В предыдущей главе мы проанализировали зависимость самых различных сторон деятельности человека от климата. Вместе с тем дальнейшее развитие хозяйственной деятельности приводит ко все возрастающему влиянию человека на окружающую среду и климат. Другими словами, обретают силу антропогенные факторы. Следует, по-видимому, различать два типа воздействия на климат: непреднамеренное — в результате хозяйственной деятельности и намеренное — с целью изменения климата в нужном человеку направлении.

Непреднамеренное воздействие человеческой деятельности на климат началось уже давно. Осваивая новые территории, вырубая и выжигая леса, распахивая земли, засаживая территории различными видами растительности, человек неосознанно менял характер подстилающей поверхности, ее альбедо и тем самым способствовал изменению теплового баланса системы Земля—атмосфера.

В настоящее время создаются новые водохранилища и каналы, изменяются русла крупных рек, осушаются болота, продолжают вырубаться леса и др. На характере подстилающей поверхности сказывается эрозия почв. Все это влияет не только на альбедо, но и на газовый обмен с атмосферой, влаго- и теплообмен атмосферы и подстилающей поверхности.

Среди химических газов, меняющих газовый состав атмосферы, особая роль отводится CO2, который, поступая в атмосферу, создает тепличный эффект. При возрастающей скорости поступления газа в ближайшие 100 лет его воздействие на климат может стать ощутимым.

В атмосферу поступают и фотохимически активные малые примеси: фреоны, фтористые, бромистые и хлорные соединения, которые разрушают озонный слой и влияют на тепловой режим планеты. Целый ряд химически активных малых примесей, таких, как окислы азота, те же фреоны и др., обладает свойствами поглощать солнечную радиацию и тем самым воздействовать на тепловой режим атмосферы, либо уменьшая метеорологическую солнечную постоянную, либо увеличивая действие тепличного эффекта.

В связи с ростом населения и объема производства, развитием энергетики возрастает поступление в атмосферу тепловых выбросов. Оно уже сейчас ощутимо в крупных городах и промышленных центрах. Вполне естественно, что в дальнейшем этот процесс усилится. Отсюда крайне важно знать, как тепловые выбросы повлияют на погоду и климат.

Можно указать еще несколько видов человеческой деятельности, которые могут отразиться на климате. К ним относятся: загрязнение океана нефтяными продуктами, нарушающее тепло- и влагообмен между атмосферой и океаном, воздействие на облака с целью стимулирования осадков, сжигание топлива, увеличивающее выброс в атмосферу водяного пара, действие оросительных систем, повышающее испарение и др.

Пагубное воздействие на климат могут оказать испытания ядерного оружия, способствующие образованию и накапливанию в атмосфере аэрозоля, окислов азота, радиоуглерода и других компонентов, разрушающих озонный слой, и др. В настоящее время ни теоретическая база, ни уровень технических возможностей не позволяют ставить задачу намеренного воздействия на климат. Однако в будущем эта задача может оказаться посильной для человечества.

Влияние топливно-энергетического комплекса на климат

Несомненно, развитие основных отраслей экономики в значительной мере будет обусловлено развитием топливно-энергетического комплекса, функционирование которого, с одной стороны, зависит от климатических условий, а с другой — влияет на окружающую среду и климат. Существует по крайней мере несколько видов воздействия топливно-энергетического комплекса на климат.

Прежде всего это выбросы в атмосферу аэрозолей, из которых наибольшее значение имеют сажа и продукты сгорания в виде соединений серы. Второй вид — поступление в атмосферу радиационно-активных малых газовых компонентов в результате сжигания химического топлива. Сюда относятся углекислый газ и окислы азота, влияющие на углеродный и азотный циклы в системе атмосфера—океан—биосфера—почвы суши. Следующий вид — воздействие на подстилающую поверхность.

Наиболее важным видом воздействия топливно-энергетического комплекса на погоду и климат некоторые авторы считают влияние тепловых выбросов непосредственно в атмосферу и океаны. При любых оценках влияния топливно-энергетического комплекса на погоду и климат важно иметь правильное представление о тенденциях развития топливно-энергетической базы в мире.

На рис. 18 приведен график, иллюстрирующий суммарное потребление энергии в мире. В среднем оно составляет 2% в год. Эта цифра принципиально важна для оценки тенденций будущего роста энергетических мощностей, поскольку некоторые исследователи явно завышают процент до 4, а то и до 6.

Основным источником топлива в настоящее время является каменный уголь. По данным международного Института системного анализа на 1974 г. мировые запасы угля всех сортов, от антрацита с теплотворной способностью 8000 ккал/кг до бедных углей с теплотворной способностью 3500 ккал/кг или менее, составили 1,0754·1013 т, что эквивалентно запасам 8,4·1011 т угля с теплотворной способностью 7000 ккал/кг.

Академики В. А. Кириллин и М. А. Стырикович общие запасы условного топлива, включая нефть и газ, оценивают в 1,29·1013 т. Считается, что на 80% условное топливо состоит из каменного угля.

Рис. 18. Рост производства энергии в мире по данным энергетического проекта международного Института системного анализа.

1 — средний рост потребления энергии; 2 — фактический

Рис. 19. Характеристика предполагаемого роста различных источников топлива в мире

В 1975 г. по материалам Академии наук США запасы энергетических ресурсов исчислялись так: жидкая нефть, натуральный газ и уголь соответственно 10,55·1021, 7,60·1021, 276,2·1021 Дж (в сумме 294,35·1021 Дж), т. е. на долю угля, нефти и газа приходится соответственно 94,2, 3,5 и 2,3% общей суммы.

Все это позволяет сделать следующие выводы:

основными продуктами сжигания топлива в будущем будут продукты сжигания угля;

добыча топлива и его сжигание будут осуществляться в нескольких крупных регионах мира и неравномерно распределятся на поверхности Земли. Эти два обстоятельства крайне важны при оценке воздействия топливно-энергетического комплекса на климат.

Наиболее вероятное годовое потребление энергии в мире в 1985, 2000 и 2025 гг. эксперты оценивают соответственно 329·1018, 567·1018 и 1238·1018 Дж.

Более детальный анализ указывает на следующую динамику развития топливно-энергетического комплекса. Если потребление дерева в качестве источника топлива в начале XIX в. составляло 90%, то теперь оно снизилось до 10%. Удельный же вес угля сейчас близок к 50%, а нефти и газа — к 30%. На долю гидроэнергетики падает не более 10—12%.

Ожидаемое распределение источников энергии приведено на рис. 19. Очевидно, что вклад нефти и газа в ближайшие 30—50 лет будет существенным. В результате возрастет роль угля, возобновляемых источников энергии (Солнце, ветер, геотермальное тепло и др.). Роль гидроэнергетики, по-видимому, останется на прежнем уровне.

С этих позиций, а также с позиций учета предполагаемого роста населения и потребления энергии на душу населения следует оценить тенденции роста энергетических мощностей в мире и возможные климатические изменения, вызываемые этим ростом.

В настоящее время по уровню потребления энергии можно выделить три группы стран (табл. 10).

Как видим, в большинстве стран — низкий уровень потребления энергии. Но именно в них наиболее интенсивно растет население. В связи с этим проблема обеспечения продовольствием, водой, сырьем, промышленными и другими товарами будет зависеть от состояния топливно-энергетической базы.

Уже сейчас можно попытаться оценить влияние энергетических нагрузок на климат, считая, что большая часть произведенной энергии перейдет в тепло и будет выброшена либо целиком в атмосферу, либо частично в атмосферу, а частично в воды суши и океана.

Некоторые исследователи утверждают, что в ближайшие десятилетия будет достигнут тепловой барьер и климат резко потеплеет. Чтобы заметно повысить среднюю температуру атмосферы, и то в региональном масштабе, нужно затратить энергию не менее 300—500 ТВт. При этом тепловая нагрузка в среднем по полушарию составит не более 0,1 Вт/м2 по сравнению с энергией в 350 Вт/м2, приходящей на верхнюю границу атмосферы от Солнца. Если же равномерно распределить тепловую нагрузку в 100 ТВт по земному шару, то в среднем она составит всего 0,02 Вт/м2, а при реальных тепловых нагрузках — тысячные доли. Из уравнения теплового баланса для сферы вытекает, что этот вклад пренебрежимо мал и практически не повлияет на среднюю глобальную температуру.

Таблица 10. Среднее потребление энергии в мире (на 1970 г.)

Хорошо известно, что уже сейчас тепловые нагрузки концентрируются крайне неравномерно. Так, в Манхеттене (США) средние тепловые нагрузки достигли 150 Вт/м2. В таких городах, как Будапешт и др., они составляют порядка 30—40 Вт/м2. Это приводит к образованию островов тепла. Температура воздуха в центре на 3—4°, а в холодное полугодие на 5—6° С выше, чем в окружающих районах. Однако имеются уже целые районы, например территория Японии, Рурский регион, Восток США и др., где тепловые нагрузки составляют 5—6 Вт/м2 на площади, размеры которой сопоставимы с масштабами синоптических возмущений.

При анализе климатообразующих факторов мы подчеркивали, что если для подогрева атмосферы необходимы колоссальные источники энергии в десятки и сотни ватт на квадратный метр над всей поверхностью планеты, то для генерации кинетической энергии и воздействия таким путем на динамический режим атмосферы (на ее циркуляцию) достаточно энергии в 2—3 Вт/м2 на ограниченной территории, сопоставимой по площади с масштабами синоптических возмущений. В результате средняя глобальная температура не изменится, но может произойти перераспределение энергии вследствие изменения режима общей циркуляции атмосферы. Как уже говорилось, развитие энергетической базы идет именно по пути концентрации источников тепловых выбросов в ограниченных регионах.

Первые численные эксперименты с целью оценки влияния тепловых выбросов на погоду и климат были выполнены Д. Вашингтоном в США на базе модели общей циркуляции атмосферы Национального центра атмосферных исследований в Боулдери (Колорадо). Первоначально Д. Вашингтон равномерно распределил тепловую нагрузку, оценив ее в 24 Вт/м2, по территории всей суши и районов, покрытых льдом. При этом средняя глобальная поверхностная температура повысилась на 1—2°, а в районе Канады и некоторых других районах высоких широт даже на 8° С.

В дальнейших экспериментах, выполненных в разных странах, в том числе и в СССР, источники тепла распределялись в конкретных регионах. Например, общий выход энергии в 300 ТВт на площади около 400 тыс. км2 в двух районах, к юго-западу от Ирландии и в районе Японии, изменил режим погоды на всей сфере. Средняя тепловая нагрузка при этом на указанной площади составляла 375 Вт/м2. При уменьшении этой нагрузки вдвое (суммарная 150 ТВт) климатический эффект был меньше, но и он оказался существенным.

В численных экспериментах автора с моделью общей циркуляции ГГО тепловая нагрузка принималась на площади порядка 106 км2 в районе Востока США в центре равной 300 Вт/м2 с уменьшением к границам района до нуля. Средняя тепловая нагрузка для всего района при этом равнялась 100—150 Вт/м2, а общая нагрузка порядка 125 ТВт. Результаты моделирования режима погоды за 50 сут., в течение которых удерживался заданный источник тепла, позволили сформулировать следующие выводы.

1. В районе тепловых выбросов появился мощный и непрерывно существующий остров тепла с температурой в центре на 12° С выше, чем за пределами района.

2. Изменение режима погоды при наличии тепловых выбросов по сравнению с ее режимом без теплового воздействия было весьма существенным в ряде районов Евроазиатского и других континентов, другими словами, эффекты воздействия через полтора месяца распространились практически по всему северному полушарию.

3. В тропической зоне сформировались новые области интенсивных ливневых осадков, которых не было в контрольном численном эксперименте без воздействия источников тепла.

4. Средняя глобальная температура за счет непосредственного теплового выброса при принятом источнике в 125 ТВт не должна была повыситься. Тем не менее по данным расчетов она несколько повысилась, что связано с увеличением тепличного эффекта, вызванного повышением содержания водяного пара. Это указывает на возможность появления вторичных эффектов и важность их учета.

Однако во всех этих экспериментах антропогенные тепловые выбросы завышались минимум на порядок. Принимаемые в моделях тепловые нагрузки могут быть достигнуты не ранее середины или конца следующего столетия. При возможных тепловых выбросах в ближайшее десятилетие, по-видимому, никаких глобальных изменений не произойдет, но региональные и локальные эффекты будут ощутимы. Наиболее реальным в перспективе представляется не потепление климата, а изменение циркуляционного режима атмосферы и увеличение повторяемости климатических аномалий.

Для оценки влияния развивающегося топливно-энергетического комплекса на подстилающую поверхность следует проанализировать характер добычи топлива.

В настоящее время уголь добывается вблизи поверхности, хотя данный способ не соответствует прогнозным оценкам запасов этого источника топлива.

При добыче 1 млн. т угля при глубине залегания пластов 1—2 м разрушается около 5 км2 земель, а при глубине залегания 12 м — в 6—8 раз меньше. При глубине разработки 45—100 м на каждый миллион тонн угля разрушается всего около 0,1 км2 земли. Подсчитано, что в США на 1965 г. открытые разработки занимали 124 тыс. км2 плюс 1300 км2, занятые под подъездные пути. При вероятном увеличении доли глубинных разработок угля со временем, очевидно, будет разрушаться меньше земель, чем сейчас.

Таким образом, развитие топливно-энергетического комплекса, по-видимому, будет связано с изъятием из обращения значительных площадей, изменением альбедо и свойств шероховатости нескольких сотен тысяч квадратных километров земель. Этот эффект следует рассматривать с учетом других путей антропогенного воздействия на подстилающую поверхность.

Вполне вероятно, что опасность загрязнения атмосферы существенно активизирует использование энергии Солнца и ветра. В настоящее время вся энергия, производимая в мире, составляет менее 1% генерируемой в атмосфере кинетической энергии и менее 1/10 000 части энергии, поступающей в атмосферу от Солнца. Если предположить, что в будущем 25% общего количества энергии будет производиться за счет Солнца, то при общем производстве энергии, скажем, в 100 ТВт доля солнечной энергии составит 25 ТВт, т. е. в 4 раза меньше поступающей к нам от Солнца. И тем не менее изъятие такого количества энергии из естественного цикла превращения энергии в атмосфере при определенных условиях может сказаться на климате, скорее всего в региональном масштабе. Этот вопрос необходимо исследовать с помощью методов математического моделирования.

Такова в общих чертах современная научная оценка возможных воздействий топливно-энергетического комплекса на погоду и климат.

Влияние антропогенного роста CO 2 на климат

Эта проблема в настоящее время — одна из центральных и наиболее важных при оценке естественного цикла CO2 в системе океан—атмосфера—биосфера в условиях антропогенного воздействия.

В результате сжигания топлива в атмосферу ежегодно поступает около 5 млрд. т углерода. Чтобы изменить эту ситуацию, потребовалось бы коренным образом перестроить технологию использования энергетических мощностей и источников топлива, что, вероятно, трудно осуществить быстро и легко, поскольку проблема эта глобальная и связана со всей структурой мировой экономики. На углеродном цикле, помимо сжигания топлива, сказывается и воздействие человека на биосферу и океан. Все это серьезно усложняет проблему. К тому же еще не ясно, приведет ли увеличение CO2 к неблагоприятным последствиям для человека.

Как говорилось, общие запасы топлива оцениваются около 1,3·1013 т условного топлива (около (5—8)·1012 т чистого С). При сжигании угля, нефти и газа на 1012 Дж в атмосферу выделяется соответственно 87, 71 и 51 т CO2.

Фактические данные указывают, что с начала индустриального развития общества, с 1860 по 1975 г. концентрация CO2 увеличилась с 290 до 333 ppm, что в пересчете на углерод с 617,2 до 702,4 Гт. При коэффициенте перехода от C к CO2 3,664 это соответствует увеличению содержания CO2 в атмосфере с 2440 до 2574 Гт (в дальнейшем мы будем оговаривать цифры, относящиеся к C или CO2).

Всего за индустриальный период в атмосферу поступило свыше 240 Гт C (около 95 Гт за счет вырубки и сжигания лесов и 146 Гт непосредственно за счет сжигания ископаемого топлива). В то же время увеличение C в атмосфере оценивается в среднем порядка 85,2 Гт. Другими словами, менее половины CO2, поступившего в атмосферу за счет сжигания топлива, оставалось в атмосфере. Оставшаяся часть поглощалась океаном и биосферой. Более подробно эта картина иллюстрируется табл. 11. Если в 1960 г. годовой выброс C за счет сжигания ископаемого топлива составил, по данным различных авторов, 2,61—2,67 Гт/год, то в 1975 г. уже 4,8—5,0 Гт/год. В 1960 г. на долю угля, нефти и газа соответственно приходилось 56,2; 31,4 и 10,8% поступающего в атмосферу C. В 1975 г. соотношение между этими источниками было иным и составило 37,7; 44,1; 16,2 %. Однако приведенную динамику ни в коем случае нельзя экстраполировать на будущее, так как со временем особенно в конце текущего и в следующем столетии, роль угля вновь возрастет.

Таблица 11. Сопоставление между индустриальными выбросами CO2 и его действительным увеличением в атмосфере

Среднее 54% ± 15%

Рассматриваемая задача осложняется еще и тем, что имеются и другие источники антропогенного поступления CO2 в атмосферу: сжигание лесов, промышленной древесины и ее отходов, культивация земель, минеральные источники и т.д. За счет этого поступает дополнительно от 2 до 5 Гт C в год, а в сумме поток антропогенного C в атмосферу дает 7—10 Гт C в год. Всего в атмосфере остается 25—30% антропогенного C, на долю же океана и биосферы приходится около 70%.

Существует еще один антропогенный источник C — биосферного происхождения (воздействие на почву, растительность и др.). До середины нашего столетия за счет этого источника С поступало больше, чем от сжигания ископаемого топлива. Позже рост CO2 за счет сжигания ископаемого топлива стал преобладать. В настоящее время по данным радиоуглеродного анализа колец деревьев отношение C, поступившего за счет сжигания ископаемого топлива, к биосферному источнику антропогенного происхождения составляет 2:1.

Рис. 21. Результаты моделирования предполагаемого роста CO2 с учетом антропогенных источников в системе атмосфера—биосфера—океан.

а — скорость выброса антропогенного C; б — содержание C в атмосфере без воздействия на леса; в — то же, при условии ежегодной вырубки 1 % южных лесов

Рис. 20. Интенсивность антропогенного роста CO2 в атмосфере

Определить антропогенное влияние на общее содержание CO2 в атмосфере невозможно, если не исследовать в целом естественный цикл C в системе океан—атмосфера—биосфера при наличии двух источников — сжигания ископаемого топлива и воздействия на биосферу.

Прежде всего нужно охарактеризовать динамику во времени антропогенного поступления CO2 в атмосферу. Сделать это можно при знании роста добычи топлива, технологии очистки продуктов сжигания и процесса воздействия на биосферу, что само по себе пока еще не поддается точному прогнозу. Однако, принимая во внимание темпы роста населения и скорость роста добычи топлива, можно оценить роль антропогенных источников или, по крайней мере, диапазон изменений этих источников.

На рис. 20 приведен график, характеризующий скорость поступления CO2 в атмосферу при различной интенсивности антропогенных источников. Расчеты показывают, что изменение темпов роста от 6,53 (R0 = 0,0653) до 1,53% (R0 = 0,0153) сдвигает время наступления максимальной концентрации с середины следующего столетия к середине XXIV в. Сжигание всего разведанного химического топлива привело бы к увеличению максимальной концентрации CO2 в атмосфере, которая в 8—11 раз превысит концентрацию доиндустриального периода. Влияние океана и биосферы уменьшает эту концентрацию.

Определенное количество CO2, которое будет оставаться в атмосфере, и динамика этого процесса могут быть оценены на основе результатов математического моделирования углеродного цикла, которое осуществляется с помощью так называемых блочных (линейных, нелинейных, комбинированных) математических моделей. Наиболее оптимальны 5—6-блочные модели с указанными выше двумя антропогенными источниками. Атмосферу в этих моделях чаще всего рассматривают как единый резервуар. В ряде современных моделей атмосферу подразделяют на два резервуара, два блока с различными свойствами — тропосферу и стратосферу. Для атмосферы характерно хранение C в виде различных соединений (главное CO2).

Земная биосфера поглощает CO2 в процессе синтеза и хранит C в стволах деревьев, почве, перегное, листве и др. В современных моделях биосферу подразделяют на короткоживущую биоту с характерным временем перемешивания около 2,5 лет (листья, трава и др.) и долгоживущую с характерным временем перемешивания порядка 60 лет. В биосфере содержится около 835 Гт C, хотя по различным оценкам данная цифра несколько колеблется. Около 90% C сосредоточено в лесах.

Роль океана в цикле CO2, по мнению большинства исследователей, исключительна велика, поскольку он является основным источником C и хранителем излишков индустриального CO2. Обычно океан разделяют на два слоя: верхний, хорошо перемешанный толщиной порядка 75 м (деятельный океан), в котором содержится 600—750 Гт C (т. е. примерно столько же, сколько и в атмосфере), и глубинный, медленно перемешивающийся, в нем около 40 тыс. Гт C, т. е. примерно в 50 раз больше, чем в атмосфере и деятельном слое. Часть C глубинного океана находится в виде бикарбонатных ионов и около 1 тыс. Гт в виде растворенного органического вещества. Общее содержание C в почве колеблется от 1 тыс. до 3 тыс. Гт. Это объясняется различными оценками содержания торфа.

Между атмосферой, биосферой и океаном существует непрерывный обмен CO2, причем скорость его зависит от климатического режима. Так, скорость обмена CO2 между атмосферой и деятельным слоем океана обусловлена температурой воды. В результате в высоких широтах поток CO2 направлен в основном из атмосферы в океан, а в южных районах из океана в атмосферу. Наличие загрязняющих океан пленок нефти может уменьшить этот обмен.

Время полного обмена между глубинным океаном и его деятельным слоем порядка 300 лет, между деятельным слоем и глубинным океаном 4—6 лет. Между атмосферой и биосферой и биосферой и атмосферой время обмена соответственно 33 и 40 лет, а между атмосферой и деятельным океаном 5—6 лет.

Результаты математического моделирования углеродного цикла с моделями различной сложности зависят от типа и параметров модели, скоростей обмена и т.д. Однако общая качественная картина получается сходной. Результаты моделирования с одной из последних и наиболее полных моделей углеродного цикла, учитывающей влияние биосферы, иллюстрирует рис. 21. На рис. 21б, в приведены результаты моделирования при различных значениях параметра биологического роста (β), характеризующего скорость поглощения антропогенного CO2 биосферой. Чем больше β, тем больше антропогенного CO2 переходит в биосферу. После того как концентрация антропогенного C в атмосфере достигнет максимума, что происходит вслед за максимальным его выбросом, в атмосфере начинается спад концентрации. В пределе концентрация стремится к величине (порядка 10—20%), не намного больше имевшей место в доиндустриальный период в атмосфере. Однако максимальная концентрация C (CO2) в атмосфере будет в 5,5—7 раз выше, чем в предындустриальный период.

Равновесие наступает в результате перекачки антропогенного C в океан и биосферу к концу XXIII в. При этом CO2 увеличится в океане и во всех биосферных резервуарах (в рассматриваемой модели имелось 14 резервуаров, из них 8 биосферных). Основным поглотителем CO2 является все же океан. При этом между 2060 и 2260 г. в глубинном океане CO2 накапливается постоянно. Максимальная концентрация в глубинном океане и деятельном его слое достигает 41 021—42 456 Гт (в начальный период 38 420 Гт) в зависимости от β, т. е. от той доли антропогенного CO2, которую берет на себя биосфера.

К 2000 г. масса C в атмосфере достигнет 798,1—892,2 Гт в зависимости от параметров модели. Увеличение по сравнению с 1960 г. составляет 21—30%, что, возможно, несколько завышено, поскольку на 1975 г. при некоторых параметрах модель дает завышенные значения CO2 в атмосфере. Тем не менее к концу XX в. увеличение CO2 в атмосфере на 20—25%, по-видимому, реально. Двойная концентрация CO2 по данным этих экспериментов может быть достигнута в середине XXI в. или позже в зависимости от темпов антропогенного поступления CO2.

Время достижения максимальной (от четырех- до семи-восьмикратной) концентрации при разных параметрах модели колеблется для атмосферы между 2135 и 2195 г., для глубинного океана — между 2285 и 2345 г., а для деятельного слоя океана — между 2155 и 2170 г.

Приведенные оценки относятся к числу наиболее реалистичных. Однако рассматривая влияние антропогенного роста CO2 на климат, обратим внимание на дву-, трехкратное увеличение CO2. Дело в том, что для биосферы и человека многократное увеличение CO2 не представляет никакой опасности, а во многих отношениях, главным образом с точки зрения ускорения роста растений, оно даже выгодно. По существующим оценкам двукратное увеличение антропогенного CO2 может вызвать рост деревьев в течение следующих 200 лет.

Полосы поглощения углекислым газом тепловой радиации обладают пределом возможного поглощения. В связи с этим тепличный эффект (подъем температуры в нижней тропосфере) по мере роста концентрации CO2 после его двукратного увеличения замедляется и при возрастании концентрации более чем в 2—3 раза тепличный эффект проявляет себя примерно так же, как и при дву-, трехкратном увеличении CO2. Поэтому влияние роста CO2 обычно оценивают при дву-, трехкратном увеличении его в атмосфере, т. е. к середине или к концу следующего столетия (по мнению некоторых специалистов, для начала следующего столетия эта оценка явно завышена).

На рис. 22 приведены результаты численных экспериментов, выполненных в США. Как видим, рост концентрации CO2 более чем в 2 раза меняет результаты, при четырехкратном увеличении эффект заметен, но далее он ослабевает.

Практически все численные эксперименты указывают на рост температуры в нижней тропосфере и охлаждение атмосферы в верхней тропосфере и стратосфере. Вследствие этого увеличиваются вертикальный температурный градиент, неустойчивость атмосферы, конвективные движения, облачность и осадки. В результате возникающей здесь обратной связи (увеличение альбедо и отраженной радиации) роль тепличного эффекта уменьшается. Подъем температуры в полярных районах может достигать 8—10° С (в средних и низких широтах 1—2° С).

По оценкам различных моделей средняя для полушария величина повышения температуры за счет тепличного эффекта от 0,7—0,8 до 9,6° С у поверхности. Наиболее реальны, по-видимому, оценки тепличного эффекта в среднем для полушария у поверхности в 2—2,5° С при двукратном увеличении CO2.

Однако некоторые исследователи показали, что чистое увеличение температуры при удвоении концентрации CO2 составляет всего 0,25° С. Остальной же рост температуры обязан побочному тепличному эффекту, связанному с повышением испарения и увеличением содержания в атмосфере водяного пара, который обладает сам тепличным эффектом.

Какие же последствия могут быть вызваны увеличением CO2? Прежде всего — это возможное изменение режима осадков и испарения, потепление климата, наиболее сильное в высоких широтах, отступление снеговой линии, таяние ледников, нестабильность ледяного покрова, нарушение циркуляции атмосферы и океана, частые засухи.

На ряде отраслей народного хозяйства многие из этих изменений не обязательно скажутся отрицательно, для лесов и сельского хозяйства, наоборот, вероятен даже положительный эффект. Однако при потеплении климата и океана может увеличиваться поток CO2 в атмосферу. В этом случае может усилиться тепличный эффект, растаят континентальные льды, повысится уровень океана, будут затоплены прибрежные районы и др. Так, Болин считает, что при потеплении климата уровень океана начнет повышаться на 1 мм в год (за 100 лет на 10 см). По данным Гриббина, повышение уровня океана вследствие таяния льда в Антарктике составит 5 м за 300 лет. Эти оценки слишком приближенные. Тем не менее в любом случае, если научные исследования подтвердят вероятность того, что воздействие на биосферу и сжигание ископаемого топлива представят серьезную угрозу окружающей среде и климату, перед человечеством возникнет ряд серьезных проблем. Главная из них — замена ископаемого топлива альтернативными энергетическими источниками. Среди них основное место будут занимать ядерная, солнечная и ветровая энергия, энергия океана, геотермальное тепло. Большинство из этих источников энергии зависит от климата.

Рис. 22. Результаты модельных расчетов по изменению температуры в атмосфере при двукратном (а) и четырехкратном (б) увеличении CO2 в атмосфере

Имеются, однако, основания предполагать, что проблема CO2 при всей ее важности может оказаться и преувеличенной, а скорее всего даже не единственной при рассмотрении тепличного эффекта. Действительно, за 100 лет, с 1860 по 1960 г., количество CO2 в атмосфере возросло на 12—13%, но климат за это время не потеплел, а в последние десятилетия даже похолодал.

Помимо CO2 и другие малые примеси, например фреоны (хладоны), обладают тепличным эффектом. Фреоны — одна из разновидностей фторхлоруглеродных соединений. Они поступают в атмосферу вследствие их применения в разного рода промышленных и бытовых установках (рефрижераторы, холодильники, системы кондиционирования воздуха и др.) и при производстве товаров широкого потребления (аэрозольные упаковки — распылители парфюмерных и косметических товаров, инсектицидных препаратов, лаков, красок и т. п.).

В настоящее время около 85—87% общего производства фреонов попадает в атмосферу. Поскольку время жизни Ф-11 и Ф-12 соответственно 50 и 70 лет, они накапливаются в атмосфере, и в этом их главная опасность. По имеющимся оценкам в атмосферу с 1958 по 1975 г. выброшено около 2,9·106 т Ф-11 и 4,4·106 т Ф-12. При этом доля США составила соответственно 42 и 50%, а доля СССР всего 13 и 4,8%.

Фреоны оказывают двоякое действие на атмосферу. С одной стороны, они разрушают озонный слой и вызывают вследствие этого неблагоприятные биологические эффекты, с другой — подобно CO2 и некоторым другим малым примесям) (например, N2O, СН4, CCl2F2, NH3, водяному пару и др.), обладают тепличным эффектом.

Таблица 12. Сравнение возможных изменений концентрации фреонов и CO2 в будущем и связанные с этим изменения температуры у поверхности для двух вариантов будущего роста фреонов

Интенсивность полос поглощения инфракрасной радиации Ф-11 почти в 5 раз, а Ф-12 почти в 4 раз больше, чем интенсивность поглощения инфракрасной радиации группой полос CO2. Только из-за малой концентрации фреонов по сравнению с CO2 их эффект пока незаметен. На 1975 г. концентрация Ф-11 и Ф-12 в атмосфере составила соответственно 0,09 и 0,21 ppb (ppb — единица измерения, которая в 1000 раз меньше ppm). Расчеты показывают, что, если рост производства этих фреонов будет составлять соответственно 10 и 5% в год, через 100 лет их концентрация увеличится в 25441 и 310 раз. Если даже выпуск фреонов в атмосферу будет соответствовать нынешнему уровню, через 100 лет количество их в атмосфере возрастет в 120 раз. При сокращении выброса фреонов на 5% в год концентрация их через 100 лет увеличится всего в 2,2 раза.

Возможные изменения температуры при различных темпах роста фреонов, а также их сравнение с тепличным эффектом приведены в табл. 12.

Из данных таблицы, которые, безусловно, нуждаются в уточнениях, особенно в части поглощательных свойств фреонов, видно, что эффект влияния фреонов должен усиливать влияние тепличного эффекта за счет CO2. Тот факт, что этого пока не наблюдается, объясняется как малой концентрацией этих газов, так и влиянием других малых примесей, которые оказывают эффект, обратный тепличному. Поэтому существует необходимость совокупной оценки влияния всех малых примесей, в том числе обладающих способностью поглощать не только инфракрасную, но и ультрафиолетовую радиацию и компенсировать влияние тепличного эффекта.

В первую очередь сюда следует отнести азотный цикл в атмосфере в связи со сжиганием топлива, ядерными взрывами, внесением азотных удобрений и др. Образующиеся азотные соединения играют важную роль в фотохимии озона и поглощении коротковолновой солнечной радиации. Далее идет серный цикл. Выбросы в атмосферу серных соединений в результате деятельности человека почти целиком представляют двуокись серы. S окисляется в H2SO4 и в конечном итоге переходит в аэрозоль. Последний влияет на климат главным образом через стратосферный мелкодисперсный аэрозоль, состоящий из соединений S. Кроме того, образующаяся при соединении двуокиси серы с водой H2SO4 попадает в облака и осадки, а через них в почву, окисляя ее, и в водоемы, влияя на рыбный промысел.

Все эти факты заслуживают самого внимательного анализа при оценке воздействия малых компонентов на климат и в целом на окружающую среду.

Влияние антропогенного аэрозоля на климат

В связи с расширением хозяйственной деятельности человека поступление в атмосферу аэрозоля антропогенного происхождения существенно возросло. Учитывая темпы роста энергетики, можно ожидать, что к 2025 г. в атмосферу за счет сжигания угля и нефти поступит 1361,7 млн. т окислов серы, причем основным вкладчиком будет уголь (принимая во внимание, что содержание серы в нефти для различных географических районов колеблется от 0,14 до 2,22%, а в угле — от 0,71 до 3,19%). Наблюдения показывают, что концентрация аэрозоля в урбанизированных районах мира в среднем около 100 мг/м3. В 1960—1972 гг. в неурбанизированных районах средняя концентрация составляла около 20 мг/м3.

Проблема атмосферного аэрозоля антропогенного происхождения исключительно актуальна. Прежде всего это связано с его вредным медико-биологическим воздействием на окружающую среду. Мы остановимся лишь на влиянии антропогенного аэрозоля на климат. В этой проблеме важное значение приобретают следующие вопросы:

закономерности распределения аэрозолей по вертикали во времени в различных географических районах в зависимости от мощности и характеристики источников аэрозоля;

горизонтальный дальний перенос аэрозоля;

трансформация и химические превращения аэрозоля в атмосфере;

механизмы прямого влияния аэрозоля на радиационный баланс коротковолновой и длинноволновой радиации в атмосфере и количественная оценка этих механизмов;

воздействие этих механизмов (при наличии других) на климат.

В тропосфере сосредоточена в основном крупнодисперсная фракция аэрозоля, которая вымывается осадками, быстро оседает и в среднем находится во взвешенном состоянии от нескольких дней до недель, максимум месяцев. В стратосфере преобладает мелкодисперсный аэрозоль. Вследствие большой устойчивости стратосферы он может сохраняться от нескольких месяцев до 1—2 лет.

Некоторые компоненты аэрозоля, такие, как S, могут, окисляясь, превращаться в CaSO4, а затем, соединяясь с влагой, образовывать мелкодисперсный аэрозоль, состоящий из мельчайших капелек H2SO4. Именно стратосферный аэрозоль представляет наибольший интерес для оценки климатических изменений.

Известно, что над тропиками в стратосфере на высотах 15—20 км и несколько выше постоянно существует естественный аэрозольный слой со средним радиусом частиц порядка 0,3 мкм, состоящий в основном из соединений S. Источник естественного аэрозоля здесь — вулканическая деятельность.

Нормальный слой стратосферного аэрозоля составляет массу (M c ) порядка 0,2 млн. т. Количество же водяного пара в стратосфере оценивается в 2,6 млн. т, и этого количества вполне достаточно для поддержания реакции CaSO4 с влагой.

В настоящее время массу аэрозоля (М) принято оценивать по уменьшению приходящей прямой коротковолновой солнечной радиации (ΔT, %): для тропосферы Mт = 5·ΔT млн. т; для стратосферы M c = 1·1ΔT млн. т. Для нормального стратосферного слоя ΔT составляет примерно 0,2%. Эта величина была вычислена теоретически с допущением, что средний радиус частиц составит 0,3 мкм, и подтверждена экспериментально путем прямых измерений оптической прозрачности атмосферы во время извержения вулкана Агунг в 1963 г. и в предшествующий период.

В нормальном состоянии рассматриваемый слой не имеет сколько-нибудь существенного значения для климата. Для сравнения укажем, что в одном из самых чистых районов земного шара, на станции Мауна-Лоа на Гавайских островах, на высоте 3 км при ясном небе величина ΔT в 10 раз больше и составляет 2%, а масса всего аэрозоля порядка 10 млн. т. При крупных извержениях (например, вулкана Кракатау) ΔT достигает 20%. Общая масса вносимого в тропосферу аэрозоля (Мт) при этом оценивается в 100 млн. т, а в стратосферу (Мс) ~ 20 млн. т.

Мы отмечали, что в атмосферу попадает количество S, которое в пересчете на CaSO4 дает величину, сопоставимую с самыми мощными вулканическими извержениями. В будущем же за счет сжигания топлива ожидается поступление CaSO4, который на порядок может превышать эту величину (около 1360 млн. т/год). При этом не совсем ясно, какая часть вносимого аэрозоля будет мелкодисперсной фракцией, попадающей в стратосферу, и как долго она будет там находиться. Но даже если десятая часть приведенной величины превратится в мелкодисперсную фракцию стратосферного аэрозоля, его влияние будет сопоставимо с влиянием крупных вулканических извержений.

Каково же суммарное воздействие стратосферного аэрозоля? Это зависит от его поглощающих и рассеивающих свойств, которые не до конца изучены. Дело в том, что мелкодисперсный аэрозоль рассеивает коротковолновую радиацию и тем самым увеличивает альбедо атмосферы. Это приводит к эффекту охлаждения атмосферы. Многие исследователи объясняют прошлые похолодания климата стратосферным аэрозолем вулканических извержений. В то же время отмечено, что при извержении вулкана Агунг в 1963 г. температура стратосферы поднялась на 3°, что указывает на существенное поглощение радиации аэрозолем, а не только на ее рассеивание.

Высказывались предложения уменьшить приходящую солнечную радиацию, внося в стратосферу S и сжигая ее там. По мнению авторов такого проекта, для того чтобы изменить ΔT на 1% (суммарная радиация при этом изменится примерно на 0,3%), необходимо образовать в стратосфере 0,6 млн. т аэрозоля (капель H2SO4) в расчете на одно северное полушарие. При этом в стратосфере должно быть около 0,4 млн. т H2S, количество которого должно быть обеспечено путем; сжигания 0,2 млн. т S. Считая, что во взвешенном состоянии аэрозоль пребывает около двух лет, а не один год, нужно сжечь около 0,1 млн. т за год, что фактически возможно. (Однако имеются теоретические расчеты, показывающие, что количество потребной для достижения такого эффекта S занижено примерно на порядок.) Но вряд ли в этом есть и будет необходимость, поскольку и без того поступление аэрозоля в стратосферу превысит указанную величину.

В одной из последних работ американского климатолога Брайсона и др. на основе численных экспериментов с одной из разновидностей теплобалансовой модели показано, что одновременный учет роста CO2 и увеличения аэрозоля дает суммарный эффект уменьшения средней температуры атмосферы. В этом случае тепличный эффект CO2 перекрывается обратным воздействием аэрозоля.

В то же время имеются и другие оценки. Так, по данным английского климатолога Мейсена, расчеты, произведенные с наиболее современной 13-уровенной моделью, включающей тропосферу и стратосферу, привели к противоположным результатам. Включение стратосферного слоя пыли, достаточного для задержания 4% приходящей солнечной радиации, дало локальное потепление в стратосфере до 10° С вследствие поглощения радиации пылью. Но на уровне Земли заметного эффекта не наблюдалось. Автор считает, что на основании этого вряд ли можно утверждать, что более холодные эпохи климата в прошлом были вызваны извержениями вулканов. По-видимому, и роль аэрозоля в будущем не совсем ясна.

Так или иначе, но аэрозольный эффект не может рассматриваться изолированно от других факторов, влияющих на климат. Нельзя, в частности, не указать, что аэрозоль в тропосфере может влиять на микроструктуру облачности и осадки. Через облачность возможно изменение условий прохождения радиации в атмосфере и климата.

В стратосфере и особенно в верхней тропосфере (вблизи тропопаузы) за счет полетов самолетов увеличивается количество водяного пара. Так, при сжигании 1 кг топлива образуется около 1,2—1,4 кг водяного пара. При использовании водородного топлива на каждый килограмм сгораемого топлива будет образовываться около 8 кг водяного пара. При ожидаемом увеличении полетов самолетов к 2000 г. количество дополнительно вводимой влаги в стратосфере составит около 0,26 млн. т, т. е. около 10% количества влаги в стратосфере. Вносимая влага становится ядрами конденсации, на которые «перекачивается» вследствие разностей упругостей насыщения водяного пара надо льдом и водой влага из атмосферы. При определенных благоприятных условиях образуется перистая облачность (ее аналог — облачные следы за самолетами).

Таким образом, облачный аэрозоль антропогенного происхождения может воздействовать если не на глобальный, то на региональный климат. Так или иначе, проблема аэрозоля, и в особенности антропогенного, — одна из ключевых в современной теории климата.

Воздействие на подстилающую поверхность и климат

Человечество уже давно начало воздействовать на подстилающую поверхность, существенно меняя ее альбедо. Начался этот процесс на заре человеческой цивилизации. Первоначально он проявлялся в вырубке и выжигании лесов для высвобождения земли под пахоту и угодья. Так, площадь культивированных земель возросла с 500 млн. га (5·106 км2) в 1860 г. до 1,37 млрд. га (13,7·106 км2) в 1970 г.

Как следует из табл. 6, предполагаемая площадь потенциального сельскохозяйственного производства без использования ирригации составляет 17 млн. км2, к этому следует добавить около 4,7 млн. км2 потенциально орошаемых земель. Предполагаемый рост населения приведет, таким образом, к освоению около 22 млн. км2 земель под сельскохозяйственные угодья. Альбедо этих территорий существенно изменится.

Разрушительные операции в лесу, оголение достаточно больших площадей меняют энергетический, водный и биохимический циклы. Ликвидация лесного покрова и оголение почв ведут к осушению атмосферы. Уже в ближайшие 20—30 лет использование земли в тропиках коснется территории примерно (1,2—1,5)·109 га, или около 12—15 млн. км2.

Теоретические расчеты показывают, что при полной ликвидации лесного покрова на земном шаре среднее годовое альбедо повысилось бы примерно на 0,6%. В случае уничтожения лесов параметр шероховатости уменьшился бы с 14,9 до 3 см. Это изменило бы поверхностное торможение, уменьшило угол отклонения ветра от изобар, что повлияло бы на поле давления, вертикальные токи и общую циркуляцию атмосферы в целом.

Большое влияние на альбедо и шероховатость оказывает строительство водохранилищ, городов, дорог, развитие энергетического комплекса и т.д. Пожалуй, единственный способ оценить возможное влияние на климат воздействия на подстилающую поверхность — это численные эксперименты с моделями общей циркуляции атмосферы и климата. Результаты их, в частности, показали, что пустыни, расположенные в основном в субтропической зоне, имеют очень высокое альбедо — около 35%. По этой причине они отражают большее количество коротковолновой солнечной радиации, чем окружающие районы. Кроме того, поскольку пустыни сильно нагреты, они теряют уходящую длинноволновую радиацию, которая из-за незначительного содержания водяного пара мало задерживается атмосферой. По этой же причине пустыни типа Сахары, Гоби и др. являются такими же зонами потери энергии, как и полярные районы. Данная особенность пустынь, четко зафиксированная с метеорологических спутников, приводит либо к ослаблению возникающих под влиянием каких-то других причин восходящих движений, либо к формированию нисходящих вертикальных движений и еще большему удалению воздуха от состояния насыщения. Из этого следует, что с уничтожением растительности в прилегающих к пустыням районах увеличится альбедо и они приблизятся к пустынным (такой же качественный эффект дает и уничтожение тропических лесов). Далее начинает действовать механизм «иссушения» за счет нисходящих вертикальных движений. Перенаселение указанных зон, чрезмерное использование пастбищ и обработка земли также могут изменить альбедо, режим осадков. В связи с этим сейчас подвергаются переоценке причины гибели цивилизации в некоторых районах Африки и других аридных зонах около 4 тыс. лет назад. Предполагается, что этот процесс уже тогда был связан с человеческой деятельностью.

Так выглядит картина качественно. Количественный эксперимент был проделан для объяснения конкретной засухи в Сахели. Благодаря осадкам, выпадающим во внутритропической зоне конвергенции, этот район Африки относится к числу плодородных. Северная граница зоны конвергенции располагается вблизи 18° с. ш. летом и 10° с. ш. зимой, зоны песков на 32° с. ш. Таким образом, пояс песков лежит между 18° и 32° с. ш. летом и 10°—32° с. ш. зимой. В зоне 10—18° с. ш. растительность зимой обычно сохраняется. Достаточно зоне конвергенции сместиться на несколько градусов широты к югу, как северная часть этого района оказывается в условиях жесточайшей засухи.

За последние несколько тысяч лет смена влажных и сухих периодов происходила здесь с периодичностью 700—800 лет. В последние несколько столетий засухи в Сахели повторялись в среднем один раз в 30 лет. Однако в конце 60-х — начале 70-х годов засухи в Сахели следовали несколько лет подряд. Сахельская засуха представляет яркий пример катастрофического изменения климатических условий крупного района.

Основываясь на приведенном выше качественном механизме, американский ученый Чарни высказал гипотезу, что исчезновение растительности в результате хозяйственной деятельности, в частности вытаптывание ее при выпасе скота, вблизи 18° с. ш. и несколько севернее могло привести к увеличению здесь альбедо и развитию нисходящих вертикальных движений, препятствующих реализации конвективных, а тем более фронтальных осадков.

Численный эксперимент с простейшей моделью показал, что изменение альбедо с 14 до 35% севернее 18° с. ш. действительно привело к формированию в зоне 10°—18° с. ш. нисходящих вертикальных движений. Эксперимент с полной моделью общей циркуляции атмосферы показал также, что в июле-августе количество осадков вблизи и севернее 18° с. ш. при названном выше изменении альбедо уменьшилось почти вдвое. Самое существенное заключалось в том, что область максимальных ливневых осадков, связанная с внутритропической зоной конвергенции, сместилась к югу и расположилась примерно в зоне 10°—18° с. ш., в то время как при альбедо, равном 14%, оно располагалось в зоне 10°—26° с. ш. Активная же зона дождей при увеличении альбедо сместилась к югу на 4—6° широты, что действительно наблюдалось в период сахельских засух и характерно для климата этого района последних лет.

Можно привести и другие примеры. Так, выполненные автором совместно с Л. К. Ефимовой численные эксперименты показали, что увлажнение пустынных районов за счет искусственного орошения приведет к обратной картине — уменьшится альбедо и увеличится интенсивность восходящих вертикальных движений. В результате климатические условия станут благоприятнее и пустыни отступят.

Подобные же эксперименты были проведены в Англии. Выводы согласуются с приведенными выше: если данный район сделать влажным, то в нем создаются условия для дальнейшего поддержания такого состояния.

Приведенные примеры воздействия на подстилающую поверхность не единственные. Обсуждается проблема образования нефтяных пленок на поверхности океана и их влияние на испарение влаги и климат.

Общее производство нефти в мире составляет 2,5—3 млрд. т, что равносильно объему 4—5 км3. Объем же океана 1,4 млрд. км3, так что при хорошем перемешивании небольшой объем нефти, пролитой в океане, должен бы раствориться в нем. Площадь океана около 370 млн. км2, поэтому потребовался бы годовой объем производства нефти, чтобы покрыть океан пленкой толщиной в 1 мм. При реальной утечке нефти около 0,1 %, или 2,5—3 млн. т в год, пленка может образоваться лишь на ограниченной территории.

Эксперименты показали, что 10—20 % разлитой нефти перемешиваются с более глубинными слоями за 24 часа, а нефтяные пятна в плохую погоду исчезают в течение нескольких суток. Несомненно, биологическое и экологическое воздействие разлитой нефти в океане крайне неблагоприятно. Что касается климатических эффектов, то они, по-видимому, не так велики, как казалось, и будут носить региональный характер.

В настоящее время рассматривается проблема влияния на альбедо льда разлитой по его поверхности нефти. Это очень важный вопрос, поскольку устойчивое изменение альбедо льда в летние месяцы способствует уменьшению равновесной толщины льда до 60%. Нефть же, пролитая надо льдом, несомненно, меняет его альбедо. Кроме того, она легко диффундирует в ледяном покрове и долго в нем сохраняется.

В данном разделе дается лишь самое общее представление о результатах воздействия на климат деятельности человека. Тем не менее и приведенных примеров достаточно, чтобы подчеркнуть важность этой проблемы.