхности Земли, нагревается и воздух над Землей. Это действительно так, но отсюда делался вывод, что чем больше в атмосфере таких газов, особенно углекислого газа, тем теплее воздух над Землей и тем теплее поверхность самой Земли. Но правильность этого еще надо проверить.

Идея о разогреве земной атмосферы парниковыми газами впервые была высказана в конце XIX столетия известным шведским ученым С. Аррениусом и с тех пор принимается на веру практически без проверки. Эта точка зрения и сейчас полностью доминирует в заключениях Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), организации «Гринпис», Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП), Всемирной метеорологической организации (ВМО), а также в выводах российских экологических и научных организаций. Эта же точка зрения была полностью поддержана решениями международных экологических конгрессов в Рио-де-Жанейро в 1992 г. и в Киото, Япония, в 1997 г. Согласно прогнозам сторонников этих идей, к 2100 году потепление климата может достигнуть 2,5—5 °C, а вызванное этим потеплением повышение уровня океана составит 0,6—1 м, что уже может создать определенные проблемы для густонаселенных районов континентальных побережий, а также для газо- и нефтедобывающих производств в низменных зонах большей части побережий севера России. Прогнозируются и другие губительные для природы последствия глобального потепления — расширение пустынь, исчезновение мерзлоты, эрозия почв и т.д. Опасения аналогичных катастрофических явлений и давление экологических организаций, а часто и просто спекуляции на эту тему заставляют правительства развитых стран выделять огромные средства на борьбу с последствиями потепления климата, якобы связанного с антропогенными выбросами в атмосферу «парниковых газов». А насколько справедливы эти расходы? Не воюем ли мы с ветряными мельницами? Теории парникового эффекта как таковой до последнего времени вообще не существовало, а все расчеты влияния концентрации СО₂ на климат Земли носили интуитивный характер и проводились по разным моделям, с введением в них многочисленных и не всегда правильно выбранных параметров. При этом часто считают, что чем большее число параметров вводится в модель, тем, мол, модель становится более реальной. В результате такое моделирование климатов Земли оказывалось вообще некорректным, поскольку на самом деле как раз наоборот: модель тем устойчивей, чем меньше в нее введено исходных параметров.

Основы адиабатической теории парникового эффекта

Парниковым эффектом атмосферы называется разность между средней температурой поверхности планеты и ее радиационной (эффективной) температурой**, под которой эта планета видна из космоса. Средняя температура по всей Земле в целом приблизительно равна +15 °С, а ее эффективная температура –18 °С, следовательно, парниковый эффект на Земле сейчас равен +33 °С. Так как Земля обладает сравнительно плотной атмосферой, в нижнем и наиболее плотном слое атмосферы — тропосфере, толщиной около 12 км, перенос тепла происходит не радиационным путем, как это представляют себе сторонники «классического» подхода к парниковому эффекту, а в основном благодаря конвективным движениям воздушных масс. Действительно, в плотной тропосфере, с давлением больше 0,2 атм. (около 200 гПа, или 150 мм рт. ст.), всегда доминирует вынос тепла воздушными потоками, то есть путем конвективного перемещения воздушных масс, при котором теплый воздух расширяется, становится более легким и поднимается вверх, а холодный, наоборот, сжимается, тяжелеет и опускается вниз. Радиационный же перенос тепла доминирует только в разреженных слоях стратосферы, мезосферы и термосферы. Отсюда следует первый вывод, что среднее распределение температуры в толще тропосферы должно быть близким к адиабатическому распределению, то есть учитывающим расширение и охлаждение воздуха при его подъеме, и, наоборот, сжатие и разогрев воздуха при его опускании. Конденсация влаги в тропосфере порождает облачность, а облачность является главным фактором, определяющим отражательную способность Земли (ее альбедо). Это создает сильную отрицательную обратную связь между приземной и радиационной температурами Земли, что приводит к стабилизации температурного режима тропосферы. Действительно, любое повышение приземной температуры усиливает испарение влаги и увеличивает облачность Земли, а это в свою очередь повышает альбедо планеты и отражательную способность земной атмосферы. В результате увеличивается отражение солнечного тепла от облаков в космос, а поступление тепла на Землю — сокращается, и средняя температура земной поверхности снижается до прежнего уровня. Для получения локальных климатических характеристик планеты в рассматриваемые модели следует ввести альбедо земной поверхности и привнос тепла циклонами. При таком подходе становится вполне понятным переохлаждение земной поверхности в зимнее время под антициклоническими областями. В таких условиях земная поверхность покрыта слоем снега с высоким альбедо, ее прогрев солнечным излучением оказывается незначительным; это приводит к переохлаждению воздуха и наступлению «трескучих морозов». При стоянии устойчивых антициклонов, то есть при отсутствии привноса дополнительной энергии более теплыми воздушными массами, в таких заснеженных регионах происходит общее переохлаждение тропосферы. Яркими примерами такого переохлаждения воздуха могут служить условия, возникающие в центральных районах Антарктиды, чему неоднократно был свидетелем и автор данной статьи, а также зимой в Якутии и Верхоянье. Но как только антициклонический режим в тропосфере сменяется циклонической деятельностью, сразу же восстанавливается конвективное перемешивание воздушных масс, происходит потепление и в среднем вновь приблизительно восстанавливается рассмотренное здесь адиабатическое распределение температуры. В летнее же время в таких антициклонических областях с сухим воздухом, но без снежного покрова, наоборот, происходит перегрев приземных слоев тропосферы приблизительно на 4—5 °С и даже выше, со всеми симптомами засухи, что часто случается, например, в степях нашего Заволжья.