Причины изменения глобального климата

Причины изменения  глобального климата

На сегодняшний день достоверно установлено, что климат Земли никогда  не был постоянным. Причем эти изменения  в прошлом были весьма значительными и иногда происходили очень быстро. Поверхность Земли покрывалась ледниками, а затем эти ледники исчезали, и на значительной территории Земли устанавливался тропический климат. В прошлом Земли обнаружено несколько десятков таких ледниковых периодов. Повторялись они нерегулярно, промежутки между ними составляют от 40 тысяч до нескольких сотен тысяч лет. Последний ледниковый период  начал отступать всего 20 тысяч лет назад. И сегодня еще 14 миллионов квадратных километров поверхности Земли занято ледниками, т.е. мы живем в так называемом малом ледниковом периоде. Следует отметить, что в эпоху больших оледенений масса льда, собиравшегося  в ледниках на суше, была очень велика, его объем вдвое превышал объем современных ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии. Вся эта вода изымалась из мирового океана. Поэтому уровень его многократно опускался более чем на 100 м ниже современного. Это подтверждается независимыми геологическими данными. Сейчас уровень мирового океана меняется очень медленно. За период с 1890 по 1950 г.г. он возрос всего на 10 см, а с 1950 г. остается практически постоянным (колебание ± 3 см).

Каковы же возможные  причины  таких значительных  изменений  климата? Наиболее очевидные из них следующие:

1. Изменения интенсивности  солнечной радиации, вызванные орбитальным движением Земли. По идее самый главный вклад в формирование климата должен вносить радиационный баланс Земли. Астрономическая теория циклических изменений климата была создана известным югославским астрономом Миланковичем в двадцатых годах ХХ века. Основная причина, влияющая на долговременные колебания климата по теории Миланковича, - это изменение эксцентриситета орбиты Земли вокруг Солнца и прецессия оси вращения Земли. Его теория дала возможность вычислить времена ледниковых периодов прошлого. И геологические возрасты предыдущих оледенений, в общем, совпадают с расчетами Миланковича. Но поскольку эти климатические изменения могут происходить только в долговременной шкале, десятков тысяч и сотен тысяч лет, в данной статье они не рассматриваются.

2. Изменения в циркуляции  мирового океана. В глубинах океана  накопилась огромная отрицательная тепловая энергия. Отрицательная потому, что средняя температура океана 3,5o С, а земной поверхности 15 oС. Поэтому всякое усиление перемешивания глубинных вод океана с поверхностными приводит к похолоданию климата. Этот эффект может проявляться как в кратковременном масштабе десятков и сотен лет, так и на временном интервале сотен тысяч и миллионов лет. (Изменение в циркуляции океанов, вызванное континентальным смещением (дрейфом) материков согласно известной теории Вегенера). Кроме того, в масштабах тысячелетий океаны контролируют химический состав атмосферы и, следовательно, радиационное равновесие всей климатической системы.

3. Кратковременные вариации (в шкале десятков и сотен  лет) в солнечной энергетической  освещенности, которые, как показано  рядом авторов, коррелируют с вариациями солнечной активности. Этот фактор до последнего времени не достаточно учитывался при разработке климатических моделей.

4. Влияние человеческой  деятельности или антропогенный  фактор.

5. Наконец, целый ряд  исследований, выполненных в последние  годы, позволяет предположить, что могут существовать некоторые, пока еще неясные циклические процессы в системе космос (взаимодействие Солнца и планет) -  гидросфера - атмосфера.

Все эти вопросы были всесторонне  проанализированы в монографии Кондратьева. Однако за последние десять лет получен целый ряд принципиально новых результатов. В связи с этим, необходимо снова вернуться к рассмотрению проблемы динамики глобального климата. Главная проблема, которая в настоящее время вызывает наибольший интерес и тревогу у мировой общественности, - это антропогенное влияние на климат. Насколько оно значительно в сравнении с природными явлениями и в чем проявляется? Что делать, чтобы сохранить устойчивое развитие мировой экономики в условиях изменяющегося климата?

Антропогенный эффект и изменение климата

По-видимому, основными факторами  антропогенного воздействия на климат являются увеличение концентрации парниковых газов, а также увеличение выбросов аэрозолей в атмосферу. Основные парниковые газы - это водяной пар (Н2О), углекислый газ (СО2), метан (СН4), окись азота (N2O), озон (О3) и, в меньшей степени, ряд хлорфторуглеводородных соединений [18]. Увеличение концентрации этих газов приводит к увеличению поглощения излучения от Земли, которое имеет место в инфракрасной области спектра, (максимум излучения в области 8 - 13 мк). Это вызывает подогрев атмосферы и, следовательно, в свою очередь, поверхности Земли.

Рассмотрим влияние главных  парниковых газов: водяного пара и углекислого газа, с одной стороны, являющихся главным условием существования жизни на Земле, а с другой стороны, на долю которых приходится более 95 % всего парникового эффекта, подогревающего атмосферу на 33 о С. Между ними есть принципиальная разница. Водяной пар в атмосфере является наименьшей по массе частью свободной воды, находящейся в гидросфере и криосфере в основном в жидкой и твердой форме. Масса водяного пара определяется притоком солнечной радиации и температурой воздуха и не может существенно изменяться при постоянстве этих факторов. Так как в геологическом прошлом происходили заметные изменения климата, количество водяного пара в атмосфере также изменялось в соответствии с колебаниями глобальной температуры. Однако эти изменения массы водяного пара были следствием, а не причиной изменения климата. Вследствие положительной обратной связи водяной пар при каждом очередном похолодании или потеплении климата лишь усиливал этот процесс. Точно так же, водяной пар  является следствием, а не причиной существования морей и океанов. Его прямое влияние на биосферу несущественно по сравнению с его косвенным влиянием как источника воды, выпадающей в виде осадков.

Углекислый газ, как в  климатических условиях геологического прошлого, так и в условиях современного климата может существовать только в газообразном состоянии. При этом его концентрация в атмосфере может меняться в широких пределах вне зависимости от внешней температуры. Наоборот, рост концентрации СО2 вследствие парникового эффекта неизбежно должен приводить к повышению глобальной температуры Земли. Наличие углекислого газа является необходимым условием существования жизни на Земле. Почти все живое вещество, создаваемое в биосфере, возникает из углекислого газа и воды в результате процесса фотосинтеза. Еще большее, чем в атмосфере (2,6 × 1018 г), количество СО2 содержится в водоемах, где масса этого газа достигает 130 × 1018 г. Углекислый газ гидросферы используется в ходе фотосинтеза водных растений. Основная часть углекислого газа, израсходованного автотрофными растениями, возвращается в атмосферу и гидросферу в ходе процессов деструкции органического вещества, которые происходят при участии бактерий и других гетеротрофных организмов. Сравнительно небольшая часть органического углерода, полученного в результате фотосинтеза, сохраняется длительное время в составе почвенного гумуса, сапропеля, торфа и других органических веществ, масса которых частично расходуется в ходе окисления, но частично сохраняется и захороняется в литосфере в виде каменного угля, нефти, горючих газов и рассеянного органического углерода. Еще больший расход углекислого газа атмосферы и гидросферы связан с образованием карбонатных отложений. Процесс формирования карбонатов наиболее активно происходит в мелких водоемах, куда потоки воды выносят с поверхности континентов продукты эрозии, включающие различные соединения углерода. Из этих продуктов образуются отложения известняка, мела, доломита и других минералов, содержащих углерод. Большую роль в процессе карбонатообразования играют водные организмы, скелеты которых создаются из содержащихся в воде соединений углерода. На активное участие живых организмов, выступающих в качестве геологических факторов эволюции земной коры и тропосферы, впервые обратил внимание академик Вернадский. Открытая Вернадским роль биоты как геологической силы была обобщена Перельманом в виде закона Вернадского: суммарный эффект деятельности живого вещества за всю геологическую историю огромен, т.к. живые организмы определили геохимические особенности верхней части земной коры.

Очевидно, что без постоянного  притока СО2 из глубоких слоев Земли сохранение более или менее стабильной концентрации атмосферного углекислого газа в течение интервала времени, сравнимого с геологическими эпохами, невозможно. Углекислый газ поступает в атмосферу из глубоких слоев Земли в результате дегазации верхней мантии, а также более высоких слоев земной коры. Значительная часть СО2, получаемого атмосферой, выбрасывается при вулканических извержениях. Наряду с СО2 вулканические газы обычно содержат некоторое количество окиси углерода (СО), которая в относительно короткое время окисляется и превращается в углекислый газ. Из сказанного выше следует, что скорость прихода углекислого газа как для длительных, так и для сравнительно коротких интервалов времени может изменяться в широких пределах главным образом из-за колебаний уровня вулканической активности. Планета Земля стареет, и наряду с ритмическими колебаниями имеется общая тенденция к уменьшению вулканической активности, что должно вызвать, соответственно, снижение  количества СО2.

В настоящее время является общепризнанным, что возрастание  парниковых газов на протяжении ХХ века является следствием человеческом активности. Однако нет четкой корреляции между изменением температуры Земли и возрастанием концентрации парниковых газов в ХХ веке. Так, как видно из рис.1, глобальная температура между 1945 г. и 1979 г. немного понизилась. В то же время это был период быстрого роста мировой экономики. В докладе IРСС, 1996 это несоответствие объясняется эффектом   охлаждения за счет   отражения части солнечной радиации, вызванной сульфатными аэрозолями при  горения угля и другого топлива. Однако это объяснение не может рассматриваться как удовлетворительное. Влияние аэрозолей - фактор очень неопределенный и недостаточный в данном случае. Температура особенно быстро возрастала в два последние десятилетия. Однако, количество СО2 увеличивалось монотонно, а концентрация метана вообще   стабилизировалась. В работах показано, что истощение стратосферного  озона, наблюдаемое в последние два десятилетия ХХ века, вызваны, по-видимому, не антропогенным эффектом, а объясняется циклическими процессами в атмосфере. По данным   последних измерений, общее содержание озона, как и предсказывалось, начало возрастать.   И к 2040 – 2050 г.г.   глобальный озон снова достигнет своего максимума, а озоновая «дыра» над Антарктидой, соответственно, сократится до минимума.

Антропогенный эффект и природные катастрофы

Рассмотрим предельный случай  самого мощного антропогенного воздействия на климат, которое бы произошло в случае тотального ядерного конфликта. За годы холодной войны в мире было накоплено 50 000 единиц ядерного оружия, мощность которых оценивается в 1,3 ×104 Мгт тротила. При этом с 1945 по 1980 гг. было проведено 541 атмосферных взрывов с общим эквивалентом 440 Мгт. Обсуждение возможных последствий ядерной войны были предметом широкой дискуссии в СССР и США  в 70-е - 80-е годы. Были рассчитаны модели, согласно которым  в случае ядерного конфликта гигантские облака аэрозолей (сажа, пыль и др.) на многие месяцы должны закрыть обширные районы Земли от Солнца. Произойдет резкое снижение температуры. Согласно расчетам при взрыве ядерных зарядов суммарной мощностью 104 Мгт так называемая  "ядерная зима " в средних широтах северного полушария будет длиться полтора месяца. Причем температура у поверхности Земли снизится  до - 15 о С ¸ - 25 о С [ и  даже, согласно до - 23 о ¸ -53 о С. Однако есть серьезное основание сомневаться в правильности этих модельных расчетов. Дело в том, что в прошлом Земли уже были неоднократно естественные катастрофы, по масштабам сопоставимые с ядерной войной. Только за последние  сто с небольшим лет таких катастроф было три: взрыв вулкана Кракатау (август 1883 г.), падение Тунгусского метеорита (июнь 1908) и взрыв вулкана Катмай на Аляске (июнь 1912 г.). Энергия, выделившаяся при взрыве Тунгусского метеорита, оценивается в 1016 - 1017 джоулей, что соответствует 10 - 100 Мгт тротила. Однако после падения Тунгусского метеорита никаких заметных аномалий в климате северного полушария Земли не было зарегистрировано. Взрыв вулкана Кракатау характеризовался гигантским выбросом в атмосферу  вулканической породы, пепла и др. продуктов (» 19 км 3 ). Это соответствует энергии взрыва порядка 10 3 - 104 Мгт. Пыль, попавшая в высокие слои атмосферы (до 80 км), распространилась по всему земному шару, вызывая необычные оптические эффекты. Однако ни после взрыва Кракатау, ни после сравнимого по силе взрыва вулкана Катмай существенных отклонений в глобальной температуре Земли также отмечено не было. Несоответствие между теоретическими моделями  и реальными последствиями крупных природных катастроф заставили теоретиков быть более осторожными в прогнозах.

Социально-политические аспекты климатических изменений

Понятна тревога как ученых, так и мировой общественности в связи с ростом потепления в ХХ веке и особенно в последние две декады ХХ-го века. Исследование климата стало приоритетным направлением, создаются многочисленные комитеты, растут выделяемые фонды. Так, в 1986 г. была создана Госкомиссия  конгресса США по климату (US  National Research Council, NRC), в 1988 г. под эгидой WMO и United Nations Envirоnment Programme (UNEP) при ООН cоздается межправительственный комитет по климатическим изменениям (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC). Научные отчеты IPCC (IPCC, 1990, 1996, 2001) – наиболее фундаментальные и широко цитируемые документыб в которых суммированы все основные данные об изменении климата, а также социальные последствия этих изменений. Так, последний выпуск IPCC, 2001 включает отчеты трех рабочих групп. В отчете первой рабочей группы приведены ряд серьезных доказательств, что потепление, наблюдаемое в последние 50 лет, является результатом антропогенной деятельности. Предполагается, что глобальная температура в ХХI веке возрастет на 1,4o – 5,8o С, что выше, чем предполагалось ранее (1,0o – 3,5o С). Отчет рабочей группы II «Изменение  климата 2001: «Влияние, адаптация и уязвимость" обращает внимание на то, что заметные изменения климата уже начали оказывать влияние на многие физические и биологические системы на Земле и могут иметь  значительные последствия. Отчет рабочей группы III посвящен предполагаемой реакции на климатические изменения. Следует особо отметить, что отчеты IPCC - очень тщательно подготовленные документы, к составлению которых привлекаются ученые многих стран. Так, например, отчет рабочей группы II (IPCC,2001) был подготовлен 426 авторами из США и Западной Европы, рецензирован 440 правительственными экспертами, а затем принят более чем 160 делегатами из 100 стран, собравшихся в середине февраля 2001 г. в Женеве.

В последние два десятилетия  заключен целый ряд региональных и международных соглашений по защите от возможных последствий антропогенного воздействия на земную атмосферу. Основной из них Киотский протокол, составленный представителями 150 стран в 1997 г. [67]. Согласно этому протоколу 38 промышленных стран должны уменьшить эмиссию парниковых газов в целом на 5,2 % к 2012 г. по сравнению с уровнем в 1990 г. Чтобы стать общепризнанным  юридическим документом, он должен быть ратифицирован всеми правительствами, после чего последует ратификация этого документа в ООН. Это предусматривалось сделать в начале 2002 г. Однако прохождение этого документа сразу же встретило большие трудности. Прежде всего США, ведущая промышленная держава мира, у которой 37% эмиссии парниковых газов, отказалась ратифицировать Киотский протокол. Президент Дж. Буш заявил, что этот протокол неэффективный и несправедливый по отношению к США. Не ратифицировали договор Россия, Канада, Австралия и Китай. Но идет интенсивная подготовка. В сентябре 2000 г. в Лионе (Франция) встретились 2000 экспертов. Разрабатывались технические вопросы в связи с политикой и экономикой. Решено, что развивающиеся страны должны получить кредиты на новые технологии порядка 10-17 млрд. долларов. Но возникли споры. Так, Госдепартамент США заявил, что новые леса в США и Канаде поглощают половину от нормы сокращения выбросов СО2, и потому для США процент сокращения СО2 должен быть пересмотрен. Россия, в принципе, не возражает против ратификации протокола, но не имеет никаких конкретных проектов по сокращению выбросов парниковых газов. (Необходимо отметить, что для таких северных стран, как Россия и Канада, потепление климата, равно как и увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, создают благоприятный эффект для сельского хозяйства. Поэтому понятна позиция этих стран не спешить с ратификацией Киотского протокола.) Окончательное решение ряда вопросов было перенесено на совещание министров и экспертов в Гааге  в ноябре 2000 г. (COP-6) в рамках конвенции ООН по изменению климата. (Присутствовало 10 тыс. человек). В Гааге также не удалось достигнуть договоренности по ключевым вопросам, и обсуждение их было перенесено на следующую конференцию COP 7, которая состоялась в 2001 г. в Маракеши (Марокко). Последняя конференция министров по охране окружающей среды из 178 стран (the UN Conference On Climate Change Negotiations) была проведена 23 июля 2001 г. в Бонне. На этот раз министры достигли широкого политического соглашения, несмотря на противодействие США. Кроме того, в резолюции было отмечено, что должен быть разработан механизм инвестирования благотворительных климатических проектов в развивающихся странах, режим международной торговли эмиссией и согласованный механизм гарантирования выполнения этими странами своих обязательств по договору.