V.2. Антропогенное изменение климата и его последствия 2.I. Парниковый эффект
Источником энергии атмосферных процессов является солнечная радиация. К земной поверхности приходит коротковолновая радиация, тогда как нагреваемая таким образом Земля испускает в атмосферу и далее за ее пределы энергию в виде длинноволнового (инфракрасного, или теплового) излучения.
Некоторые газы в атмосфере, включая водяной пар, отличаются парниковым эффектом, то есть способностью в большей степени пропускать к поверхности Земли солнечную радиацию по сравнению с тепловым излучением, испускаемым нагретой Солнцем Землей.
В результате температура поверхности Земли и приземного слоя воздуха выше, чем она была бы при отсутствии парникового эффекта. Средняя температура поверхности Земли равна плюс 15°С, а без парникового эффекта она была бы минус 18°! Парниковый эффект - один из механизмов жизнеобеспечения на Земле. Ведущую роль в парниковом эффекте играет водяной пар, находящийся в атмосфере. Удивительно, что большую роль играют также газы, не отличающиеся высокой концентрацией в атмосфере. К основным парниковым газам относятся: углекислый газ (диоксид углерода) (С02), метан (СН4), оксиды азота, в особенности N20, и озон (Оз). В эту же категорию следует включить не встречающуюся в природе группу газов, синтезируемых человеком, под общим названием хлорфторуглероды.
Если баланс на верхней границе тропосферы между приходящей коротковолновой и отраженной длинноволновой радиацией не равен нулю, то возникает дополнительный эффект радиационного воздействия на атмосферу, приводящий либо к нагреванию (при преобладании приходящей радиации), либо к охлаждению тропосферы. Атмосфера реагирует на эти изменения, постепенно устанавливая новый радиационный баланс посредством соответствующего повышения или понижения температуры тропосферы и поверхности Земли.
121
Например, при удвоенной концентрации углекислого газа по сравнению с концентрацией в начале промышленной революции (1750— 1800 гг.) и при отсутствии других факторов эффект радиационного воздействия составил бы 4 вт/м2, а компенсационное повышение температуры было бы около 1°.
При более полном учете факторов и обратных связей между ними оказывается, что удвоение концентрации углекислого газа привело бы к повышению температуры на 2,5°С (IPCC, 1994). Эффект радиационного воздействия при удвоенной концентрации С02, равный 4 вт/м2, составляет 1,7% от величины коротковолновой солнечной радиации, поглощаемой атмосферой и поверхностью Земли и равной в среднем 240 вт/м2. Нарушение баланса приходящей и уходящей радиации всего лишь на 1,7% приводит, как видим, к очень серьезным изменениям климата. Это еще один пример высокой степени сбалансированности механизмов жизнеобеспечения экосферы, т.е. ее устойчивости. Деятельность человека за последние 200 лет, и в особенности после 1950 г., привели к продолжающемуся и в настоящее время повышению концентрации в атмосфере газов, обладающих парниковым эффектом (рис. 9). Неизбежно последовавшая за этим реакция атмосферы заключается в антропогенном усилении естественного парникового эффекта. Суммарное антропогенное усиление парникового эффекта оценивается, по состоянию на 1995 г., величиной +2,45 ватт/м2 (Международный Комитет по изменению климата IPCC).
Парниковый эффект каждого из таких газов зависит от трех основных факторов:
а) ожидаемого парникового эффекта на протяжении ближайших десятилетий или веков (например, 20, 100 или 500 лет), вызываемого единичным объемом газа, уже поступившим в атмосферу, по сравнению с эффектом от углекислого газа, принимаемым за единицу;
б) типичной продолжительности его пребывания в атмосфере, и
в) объема эмиссии газа.
Комбинация первых двух факторов носит название “Относительный парниковый потенциал” и выражается в единицах от потенциала С02. Она является удобным показателем текущего состояния парникового эффекта и используется в международных дипломатических переговорах. Относительная роль каждого из парниковых газов весьма чувствительна к изменению каждого фактора и к их взаимозависимости, и потому определяется весьма приближенно.
![Рис.<div class=]()
9. Средняя месячная концентрация углекислого газа в атмосфере за 1957-1993 гг. на Гавайских островах (Mayна Лоа) и Южном полюсе" /> Рис. 9. Средняя месячная концентрация углекислого газа в атмосфере за 1957-1993 гг. на Гавайских островах (Mayна Лоа) и Южном полюсе
Основные особенности газов с парниковым эффектом в атмосфере по состоянию в основном на 1994 г. приведены в табл. 6. Таблица 6. Основные особенности газов с парниковым эффектом
| Газ | Концентрация, частей на миллиард | Прирост концентрации, % за год | Относительный парниковый потенциал газа на ближайшие 20 лет | Продолжительность существования в атмосфере, гг. | Антропогенное усиление парникового эффекта, ватт/м2 |
| Диоксид углерода, С02 | 358000 | 0,4 | 1 | 50-200 | 1,56 |
| Метан, СН4 | 1720 | 0,6 | 12 | 12-17 | 0,47 |
| Оксид азота, N20 | 312 | 0,25 | 290 | 120 | 0,14 |
| Хлорфтор- углероды* | 0,1-0,3 | 0-5 | 300-8000 | 12-50 | 0,15 |
¦Данные взяты для наиболее типичных для 1995 г. веществ, как используемых, так и запрещенных к использованию, но еще находящихся в атмосфере.
Для понимания глобального парникового эффекта необходимо понять роль каждого из газов. Как видим, картина отличается большой сложностью и изменчивостью во времени.
Роль водяного пара, содержащегося в атмосфере, в общемировом парниковом эффекте велика, но трудно определима однозначно.
При потеплении климата содержание водяного пара в атмосфере будет увеличиваться, тем самым усиливая парниковый эффект. Диоксид углерода, или углекислый газ (СО2), отличается, по сравнению с другими парниковыми газами, относительно низким потенциалом парникового эффекта, но довольно значительной продолжительностью существования в атмосфере - 50-200 лет и сравнительно высокой концентрацией. Доля диоксида углерода в парниковом эффекте составляет в настоящее время около 64%, но эта относительная величина неустойчива, поскольку зависит от изменяющейся роли других парниковых газов.
Концентрация углекислого газа в атмосфере в период с 1000 по 1800 гг. составляла 270-290 частей на миллион по объему (ppmv). Затем она стала неуклонно увеличиваться с соответствующим возрастанием парникового эффекта. В 1958 г., когда начались постоянные инструментальные наблюдения, она была 315 ppmv, а к 1994 г. она достигла 358 ppmv и продолжает расти (рис. 9). Расчеты показывают, что при современном уровне эмиссии углекислого газа концентрация его в атмосфере будет неуклонно увеличиваться, достигнув 500 ppmv к концу XXI века. Стабилизация концентрации может быть достигнута посредством значительного сокращения объема выбросов.
Рассмотрим причины наблюдаемого роста концентрации, основываясь на антропогенной части глобального биогеохимического цикла углерода.
Основной источник поступления углекислого газа в атмосферу - сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа) для производства энергии. Около 80% всей энергии в мире производится за счет тепловой энергетики. Поступление углекислого газа в атмосферу за период с I860-по 1990 гг. увеличивалось в среднем на 0,4% в год. В течение 1980-х гг. она составляла 5,5±0,5 млрд. т (гигатонн) углерода в год.
Сокращение лесов тропического и экваториального пояса, деградация почв, другие антропогенные трансформации ландшафтов приводят в основном к высвобождению углерода, которое сопровождается его окислением, то есть образованием С02.
В целом эмиссия в атмосферу за счет преобразования тропических ландшафтов составляет 1,6+1,0 млрд. т углерода. С другой стороны, в умеренных и высоких широтах Северного полушария отмечается, в целом, преобладание восстановления лесов над их исчезновением. Для построения органического вещества лесов в процессе фотосинтеза углекислый газ забирается из атмосферы. Это количество, в пересчете на углерод, равно 0,5+0,5 млрд. т. Пределы точности, равные самой величине, указывают нам также на все еще весьма низкий уровень понимания антропогенной роли в некоторых звеньях глобального биогео- химического цикла углерода. В атмосфере в результате деятельности человека ежегодно дополнительно накапливается 3,3+0,2 млрд. т углерода в виде углекислого газа.
Мировой океан поглощает из атмосферы (растворяет, химически и биологически связывает) около 2,0+0,8 гигатонн углерода в виде углекислого газа. Суммарные величины поглощения углекислого газа океаном пока непосредственно не измеряются. Они рассчитываются на основе моделей, описывающих обмен между атмосферой, поверхностным и глубинным слоями океана.
Таблица 7. Глобальный баланс антропогенного углерода, млрд. т. за год
Источники СР2
| Поступление в атмосферу |
- Поступление в атмосферу вследствие сжигания горючих ископаемых и производства цемента
- Поступление в атмосферу вследствие трансформации ландшафтов в тропической и экваториальной зонах
| 5,5±0,5 1,6±1,0 |
| Поглощение различными резервуарами |
- Аккумуляция в атмосфере
- Аккумуляция Мировым океаном
- Аккумуляция в биомассе Северного полушария
| 3,3±0,2 2,0±0,8 0,5±0,5 |
| (6) Остаточный член баланса, объясняемый поглощением С02 экосистемами суши (фертилизация и др.) = (1+2)-(3+4+5) | 1,3±1,5 |
Увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере должно стимулировать процесс фотосинтеза.
Это так называемая фертилиза- ция, благодаря которой, по некоторым оценкам, продукция органического вещества может возрасти на 20—40 % при удвоенной по сравнению с современной концентрацией углекислого газа. Исследования процесса фертилизации проводились пока только в лабораторных условиях. Глобальная оценка поглощения углекислого газа растительностью мира вследствие ее фертилизации на 1980-е гг. составляет 0,5-2,0 млрд. т за год. В балансе антропогенных потоков углерода все пока еще плохо понимаемые процессы, протекающие в экосистемах суши, включая фертилизацию, оцениваются в 1,3±1,5 млрд. т. Баланс антропогенного углерода за 1980-1989 гг., связанный с эмиссией, поглощением и изменением запасов углекислого газа, в млрд. т за год, представлен в табл. 7.
Как видим, невязка баланса значительна, и более глубокое ее объяснение - один из крупнейших, пока недостаточно решенных вопросов. По-видимому, необходимо более углубленное изучение режима антропогенного углерода как в Мировом океане и отдельных его частях, так и в экосистемах суши.
Метан (СН4) также играет заметную роль в парниковом эффекте, составляющую приблизительно 19 % от общей его величины (на 1995 г.). Метан образуется в анаэробных условиях, таких как естественные болота разного типа, толща сезонной и вечной мерзлоты, рисовые плантации, свалки, а также в результате жизнедеятельности жвачных животных и термитов. Оценки показывают, что около 20% суммарной эмиссии метана связаны с технологией использования горючих ископаемых (сжигание топлива, эмиссии из угольных шахт, добыча и распределение природного газа, переработка нефти). Всего антропогенная деятельность обеспечивает 60-80 % суммарной эмиссии метана в атмосферу.
В атмосфере метан неустойчив. Он удаляется из нее вследствие взаимодействия с ионом гидроксила (ОН) в тропосфере. Несмотря на этот процесс, концентрация метана в атмосфере увеличилась примерно вдвое по сравнению с доиндустриальным временем и продолжает расти со скоростью около 0,8 % в год.
Эмиссия метана из болот зоны избыточного увлажнения Северного полушария и из районов вечной мерзлоты весьма чувствительна к изменениям температуры и осадков. Измерения показывают, что рост температуры и увеличение увлажненности (то есть продолжительности нахождения территории в анаэробных условиях) еще более усиливают эмиссию метана. Это характерный пример положительной обратной связи. Наоборот, снижение уровня грунтовых вод из-за пониженной увлажненности должно приводить к уменьшению эмиссии метана (отрицательная обратная связь).
Текущая роль оксида азота (N20) в суммарном парниковом эффекте составляет всего около 6%. Концентрация оксида азота в атмосфере также увеличивается. Предполагается, что его антропогенные источники приблизительно вдвое меньше естественных. Источниками антропогенного оксида азота является сельское хозяйство (в особенности пастбища в тропиках), сжигание биомассы и промышленность, производящая азотсодержащие вещества. Его относительный парниковый потенциал (в 290 раз выше потенциала углекислого газа) и типичная продолжительность существования в атмосфере (120 лет) значительны, компенсируя его невысокую концентрацию.
Хлорфторуглероды (ХФУ) - это вещества, синтезируемые человеком, и содержащие хлор, фтор и бром. Они обладают очень сильным относительным парниковым потенциалом и значительной продолжительностью жизни в атмосфере. Их итоговая роль в парниковом эффекте составляет, на середину 1990-х гг., приблизительно 7%. Производство хлорфторуглеродов в мире в настоящее время контролируется международными соглашениями по защите озонового слоя, включающими и положение о постепенном снижении производства этих веществ, замене их на менее озонразрушающие с последующим полным его прекращением. В результате концентрация ХФУ в атмосфере начала сокращаться.
Озон (Оз) - важный парниковый газ, находящийся как в стратосфере, так и в тропосфере. Он влияет как на коротковолновую, так и на длинноволновую радиацию, и потому итоговые направление и величина его вклада в радиационный баланс в сильной степени зависят от вертикального распределения содержания озона, в особенности на уровне тропопаузы, где надежных наблюдений пока недостаточно. Поэтому определение вклада озона в парниковый эффект сложнее по сравнению с хорошо перемешиваемыми газами. Оценки указывают на положительную результирующую(приблизительно +0,4 ватт/м2).
V.2.3. Воздействие тропосферных аэрозолей на парниковый эффект
Аэрозоли - это твердые частицы в атмосфере диаметром от 10'9 до 10‘5 м, или от 10'3 до 101 микрон (цм). Они образуются вследствие ветровой эрозии почвы, извержений вулканов и других природных процессов, а также благодаря деятельности человека (сжигание горючих ископаемых и биомассы).
Антропогенные аэрозоли двояко влияют на радиационный баланс Земли:
а) непосредственно, через поглощение и рассеивание солнечной радиации, и
б) косвенно, так как аэрозоли действуют как ядра конденсации, играющие важную роль в образовании и развитии облаков, влияющих, в свою очередь, на радиационный баланс.
Существует много неопределенностей в понимании роли аэрозолей в парниковом эффекте из-за высокой региональной изменчивости их концентрации и химической композиции, при малом количестве непосредственных наблюдений. В целом можно сказать, что антропогенные аэрозоли снижают величину радиационного баланса, то есть несколько компенсируют антропогенный парниковый эффект. Вследствие роста содержания аэрозолей в воздухе за время начиная с 1850 г. их суммарный и осредненный для мира непосредственный антропогенный эффект равен примерно -0,5 ватт/м2, при примерно близкой величине его косвенного воздействия.
В отличие от парниковых газов, типичный срок существования аэрозолей в атмосфере не превышает нескольких дней. Поэтому их радиационный эффект быстро реагирует на изменения эмиссии загрязнений и столь же быстро прекращается.
В отличие от глобального воздействия газов с парниковым эффектом эффект атмосферных аэрозолей является локальным. Географическое распространение сульфатных аэрозолей в воздухе в основном совпадает с промышленными районами мира. Именно там локальный охлаждающий эффект аэрозолей может значительно уменьшить и даже свести практически на нет глобальный парниковый эффект.
Извержения вулканов - нерегулярный, но существенный фактор образования высоких концентраций аэрозольных частиц, вызывающих рассеивание солнечной радиации и поэтому заметные похолодания. Катастрофический взрыв вулкана Тамбора в 1815 г. в Индонезии привел к заметному снижению температуры воздуха во всем мире в течение трех последующих лет. Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 г., сопровождавшееся весьма значительным объемом выбросов пепла, с климатологической точки зрения, - важнейшее извержение века. В течение первого года после извержения вулкана его радиационное воздействие было равно -4 вт/м2, после второго года -1 вт/м2. Соответствующее отклонение мировой температуры от средней было наибольшим в 1992 г. и составляло минус 0,4-0,6°. Таким образом, воздействие лишь одного извержения было сравнимо с глобальным парниковым эффектом за текущее столетие. Неудивительно, что когда в геологическом масштабе времени происходили значительные вулканические события, они очень сильно влияли на изменения глобального климата.
V.2.4. Гидроклиматические последствия антропогенного парникового эффекта
Накопление парниковых газов в атмосфере и последующее усиление парникового эффекта приводит к повышению температуры приземного слоя воздуха и поверхности почвы. За последние сто лет средняя мировая температура повысилась приблизительно на 0,3- 0,6°С. В особенности заметный рост температуры происходил в последние годы, начиная с 1980-х гг., которые были самым теплым десятилетием за весь период инструментальных наблюдений. Анализ глобальных данных по температурам воздуха позволил сделать обоснованный вывод о том, что наблюдаемый рост температуры обусловлен не только естественными колебаниями климата, но и деятельностью человека. Можно полагать, что прогрессирующее антропогенное накопление парниковых газов в атмосфере приведет к дальнейшему усилению парникового эффекта. (Некоторые ученые полагают, что, наоборот, повышения температуры воздуха первичны. Они вызывают прогрессирующее накопление углекислого газа.)
Оценки ожидаемых изменений климата обычно производятся на основе использования глобальных моделей циркуляции атмосферы. Это модели очень большой размерности, описывающие атмосферные процессы в узлах регулярной сетки с шагом 250-400 км по горизонтали и приблизительно на 10-20 уровнях в атмосфере и океане. Сложность моделей постоянно увеличивается по мере совершенствования технических качеств компьютеров и накопления новых данных наблюдений.
Однако точность моделей все еще не высока даже для расчетов на глобальном уровне. Прогноз же изменений по регионам мира, чрезвычайно важный для практических целей, пока еще вряд ли надежен. Кроме того, необходимо учитывать возможные изменения в деятельности человека, осознанные или неосознанные, приводящие к изменениям в накоплении парниковых газов, а значит и к последующим изменениям парникового эффекта. Эти обстоятельства учитываются посредством составления различных сценариев.
В соответствии со сценарием наиболее вероятной величины эмиссии парниковых газов, средняя мировая температура приземного слоя воздуха за период с 1990 по 2100 гг. увеличится приблизительно на 2°С. По сценариям низкой и высокой эмиссии рост температуры составит соответственно 1°С и 3,5°С. В любом варианте, потепление будет значительнее, чем все колебания климата в течение голоцена, то есть последних 10000 лет, и будет очень серьезной проблемой для человечества.
Вследствие термической инерции океанов средняя температура воздуха будет повышаться и после 2100 г., даже если концентрация парниковых газов к этому времени стабилизируется.
Прогнозируемые изменения климата по регионам отличаются от средних глобальных, но надежность прогнозов регионального климата в основном невелика. При удвоении содержания углекислого газа в атмосфере по сравнению с преиндустриальным периодом повышение температуры воздуха в различных регионах будет в пределах между 0,6°С и 7°С. Суша будет нагреваться больше, чем океаны. Наибольшее повышение температуры ожидается в арктических и субарктических поясах, в особенности зимой, в основном вследствие сокращения площади морского льда.
Рост температуры воздуха будет сопровождаться увеличением количества осадков, хотя картина пространственного изменения распределения осадков будет более пестрой, чем распределение температуры воздуха. Вариация изменения осадков будет находиться в пределах от -35% до +50%. Надежность оценки изменений влажности почвы, что столь важно для сельского хозяйства, также значительно ниже, чем оценки изменения температуры воздуха.
Очень важно также, что относительно небольшие изменения средних показателей климата будут, по всей вероятности, сопровождаться повышением частоты редких, катастрофических событий, таких как тропические циклоны, штормы, засухи, экстремальные температуры воздуха и пр.
В последнее столетие происходил неуклонный рост среднего уровня Мирового океана, составивший 10-25 см. Основные причины роста уровня океана - термическое расширение воды вследствие ее нагревания из-за потепления климата, а также дополнительный приток воды вследствие сокращения горных и небольших полярных ледников. Эти же факторы будут работать и в дальнейшем, с постепенным подключением в более отдаленном будущем талых вод Гренландского, а затем и Антарктического ледниковых щитов. В соответствии со сценарием наиболее вероятного развития событий ожидается, что уровень Мирового океана поднимется к 2100 г. на 50 см, а с учетом неопределенности прирост уровня ожидается в пределах от 20 до 86 см. Сценарии для более значительного и менее значительного повышения температуры дают повышение среднего уровня на 95 и 15 см соответственно. Уровень океана будет продолжать расти в течение нескольких столетий после 2100 г., даже если концентрация парниковых газов стабилизируется. Рост уровня океана вызовет серьезные естественные и социально-экономические проблемы в прибрежных зонах морей и океанов.
В больших многокомпонентных системах между временем наступления причины и следствия существует определенное запаздывание. Если эмиссия парниковых газов стабилизируется, то по прошествии интервала времени от десятилетий до тысячелетий концентрация газов в атмосфере также стабилизируется. Глобальная система климата приходит в равновесие через десятки-сотни лет после стабилизации концентраций парниковых газов. Приведение уровня океана в соответствие с установившимся климатом требует столетий. На восстановление экологических систем нужны десятилетия и даже столетия, причем некоторые компбненты системы могут и совсем не восстановиться (например, некоторые биологические виды). Очень высокая инерционность всех событий вызывает большие трудности при разработке и осуществлении стратегий взаимодействия общества с изменяющимся климатом.
