Экология и ее база - климат

05 Июля 2016
Вестник_№2_2016
Автор: Р.И. Нигматулин
Климат в России тогда хорош,
когда губернатор соответствует.
М.Е. Салтыков-Щедрин

Начну с большой проблемы, которая волнует сейчас человечество, – что будет с климатом? Одним из показателей глобального климата является средняя по всей поверхности Земли Σ температура воздуха:


Площадь всей поверхности Земли равна ∑=4πa2, где а ≈ 6400 км – радиус Земли, T'(t, ϕ, ψ) – температура на поверхности Земли в точке с координатами ϕ (широта) и ψ (долгота) в момент времени t. Температура T'∑i;регулярно по времени измеряется в тысячах метеорологических станциях с номерами i = 1, 2… N, разбросанных по поверхности Земли и соответствующих участкам с площадями Δsi. При оценке величины ср.T'∑ следует учитывать, что где-то ночь, а где-то день, в Южном полушарии – зима, в Северном – лето, где-то = +40 °С, а где-то = -60 °С. Однако средняя величина равна = 13,5–14°С и меняется во времени t очень медленно в масштабах десятилетий.

Глобальное потепление

В последние 100 лет, особенно после 1950-х годов, средняя глобальная температура воздуха на уровне поверхности Земли стала расти (рис. 1а). За 100 лет температура увеличилась на 0,8 °С.

Вместе с тем некоторые наблюдения показывают, что, во-первых, меняются режимы осадков – многие засушливые регионы стали еще более засушливыми.

Во-вторых, увеличивается количество разрушительных ураганов.

В-третьих, даже малое потепление может быть существенным для биологических (живых) систем, потому что, если температура вашего тела равна 36,6 °С, вы хорошо себя чувствуете, а если 37,4 °С, – вы больны.

Могут появиться новые вирусы и бактерии, и это может создать серьезную угрозу. Не исключено возникновение вируса, который сможет поразить все человечество и остановить развитие нашей цивилизации. Факт потепления подтверждается также тем, что уровень воды в океане поднимается (см. рис. 1а ). Всего 3 мм в год. Однако некоторые островные государства, которые окружены морями с пологим берегом, очень этого боятся, так как их территория может существенно сократиться и даже исчезнуть.

В пользу потепления свидетельствует и уменьшение площади льдов в Арктике (рис. 1б) в летние месяцы. Она уменьшилась в 2 раза по сравнению с 1900-ми и 1970-ми годами. Ученые по-разному думают, что будет дальше. По-разному ведут себя температуры, усредненные по отдельным регионам. Изменения регионального климата происходят часто гораздо быстрее и драматичнее. Именно эти изменения представляют особый интерес для каждой страны, но они проходят на фоне глобальных изменений.

Рисунок 1. Изменение средней температуры воздуха на поверхности Земли , уровня океана Δh (а), площади S, покрытой льдом в Арктике в сентябре (б), и концентрации углекислого газа в атмосфере ССО2 (в)


Углекислый газ в атмосфере

Глобальное потепление многие ученые связывают с ростом малой концентрации углекислого газа СCО2 в атмосфере (СCО2 ≈ 5×10-4). За последние 40 лет она выросла примерно на 1/4 и продолжает расти (рис. 1в). Это связано с тем, что в индустриальных странах сжигается очень много топлива, содержащего углерод, и выделяется двуокись углерода СО2. А сокращающаяся зеленая масса хлорофилла уже не успевает перерабатывать все растущее выделение СО2 в природных и промышленных процессах. В результате его концентрация СCО2 в атмосфере растет. А углекислый газ является парниковым газом, т.е. сильнее, чем кислород и азот воздуха, поглощает лучистую (радиационную) энергию, поставляемую Солнцем, и превращает ее в тепло.

Хотя парниковое действие СО2 мало, небольшое увеличение температуры вызывает увеличение содержания в воздухе водяного пара CН2О (CН2О ~10–2) за счет испарения воды (Н2О), благо воды достаточно – 72% поверхности Земли занято Мировым океаном. В итоге пар Н2О оказывает более сильное, чем СО2, парниковое воздействие, поэтому средняя по поверхности Земли температура воздуха повысится еще сильнее. В этом и состоит современная концепция глобального потепления, связанного с увеличением содержания углекислого газа в атмосфере из-за описанного выше антропогенного фактора. Во всяком случае влияние СО2 на климат бесспорно, и эта концепция разрабатывается в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова академиком Г.С. Голицыным и членом-корреспондентом РАН И.И. Моховым. Однако следует иметь в виду, что фактор СО2 – это только один из многих климатических механизмов.

Интересно проследить, как менялась концентрация углекислого газа CСО2 без антропо-генного фактора, т.е. только из-за естественных процессов. Такая возможность имеется. Это делается по образцам льда, погружающегося на глубину в ледовых массивах Антарктиды. На поверхности этих массивов оседает замерзающая влага, постепенно погружая в глубину более ранние замерзшие осадки. Если пробурить скважину, то из разных глубин извлекаются образцы льда разного «возраста»: чем глубже образец, тем раньше он был погребен.

Изотопные методики позволяют определить время захоронения извлеченных образцов льда из разных глубин. Эти образцы льда содержат пузырьки воздуха, захваченного из атмосферы к моменту замерзания льда и начала его погружения. Затем в этих пузырьках измеряется состав воздуха из тогдашней атмосферы.

В результате такого исследования было установлено, как менялась концентрация углекислого газа ССО2 в атмосфере за последние 700 тыс. лет (рис. 2). Она всегда менялась, но наиболее значительные изменения происходили с периодом около 100 тыс. лет. В этих колебаниях минимальные значения концентрации равнялись ССО2 ≈200 ppm (1 ppm соответствует 1 молекуле СО2 на 1 млн молекул воздуха, что соответствует массовой концентрации СО2, равной 1,52×10–6), максимальные – ССО2 ≈280 ppm, а средние значения были ССО2 ≈230 ppm. А с 1950 по 2014 г. ССО2 выросла с 300 до 400 ppm. Общая масса углерода в атмосфере в виде СО2 равна около 850 Гт, и только за последние 6 лет она выросла на 40 Гт. За последние 700 тыс. лет такого быстрого роста массы углекислого газа в атмосфере не наблюдалось, и в масштабах тысячелетий это выглядит как взрыв концентрации ССО2 , что вызывает опасения.

Рисунок 2. Концентрация СО2 в атмосфере за 700 тыс. лет (пузырьки ледовых кернов)


С ростом концентрации СО2 в атмосфере она растет и в поверхностных водах океана, что приводит к росту содержания угольной кислоты (окислению) и воздействует на биологические существа на небольших глубинах (кораллы, рыба и другие организмы).

Противоречия в концепции глобального потепления

Однако не всё согласуется с представленной схемой потепления. Некоторые данные свидетельствуют, что сначала менялась температура и лишь после этого менялась концентрация ССО2 . Иначе говоря, не СО2 вызывал рост температуры, а изменение температуры вызывало рост ССО2 . Кроме того, «всего» 15 тыс. лет назад масса хлорофилла была много больше нынешней, топлива сжигалось во много раз меньше нынешнего и концентрация углекислого газа была в 1,5 раза меньше нынешней. А уровень океана рос со скоростью 10 мм в год, т.е. в 3 раза быстрее, чем сейчас. Далее, несмотря на рост концентрации углекислого газа ССО2, в последние 14 лет вместо потепления, т.е. увеличения на 0,1 °С, мы имеем глобальное похолодание, т.е. уменьшение на 0,2 °С (рис. 3). Сотрудники Института Арктики и Антарктики считают, что скоро уровень оледенения в Арктике будет увеличиваться (см. рис. 1б).

В 2014 г. появились признаки увеличения оледенения Арктики летом.

Рисунок 3. Изменение средней приповерхностной температуры атмосферы Δср.Т' (тонкая синяя линия) и концентрации углекислого газа CСО2 (тонкая черная линия) после 2000 г. Жирная синяя линяя – осредненный линейный тренд для поверхностной температуры Δср.T' , а сектор, ограниченный двумя прямыми штриховыми линиями, – тренд температуры Δср.T' , соответствующий росту концентрации углекислого газа CСО2 в рамках имеющихся теорий


Физические механизмы в формировании климата в масштабах десятилетий

Есть обстоятельства, которые уменьшают значимость нагрева воздуха из-за поглощения радиационного излучения, через который только и может проявляться парниковый эффект малых концентраций СО2 (CСО2 ∼10-4) как запускающий глобальное потепление. Суть в следующем. Земля крутится вокруг Солнца по орбите в форме эллипса с небольшим эксцентриситетом, т.е. близкой к окружности (рис. 4). 

Рисунок 4. Схема эллиптической орбиты Земли

В одном из фокусов этого эллипса и находится Солнце. Минимальное и максимальное расстояния Земли от своего греющего светила равны Rmin = 147 Гм (перигей, приходящийся на январь, когда в Северном полушарии зима, а в Южном – лето) и Rmax = 152 Гм (апогей, приходящийся на июль, когда в Северном полушарии лето, а в Южном – зима). Поэтому зима в Северном полушарии теплее, так как Земля в перигее (147 Гм от Солнца, и солнечная радиация сильнее), а лето холоднее, чем в Южном, так как Земля в апогее (152 Гм от Солнца, и солнечная радиация слабее).

Интенсивность солнечной радиации , попадающей на Землю, вычисляется по формуле:

где α– радиус Земли; R – расстояние от Солнца до Земли; I – мощность радиационной энергии, излучаемой Солнцем. Тогда относительное изменение солнечного облучения Земли в перигее (R = Rminср.W' =ср.W'max ) и апогее (R = Rmaxср.W' = ср.W'min) определяется следующим выражением: 


Таким образом, облучение Земли солнечной энергией в перигее на 7% больше, чем в апогее. Характерный масштаб перепада температуры в атмосфере ΔT определяется разницей температуры на поверхности Земли и характерной температурой на верхней границе тропосферы (на высоте 11 км) Ttrop ≈ -55 °С:

ΔT ≈ 14 - (-55) ≈ 70 К

Тепловая инерция атмосферы, определяемая теплоемкостью единицы объема ρc (где ρ – плотность, c – удельная теплоемкость), измеряется часами. Действительно, вечером, как только Солнце заходит, воздух через час охлаждается, а утром, когда Солнце восходит, воздух через час нагревается. И если именно радиационный механизм, зависящий от оптических свойств атмосферного воздуха (благодаря которым про- является парниковый эффект), доминировал в нагреве воздуха у поверхности Земли, тогда в январе (перигее) должна быть выше, чем в июле (апогее), на величину порядка:

δТ ≈ 0,07×70 ≈ 5 К

По другим оценкам, привязанным к сезонным изменениям в континентальных регионах (ΔΤ ≈ +20 - (-10) = 30 К), получим δТ ≈ 0,07 × 30 ≈ 2 К. А измерения показывают, что она выше только на δТ ≈ 0,2 °С (см. рис. 3). Это значит, что инерция глобального климата многократно больше, чем тепловая инерция воздуха. Раз так, то инерция глобального климата скорее связана с на порядок большей тепловой инерцией конденсированных фаз (воды в океане и твердой фазы суши), у которых теплоемкость единицы объема ρc в 103–104 раз больше, чем у воздуха, и потому их тепловая инерция на несколько порядков больше, чем тепловая инерция воздуха атмосферы. Тогда изменение температуры воздуха около поверхности больше зависит от теплопроводности и температуропроводности турбулентного воздуха, турбулентной жидкой фазы (океана) и твердой фазы на поверхности Земли, на которые малые концентрации СО2 практически не влияют. А значит, влияние на климат углекислого газа в существующих моделях может быть в несколько раз завышено.

Анализируя переработку СО2 хлорофиллом, следует иметь в виду зеленую массу хлорофилла не только на суше, но и в океане в виде фитопланктона. И это есть проблема океанологии. Фитопланктон важен не только как важнейший элемент пищевой цепи в океане, но и как зеленая масса, перерабатывающая СО2 с восстановлением кислорода О2 после окислительных природных и антропогенных процессов. Более того, образование биомассы фитопланктона влияет на баланс массы кислорода, произведенного хлорофиллом из углекислого газа, и массы кислорода, потребленного в окислительных процессах в океане. Этот баланс – часть еще более глобальной проблемы: цикла углерода (органического и неорганического) в океане.

Влияние планет на климат 

Есть еще одно интересное обстоятельство, которое играет роль в периодическом изменении климата. На климат периодически влияют планеты Юпитер, Венера и в меньшей мере Сатурн. Они своей гравитацией, в зависимости от своего расположения относительно Земли и Солнца, чуть приближают или отдаляют Землю от Солнца относительно описанной выше ее эллиптической орбиты вокруг Солнца. А это, соответственно, увеличивает или уменьшает величину солнечного облучения Земли с амплитудой около 1%, и, почти не меняя среднегодовую температуру , делает лето (зиму) Северного и зиму (лето) Южного полушарий чуть теплее или чуть холоднее. Данный механизм имеет период около 12 лет, что близко к периоду обращения вокруг Солнца Юпитера (11,86 лет). Примерно с таким же периодом меняется активность Солнца в разных спектральных зонах, но относительная амплитуда таких колебаний пока оценивается как малая – равна 0,1%.

Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы движения планет

Недавно провели опрос среди молодежи: что крутится вокруг чего – Солнце вокруг Земли или Земля вокруг Солнца. Как вы думаете?

– Земля вокруг Солнца (реплика из зала). Однако это одна сторона правды. Наверное, вы будете поражены, когда я скажу, что утверждение «Солнце вращается вокруг Земли» – это тоже верно в соответствии с принципом относительности теоретической механики.

Суть более глубокой коперниковской системы (гелиоцентрической) по сравнению с птоломеевской (геоцентрической) не в том, что Земля вращается вокруг Солнца, а в том, что планеты Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун вращаются с разными периодами в одной плоскости вокруг общего центра – Солнца. А наблюдаемое на небосводе Земли движение этих планет относительно Земли по сложным траекториям и является результатом их движения по «простым» почти круговым траекториям относительно общего центра – Солнца, что и понял великий польский математик и астроном Николай Коперник (1473–1543).

Геоцентрическая система, развитая великим греческим математиком и астрономом Клавдием Птоломеем (II в.), была чисто эмпирической и правильно описывала движения планет относительно Земли, поскольку она следовала из результатов тщательных и многолетних наблюдений. Она была основой навигации для мореплавателей. Однако духовные католические лидеры ее абсолютизировали и отказывались принять более глубокую коперниковскую (гелиоцентрическую) систему движения всех планет, объясняющую сложные траектории планет при их движении относительно Земли как следствие их кругового движения вокруг общего центра – Солнца.

Они догматически полагали, что это подрывает религиозные основы, провозглашающие Землю центром Вселенной. И даже суд инквизиции вынес тяжелый приговор великому Галилею за отстаивание гелиоцентрической (коперниковской) системы движения планет. Так же, как советские догматики середины ХХ в. отрицали генетику и кибернетику, как покушающиеся на основы марксизма-ленинизма. Однако генетика и кибернетика к этим основам отношения не имели, а развивали наше научное знание об окружающем мире.

Масштабы времени в несколько десятилетий

Когда указываешь на факт отсутствия глобального потепления за последние 14 лет, некоторые говорят: «Ну, это флуктуация». Ничего себе флуктуация! Длительностью уже более 10 лет! И меня в первую очередь интересует, как будет меняться климат в ближайшие три-четыре десятилетия, а не в конце ХХI в.

В связи с этим приведу классический пример. В ХIX в. городской транспорт развивался за счет конной тяги. Из-за роста городов число лошадей в городе росло. С угрожающей скоростью на улицах городов росло и количество неубранного навоза. В 1894 г. в газете «Times of London» приводилась оценка скучного догматика, что к 1950 г. (через 56 лет) каждая улица города будет покрыта конским навозом слоем толщиной почти в 3 м. В Нью-Йорке в 1890 г. догматики подсчитали, что к 1930 г. (всего через 40 лет) слой лошадиного навоза на улицах города будет доставать до окон третьего этажа. Однако все оказалось не так. Из-за научно-технического прогресса через 30 лет транспорт в городах стал другим. Автомобили, автобусы, трамваи, метро, троллейбусы сняли проблему навоза в городах. Конечно, появились другие проблемы, но они тоже могут быть решены только за счет научно-технического прогресса. Трудно поверить, но количество жертв наезда конных экипажей было большим. Было подсчитано что, например, в Чикаго в 1916 г. на каждые 10 тыс. конных экипажей приходилось по 16,9 смертельных случаев наездов на пешеходов. Это в 7 раз (!) больше, чем количество смертельных случаев в ДТП на 10 тыс. автомобилей в том же Чикаго в 1997 г.

Я уверен, что через лет 30–50 энергетика перейдет на другие источники энергии, не связанные со сжиганием углерода в угле, бензине и газе. Академик Ж.И. Алферов считает, что будут созданы эффективные устройства прямого преобразования солнечной радиации в электричество. Будет развита более безопасная ядерная энергетика. А это снимет угрозы на климат из-за роста в атмосфере концентрации СО2. Именно поэтому климатологам надо сосредоточиться на ближайших 30–40 годах. На более поздние перспективы ответят последующее поколения ученых с учетом новых технологий в энергетике. Что будет через 2 млрд лет я знаю: Солнце потухнет. Однако сейчас нам не до этой проблемы.

Роль океана в климате Земли

Решающее значение для климата имеет оке- ан, потому что 72% поверхности Земли покрыто водой Мирового океана, а важнейшим парниковым газом является водяной пар, который из океана попадает в атмосферу. Масса океана и его теплоемкость, определяющие его тепловую инерцию, в 300 и 1000 раз больше массы и теплоемкости атмосферы соответственно.

В океане в 50 раз больше масса СО2, чем в атмосфере. Если океан отдает малую часть своего тепла и углекислого газа, то для атмосферы это много. Атмосфера, как капризная девчонка, у которой чуть что – и настроение портится. Солнце взошло – стало тепло, облака налетели – уже прохладно. А океан – это стабильный «диктатор», облака пришли-ушли, а он все равно ведет себя по-своему.

В океане имеются течения – поверхностные и глубинные. Они переносят много тепла, что определяет климат различных регионов мира.

Вы, конечно, знаете про теплое течение Гольфстрим, многие смотрели американский фильм «The day after tomorrow» («Послезавтра»). Драматические события развиваются во время климатической катастрофы. Ледники Гренландии, с севера ограничивающие Атлантический океан, из-за потепления начинают трескаться и таять. Талая вода стекает и с севера тормозит Гольфстрим, несущий теплые воды с юга. Приток тепла сокращается, и в Нью-Йорке становится катастрофически холодно.

Могу вас успокоить. Каждый год в Северной Атлантике работают две экспедиции нашего института. Исследования показывают, что особых изменений с Гольфстримом не происходит, температура и расход немного колеблются, но он будет течь и приносить тепло с экваториальных вод еще тысячи лет.

Климат и история России

У многих из нас имеется ощущение, что русская, российская история, история нашего Отечества особая, есть в ней то, чего нет в истории других народов. Этому есть естественные причины. Российская история складывалась в крайних климатических условиях с очень длительной и холодной зимой. Наш народ создавал свою цивилизацию в самых холодных регионах, в каких возможно ее самообеспеченное развитие. На рис. 5 приведены изотермы января в Европе. Из-за влияния Гольфстрима изотермы сильно искажены от широтных направлений. В частности из-за близости к Гольфстриму зима в приполярных регионах Скандинавии около Осло, Стокгольма и Хельсинки, где живет основная часть этих стран, теплее, чем на юге Украины. А граница разделения Канады и Северной части США, которые часто рассматриваются как холодные регионы, проходит по широте юга Казахстана и Украины.

Рисунок 5. Изотермы января, иллюстрирующие, как близость к теплому Гольфстриму нарушает широтный характер изотерм


Резкие климатические контрасты на территории России, короткий вегетативный период для растений делают наше сельское хозяйство очень рискованным, что создает в народе состояние неустойчивости. В этом году хорошо, в следующем – плохо. День год кормит. Проспал этот день – обречен на нищету. Если ты талантливый хозяин (а талантливых меньшинство), тебе и твоей семье удается быть успешными. Однако для этого надо трудиться, как это написано в стихотворении Игоря Шкляревского: 

Клевер скосили. Жито поспело.
Жито собрали. Сад убирать.
Глянешь, а греча уже покраснела.
Гречу убрали. Лен колотить.
Лен посушили. Сено возить.
Сено сметали. Бульбу копать.
Бульбу вскопали. Хряка смолить.
Клюкву мочить. Дро'вы пилить.
Ульи снимать. Сад утеплять.
Руки болять! Ноги болять!

А если ты работаешь не так, то ты бедняк. Зависть неудачников, борьба за равенство и справедливость порождают разрушителей. Все это создает в нашем народе «колебательное» состояние с большой амплитудой. Этим, в частности, объясняется ожесточенность в отношениях между людьми.

С какой ненавистью журналисты, политики кричат друг на друга на телевизионных диспутах. Смотрит на этих «властителей дум» народ. А орущие борцы за справедливость часто используются коварными хитрецами для захвата власти.

Мы слышим и читаем полярные оценки всех царей и лидеров, ожесточающие одних сограждан против других. 

Роль меняющейся облачности и ветровых потоков

С поверхности океана идет испарение водяного пара, которое интенсифицируется за счет ветрового срыва капель с вершин волн. За счет турбулентной диффузии влага с поверхности поднимается вверх, где из-за низкой температуры она конденсируется в виде капель, которые образуют облака. После укрупнения капли в виде дождя и снега падают на поверхность Земли. Паровая влага в атмосфере – «парниковый» газ, который гораздо интенсивнее, чем углекислый газ, превращает лучистую энергию в тепло. Однако капельная влага в облаках способствует отражению (альбедо) части падающей на Землю солнечной энергии, что уменьшает ее вклад в нагрев атмосферы.

Поэтому увеличение концентрации водяного пара из-за описанного выше небольшого увеличения температуры на поверхности Земли (океана) должно привести к увеличению влагосодержания и в облачных слоях атмосферы. А последнее должно привести и к увеличению облачности, а значит, к увеличению отражаемой доли солнечной радиации, практически не участвующей в нагреве атмосферы. 

Есть еще один механизм, компенсирующий глобальное потепление. Он связан с увеличением кинетической энергии атмосферы в случае ее потепле- ния, а это должно увеличить отток тепла от нижних теплых слоев воздуха к верхним, более холодным.

Функции Мирового океана в жизни человечества

Завершая раздел, посвященный климату, перечислю основные функции Мирового океана, которые существенно влияют на жизнь людей.

1. Океан – климатообразующая среда.

2. Океан – среда для различных экосистем, начиная от фитопланктона с хлорофиллом, перерабатывающим углекислый газ, бактериями, зоопланктоном, бентосом, рыбой, млекопитающими и т.д.

3. Океан – важнейший источник пищи и лекарств.

4. Океан – источник минеральных (нефть, газ, руды) ресурсов, которые начнут разрабатываться через два-три десятилетия.

5. Океан – среда для самого дешевого крупнотоннажного транспорта.

6. Океан – среда для обороны и военно- морского флота.

7. Океан – плацдарм для геополитики, в частности, при разделении шельфа для исключительной экономической деятельности страны.

8. Океан – источник катастроф: ураганов, цунами, волн-убийц, катастроф с танкерами, нефтяными платформами и трубопроводами, после которых загрязняются океан и его береговые зоны.

И в заключение таинственный вопрос русского гения Михаила Лермонтова, который был дан России всего на 27 лет:

Кто может, океан угрюмый,
Твои разведать тайны?


Сведения об авторе:

Нигматулин Роберт Искандерович – академик, доктор физико-математических наук, профессор, директор Института океанологии РАН, заведующий кафедрой газовой и волновой динамики механико-математического факультета ФГБОУ ВО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»