Факультет

Студентам

Посетителям

Влияние углекислого газа на климат

Вопрос о влиянии атмосферного углекислого газа на климат изучался в двух циклах исследований. Первый из них посвящен выяснению связи изменений климата в геологическом прошлом с колебаниями концентрации СO2 в атмосфере. Исследования этого направления были начаты в конце XIX в. работами Аррениуса и Чамберлина.

Во втором цикле изучалось влияние роста концентрации углекислого газа, обусловленного хозяйственной деятельностью человека, на современный климат. Эти исследования, начатые в 30-х годах нашего столетия Коллендером, приобрели сейчас большое значение в связи с перспективой антропогенного изменения глобального климата.

До недавнего времени работы этих двух циклов были мало связаны между собой, что ограничивало возможности выяснения влияния углекислого газа на климат. В последние годы были найдены пути совместного изучения обеих проблем.

Для количественного объяснения изменений климата необходимо знать его чувствительность к колебаниям внешних климатообразующих факторов. В частности, для выяснения зависимости климата от концентрации СO2 в атмосфере нужно оценить чувствительность климата к изменениям притока тепла, обусловленным колебаниями прозрачности атмосферы для длинноволновой радиации.

До недавнего времени при определении чувствительности климата использовались главным образом расчеты по моделям теории климата. Так как все существующие модели климата содержат различные упрощения, точность таких расчетов оставалась неясной, в связи с чем иногда делался вывод об отсутствии достаточно надежных оценок чувствительности климата к изменениям притока тепла.

В последние годы в этой области достигнут значительный прогресс в результате применения для оценки чувствительности климата к изменениям притока тепла ряда эмпирических методов, основанных на использовании данных об изменениях климата в геологическом прошлом, о современных изменениях климата и сезонных изменениях метеорологического режима. Все эти различные и совершенно независимые подходы дают близкие результаты при оценке параметров, характеризующих чувствительность климата. Эти результаты хорошо согласуются с данными расчетов чувствительности по моделям теории климата, включая детальные модели общей циркуляции атмосферы и схематизированные энергетические модели термического режима при определении их параметров по достаточно надежным эмпирическим материалам.

Из общих характеристик влияния углекислого газа на климат часто применяется величина — изменение средней глобальной температуры воздуха у земной поверхности при удвоении концентрации СO2 по сравнению с ее значениями в конце доиндустриальной эпохи.

Первая из этих оценок, полученная в работе Манабе и Везеролда, относится к условиям земного шара в целом и не включает учета обратной связи между полем температуры и площадью полярного снежно-ледяного покрова. Так как эта обратная связь является положительной, т. е. усиливающей чувствительность термического режима к изменениям притока тепла, соответствующее значение параметра ∆Тс должно быть несколько занижено. Данная обратная связь не учтена также в детальном расчете Аугустсона и Раманатана (оценка 3). Оценки 2 основаны на расчете распределения средних широтных температур, выполненного с учетом указанной обратной связи. Оценка 4 получена Раманатаном и др. также при учете этой обратной связи.

Оценки 5 и 7 найдены в работах Манабе и Везеролда. В первой из этих работ выполнен расчет изменения средних широтных значений элементов метеорологического режима при повышении концентрации СО2 в атмосфере, относящейся к средним годовым условиям. Во второй работе решена более общая задача, включающая расчет как широтных, так и долготных изменений метеорологических элементов при идеализированной топографии континентов и океанов. Оценка 6 получена в исследовании Манабе и Стоуфера, где учтено реальное размещение континентов и океанов и принят во внимание годовой ход метеорологических элементов. В этих работах использована детальная модель общей циркуляции атмосферы, включающая учет основных обратных связей между элементами климата, в том числе обратной связи между термическим режимом и снежно-ледяным покровом.

Оценка 8 основана на анализе эмпирических данных о современных изменениях климата. Оценки 9—10 получены по материалам об изменении климата в геологическом прошлом, когда эти изменения зависели от дополнительных обратных связей между альбедо земной поверхности и термическим режимом, которые не имеют существенного значения для современного изменения климата. К числу этих дополнительных связей относятся связи термического режима с изменениями площади континентальных оледенений и альбедо поверхности континентов, занятой растительным покровом, которые увеличивают чувствительность термического режима к колебаниям концентрации СO2. Эта поправка была принята во внимание при определении значений параметра ∆Тс в последней графе таблицы для обеспечения сравнимости этих оценок с оценками, относящимися к условиям современного изменения климата.

Среднее значение параметра ∆Тс, определенное различными способами, близко к 3°С, причем максимальное отклонение отдельных оценок от этого значения не превышает 1 °С. Расчет среднего отклонения отдельных оценок от указанного значения ∆Тс позволяет предполагать, что его вероятная погрешность составляет около 15%. В других обзорах величина ∆Тс считалась близкой к 2,5 °С, что лежит в пределах указанного интервала возможной погрешности.

Обращаясь к вопросу об использовании эмпирических данных для изучения влияния роста концентрации СO2 на климат, следует отметить возможность применения для этой цели материалов о современном изменении климата, о метеорологическом режиме в эпоху климатического оптимума голоцена, во время межледниковых эпох и в течение третичного периода.

Значение этих материалов для решения указанной задачи неодинаково. Изменение климата за последнее столетие только частично зависело от роста концентрации СO2; потепления голоцена и межледниковых эпох, по-видимому, зависели от колебаний элементов земной орбиты и наклона земной оси. Хотя в работах по теории климата установлено, что изменения притока тепла к системе Земля—атмосфера, обусловленные различными причинами, приводят к сходным изменениям климата, указанное различие может быть источником дополнительных погрешностей при изучении зависимости климата от концентрации СO2.

Из перечисленных выше случаев изменения климата в прошлом наиболее тесно связано с колебаниями концентрации СO2 кайнозойское похолодание, данные о котором имеют особую ценность для изучения зависимости климата от содержания углекислого газа в атмосфере. Эта ценность значительно возрастает из-за большого интервала изменения средней температуры у земной поверхности в течение кайнозойской эры, который составляет около 10 °С. Такое значение, намного большее диапазонов колебаний температуры в течение других перечисленных выше случаев изменения климата, соответствует изменению концентрации СO2 в интервале, который примерно равен ожидаемому росту концентрации СO2 под влиянием хозяйственной деятельности в течение ближайших столетий.

Приведены найденные в упомянутых выше работах значения концентрации углекислого газа в третичном периоде и верхнем мелу по сравнению с ее современным значением. Из данных таблицы можно заключить, что в плиоцене концентрация СО2 была больше современной почти в два раза, в миоцене — почти в четыре раза. Следует иметь в виду, что изменения концентрации углекислого газа за последние сто миллионов лет имели более сложную структуру, которая только частично охарактеризована шестью приведенными здесь средними значениями, относящимися к длительным интервалам времени. По-видимому, в прошлом происходили неоднократные более кратковременные колебания концентрации СO2 и термического режима.

Наиболее детальные исследования влияния углекислого газа на термический режим при помощи моделей общей циркуляции атмосферы выполнены в работах Манабе и Стоуфера и Манабе и Везеролда. Результаты этих работ не вполне совпадают. Если значения параметра ∆Тс, полученные во второй из них, хорошо согласуются с выводами ряда теоретических и эмпирических работ, то значения ∆Тс, найденные Манабе и Стоуфером, несколько меньше результатов других современных исследований. Заслуживает внимания, что данная величина ниже значений параметра ∆Тс, полученных при отсутствии учета обратной связи между термическим режимом и снежно-ледяным покровом, которая, как отмечено выше, увеличивает чувствительность климата к значениям концентрации СO2.

Представлены разности между средней широтной температурой на различных широтах при удвоении концентрации СO2 и ее современным значениям, по Манабе и Везеролду (кривая 1), Здесь изображены также результаты определения температуры для середины плиоцена на разных широтах северного и южного полушарий по материалам эмпирических исследований, обобщенных И. И. Борзенковой, М. В. Муратовой и И. А. Суетовой. Средние широтные значения разности температур в умеренных и высоких широтах, для которых имелись группы однородных данных, представлены кривыми 2. Для более низких широт использовались данные измерений температуры только в четырех районах (изображены в виде точек). Кривая 3 соответствует среднему распределению температуры по эмпирическими материалам.

Из указанных материалов следует, что средняя для земного шара температура воздуха у земной поверхности в середине плиоцена была выше современной на 2,9 °С. Эта величина почти совпадает со значением ∆Tс найденным Манабе и Везеролдом. Отметим, что в плиоцене на термический режим влияла обратная связь температур с отражательной способностью континентов, зависящей от состояния растительного покрова, которая не была принята во внимание в работе Манабе и Везеролда. Учет этой обратной связи увеличивает значение параметра ∆Тс примерно на 0,5 °С, т. е. на сравнительно небольшую величину.

Зависимость величины ДГ от широты по эмпирическим данным и по расчету Манабе и Везеролда оказывается очень сходной. Можно отметить, что эмпирические материалы указывают на несколько более значительное увеличение разности АТ с широтой по сравнению с результатом теоретического расчета.

Для выяснения зависимости термического режима от изменений концентрации СO2 в широком интервале ее значений можно использовать данные о палеотемпературах за последние сто миллионов лет, в течение которых концентрация СO2 уменьшилась почти в десять раз. В предыдущих работах с этой целью были применены материалы исследований В. М. Синицына, которые до недавнего времени были единственным источником, освещающим термический режим значительной части поверхности земного шара в течение всего фанерозоя. Сравнение карт температур воздуха, построенных Синицыным, с материалами более поздних исследований позволяет предполагать, что для третичного периода и мезозойской эры Синицын несколько преувеличил разности температур прошлого и современной эпохи в высоких и средних широтах и преуменьшил эти разности в низких широтах. Однако средние для северного полушария разности температур воздуха, рассчитанные при использовании карт Синицына, оказываются достаточно достоверными.

На этом рисунке в виде точек даны значения указанной выше разности, найденной по картам В. М. Синицына, для плиоцена, миоцена, олигоцена, эоцена — палеоцена и верхнего мела в зависимости от соответствующих концентраций углекислого газа.

Эмпирические величины изменения температуры могут быть сопоставлены с результатами теоретического расчета. В этом расчете принято, в соответствии с результатами нескольких современных исследований, что при постоянном альбедо удвоение концентрации СO2 приводит к повышению средней температуры воздуха у земной поверхности на 2,5 °С. Так как на протяжении последних ста миллионов лет альбедо Земли изменялось, эти изменения должны быть приняты во внимание при определении температур воздуха в геологическом прошлом.

Одна из причин изменения альбедо — аридизация континентов, которая произошла в конце плиоцена и в плейстоцене. Как отмечено выше, это привело к понижению средней температуры воздуха примерно на 0,5 °С. Другая причина — появление и постепенное увеличение площади снежного и ледяного покровов в высоких широтах. Хотя влияние этих покровов на термический режим учитывается в большинстве современных теорий климата, точность таких расчетов обычно довольно ограничена из-за схематичности параметризации соответствующих процессов.

Влияние снежных и ледяных покровов на термический режим прошлого можно оценить на основе следующих эмпирических данных.

Из материалов спутниковых наблюдений следует, что в высоких широтах северного полушария летом в области, свободной от льда, альбедо системы Земля—атмосфера составляет около 0,40, тогда как среднее альбедо зоны с ледяным покровом приблизительно равно 0,55. Учитывая разность этих значений, принимая во внимание площадь постоянных и сезонных снежных и ледяных покровов, а также соотношение величин радиации в зоне снежно-ледяного покрова с ее средним глобальным значением, по данным о чувствительности средней температуры к изменению притока тепла можно найти, что существующий сейчас снежный покров и льды понижают среднюю для всей Земли температуру нижнего слоя воздуха примерно на 2°С.

Известно, что снежно-ледяной покров высоких широт возник еще в палеогене в форме горных оледенений, которые занимали сравнительно небольшую площадь и не оказывали существенного влияния на глобальный климат. В миоцене этот покров занимал значительную часть территории Антарктиды, что, как показывают расчеты, могло снизить среднюю глобальную температуру на 0,2—0,3 °С. Существенное расширение снежно-ледяного покрова произошло в плиоцене и особенно в конце плиоцена, когда возникли обширные зоны морских льдов и расширился сезонный снежный покров на континентах.

Изменения температуры воздуха в низких широтах при колебаниях климата сравнительно невелики. Поэтому для эмпирического исследования изменений климата большое значение имеют данные о повышении пли понижении температуры в средних и высоких широтах, где колебания температуры больше по абсолютной величине и их легче достоверно обнаружить.

Сопоставляя данные, можно отметить хорошее качественное согласование этих независимых материалов. Так, в частности, на всех трех кривых заметно потепление, произошедшее в течение палеоцена—эоцена. На всех кривых обнаруживается резкое похолодание в олигоцене, максимум температуры в миоцене, похолодание в плиоцене по сравнению с миоценом. Некоторые различия в положении указанных максимумов и минимумов температуры, установленных по материалам различных исследований, объясняются неполным совпадением временных шкал каждого исследования, точность которых ограничена.

Наряду с главными закономерностями термического режима третичного времени из данных, можно найти более частные особенности колебаний климата. Например, на двух кривых после максимума температуры в миоцене заметно сравнительно кратковременное второе повышение температуры в неогене. Так как временной масштаб этого колебания климата меньше длительности отделов третичного периода, сопоставить указанное изменение термического режима с имеющимися материалами о содержании углекислого газа в атмосфере невозможно.

Хорошее качественное и количественное согласование изменений температуры, установленных эмпирическими методами и найденных по материалам о колебаниях концентрации СO2, позволяет заключить о достаточной достоверности данных о концентрации углекислого газа, об удовлетворительной точности материалов о палеотемпературах и о правильности использованных здесь оценок чувствительности термического режима к изменениям количества СO2 в атмосфере.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: