КЛИМАТ ЗЕМЛИ

Антропогенные изменения климата

Как отмечалось в предыдущих разделах, первостепенное значение на формирование и географию климата оказывает размещение литосферных плит на земной сфере и характер их перемещения. Ввиду того что литосфер- ные плиты дрейфуют очень медленно, со скоростями, равными нескольким сантиметрам в год, то их воздействие на глобальный климат проявляется через несколько миллионов—десятков миллионов лет. В это время происходит или резкое нарушение климатической зональности, или смещение климатических поясов на несколько сот километров в ту или иную сторону.

На колебания климата с периодичностью в несколько десятков и сотен тысячелетий влияет изменение концентрации углекислого газа в атмосфере. На протяжении мезозоя и кайнозоя происходила естественная убыль содержания углекислого газа в атмосфере, и в строгой зависимости от этого менялась климатическая зональность.

Только за последние десятилетия в результате сжигания различных видов жидкого и твердого топлива концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась более чем на 0,003 %.

Столь значительное увеличение содержания углекислого газа в атмосфере компенсирует его естественную убыль более чем за 200 тыс. лет. И это несмотря на все возрастающую вырубку лесов и существование такого активного поглотителя С02, как

моря и океаны. Следовательно, хозяйственная деятельность чело- ' века не только существенно замедлила процесс естественной убыли углекислоты в атмосфере, но и изменила знак тенденции, во много раз увеличила скорость накопления С02. Таким образом, непреднамеренное воздействие человека на атмосферу имеет огромное научное и практическое значение. Даже если в какой-то момент в будущем по каким-либо причинам полностью прекратится воздействие человека на атмосферу, что само по себе весьма проблематично и невероятно, то уже возросшая концентрация углекислоты в атмосфере отсрочит возникновение оледенения на десятки, а может быть, и сотни тысяч лет. Более того, даже при сохранении масштабов современного воздействия человека на атмосферу, а оно имеет определенную тенденцию к резкому возрастанию, вероятность глобального оледенения Земли в будущем может быть полностью исключена.

Как показали исследования последних лет, сильно возросшие масштабы влияния хозяйственной деятельности человека на климат создают вполне реальные перспективы видоизменения глобального климата не только в отдаленном будущем, но и в ближайшие десятилетия. Многими климатологами признается, что хотя грядущие изменения климата не будут иметь такого губительного воздействия на природные условия, как это было во время четвертичного оледенения, но тем не менее они создадут целый ряд дополнительных и значительных трудностей для хозяйственной деятельности человечества.

Вопрос об антропогенных воздействиях на климат в ближайшие десятилетия, характер климатических изменений и факторов, приводящих к этому, были подробно рассмотрены М. И. Будыко [17—19]. В предстоящие десятилетия основное воздействие на климат будут оказывать, по крайней мере, три главных фактора: 1) скорость роста различных видов топливной энергетики; 2) увеличение содержания углекислого газа в атмосфере в результате активной хозяйственной деятельности людей; 3) изменение концентрации атмосферного аэрозоля.

В XX в. все возрастающее влияние на температурный режим, а следовательно, и на климат оказывает неуклонный рост концентрации углекислого газа в атмосфере, обусловленный резко возросшим количеством сжигаемого топлива. Причем этот антропогенный процесс соизмерим с глобальным естественным процессом нарастания углекислоты, который протекал неоднократно в геологической истории Земли. Отличительной особенностью является очень большая скорость антропогенного прироста углекислого газа, которая на несколько порядков превышает его естественное возрастание в геологическом прошлом. Некоторое влияние на содержание углекислого газа в атмосфере и формирование климата оказывает вырубка лесов и размещение новых сельскохозяйственных угодий. Сокращение площади лесных массивов приводит, по крайней мере, к двум весьма нежелательным для человечества последствиям. Во-первых, в этом случае резко сокращается процесс переработки углекислого газа и выделения растениями свободного кислорода в атмосферу. Во-вторых, при вырубке лесов, как правило, увеличивается альбедо земной поверхности.

Поэтому для правильной и объективной оценки предстоящих изменений климата, вызванных антропогенным воздействием на биосферу и земную поверхность, должны быть применены целенаправленные исследования, рассматривающие перспективы роста и потребления энергетики, прогноз потребления лесных богатств в связи с этим изменение облика земной поверхности. Вполне естественно, что достоверность прогнозов сильно уменьшается по мере того, как они охватывают все более отдаленные от нас времена.

По мнению многих исследователей, и в частности М. И. Будыко [19], наиболее надежным прогнозом в развитии энергетики являются прогнозы для 2000—2025 гг. Можно полагать, что несмотря на значительный запас топливных ресурсов, главным образом горючих сланцев и каменного угля, запасы их в легко доступных и экономически развитых районах постепенно истощаются. Освоение новых перспективных районов и необходимость добычи горючих полезных ископаемых с более значительных глубин шахтным способом приведут к значительному их удорожанию. Это будет способствовать более широкому применению в промышленных целях ядерной и термоядерной энергии, потребление которой не связано с образованием значительного количества углекислого газа.

Перспективы роста атомной энергетики и научно-технического прогресса в этой области трудно предсказуемы даже для начала XXI столетия. Поэтому многие авторы прогнозов используют всевозможные оценки в виде отдельных сценариев. Оценки же вероятных концентраций углекислого газа в атмосфере для второй половины XXI в. и более отдаленного времени, выполненные многими исследователями, имеют весьма приближенный характер.

В модели К. Килинга и Р. Бекестоу [152] предложено четыре различных сценария использования ископаемого топлива в течение ближайших столетий и в связи с этим рассчитано образование углекислого газа ( 8.5). Во всех четырех сценариях количество углекислого газа, выделяемого при сжигании топлива, увеличивается по сравнению с современной эпохой в несколько раз, но в дальнейшем, уже в начале XXI в., поступление углекислого газа в атмосферу будет резко убывать. В расчетах учитывается особенность круговорота углекислого газа между атмосферой, океаном и биосферой. Как свидетельствуют расчетные данные Килинга и Бекестоу [152], масса углекислого газа в атмосфере может увеличиться д 60г в 6—8 раз по сравнению ^ с ее содержанием в начале XIX в., т. е. в до- индустриальный период ( 8.6).

В результате сжигания ископаемого топлива, согласно расчетным данным, в 2100 г. концентрация углекислого газа в атмосфере достигнет 0,2 %. Эта величина примерно соответствует содержанию углекислого газа в атмосфере силурийского, каменноугольного, триасового, мелового периодов и в эоценовую эпоху. Следовательно, на первый взгляд легко напрашивается вывод о том, что температурный режим в конце XXI в. будет соответствовать термическим условиям отдаленных геологических эпох. Вероятнее всего такие расчеты являются односторонними и учитывают изменение углекислого газа в атмосфере только от уровня развития энергетики.

Принципиально важным из произведенных расчетов является вывод о том, что понижение столь высоких концентраций углекислого газа будет происходить довольно медленно и, по-видимому, только через несколько тысячелетий оно вновь достигнет современного уровня.

Однако в модели Килинга и Бекестоу [152] не учитывается изменение массы органического вещества и общей массы биосферы на протяжении фанерозоя, которые оказывают сдерживающее влияние на рост углекислого газа. По данным В. Ревелла и В. Манка [19], которые изучали баланс углекислого газа при различных вариациях массы биоты и континентах, видно, что по мере увеличения количества углекислого газа масса фотосинтези- рующих организмов растет, поэтому в конечном счете концентрация С02 в атмосфере уменьшается. Если же учесть, что в результате вырубки лесов общее количество биоты, перерабатывающей углекислый газ, уменьшится, то скорость роста С02 в атмосфере будет большей, чем это было представлено в модели Килинга и Бекестоу. Согласно этим авторам, концентрация углекислого газа в атмосфере в 2000 г. ожидается равной 0,037—0,039 %, а в 2025 г.— 0,047—0,074 %. Близкие значения содержания углекислого газа в атмосфере дают и другие авторы.

В процессе расчетов изменения температуры в ближайшем будущем необходимо учитывать также возможные изменения содержания других газов или примесей, находящихся в атмосфере, которые прямо или косвенно оказывают влияние на климат. Неоднократно многими исследователями указывалось на важную роль антропогенного аэрозоля в формировании климата. Частицы аэрозоля в нижней стратосфере увеличивают альбедо атмосферы и тем самым способствуют снижению среднеглобальной температуры. Вероятность возможного возрастания антропогенного аэрозоля в ближайшем будущем мала по той простой причине, что во многих промышленно развитых странах во все увеличивающемся размере ведутся работы по улавливанию и утилизации практически всех примесей, выбрасываемых в атмосферу. Борьба с загрязнением атмосферы с каждым годом усиливается и в будущем вряд ли можно предполагать значительное возрастание количества антропогенного аэрозоля в атмосфере.

Вместе с тем в моделях не учитывается возможность крупных извержений вулканов с выбросом в атмосферу не только углекислого газа, но и большого количества других газов, в том числе и сернистого. Несмотря на значительные порции углекислого газа, поступающего в атмосферу при извержении вулканов, повышение количества выброшенных газов в нижней стратосфере способствует снижению глобальных температур. Так, в частности, было во время извержения вулкана Кракатау в 1883 г. или вулкана Кат- май в 1912 г., когда средняя глобальная температура понизилась на несколько десятых долей градуса.

Некоторые ученые считают, что в результате хозяйственной деятельности в атмосферу кроме углекислого газа будут поступать фреон, окиси азота и другие газы, так называемые малые газовые составляющие атмосферы, которые усилят эффект потепления, вызываемого увеличением содержания углекислого газа.

Изменение температурного режима. Изменение концентрации отдельных компонентов, входящих в состав атмосферы, в ближайшем столетии должно привести к повышению средней глобальной температуры. Согласно многим моделям, удвоение концентрации углекислого газа в атмосфере должно произойти на протяжении нескольких десятилетий, а это, по-видимому, вызовет повышение средней глобальной температуры на 3—4 °С.

Анализ многочисленных материалов по антропогенным факторам, воздействующим на климат, позволил М. И. Будыко еще в начале 70-х годов дать реальный прогноз увеличения концентрации углекислоты в атмосфере, которое приведет к повышению температуры в середине XXI в. Необходимо отметить, что этот прогноз в начале 70-х годов по сути дела был единственным. Многие климатологи в то время считали, что процесс похолодания, начавшийся в 40-х годах XX в., будет продолжаться и в будущем.

На основании собственных расчетов, анализа материалов наблюдений за последние 100 лет, а также учитывая данные С. Ма- набе, Р. Везеролда, К. Киллинга, Р. Бекестоу и других, М. И. Будыко показал, что концентрация углекислого газа в 2000 г. составит 0,037—0,039 %, а в 2025 г.—0,065—0,074 %, что приведет к повышению средних глобальных температур в 2000 г. на 0,5°С, а в 2025 г.—на 4—5°С.

Рост содержания углекислого газа в атмосфере вызывает неравномерный подъем температуры у земной поверхности. Наиболее интенсивно, так же как и в геологическом прошлом, температуры будут повышаться в средних и особенно в высоких широтах. По самым различным оценкам, скорость изменения и степень изменчивости температуры на этих широтах будет более чем в 2 раза превосходить среднее их повышение для всего земного шара.

Принимая во внимание то, что, несмотря на повышение средней глобальной температуры, в полярных областях какое-то время будут существовать ледяные поля, резко увеличивающие отражательную способность земной поверхности, а также возросшую площадь пустынь и полупустынь и областей, лишенных лесного покрова и обладающих высокими значениями альбедо, можно ожидать, что средняя глобальная температура на земной поверхности будет увеличиваться не на столь значительную величину. По мнению Будыко [19], средняя глобальная температура в 2025 г. возрастет примено на 2,5—3°С.

Определенное воздействие на снижение скорости роста температуры земной поверхности оказывает тепловая инерция морей и океанов. Морские воды по сравнению с воздухом и сушей нагреваются медленнее, но зато не так быстро охлаждаются и удерживают тепло довольно продолжительное время. Поэтому увеличение температуры морских вод на несколько лет будет запаздывать, но зато это будет компенсироваться дальнейшим самообогреванием планеты.

Исходя из предположения, что в конце XX в. средняя глобальная температура воздуха в северном полушарии увеличится на 0,5°С. М. И. Будыко [19] дает оценку вероятных изменений зональных температур воздуха для различных сезонов года:

Широта, °С               20—40            40—60            65        70        75—85

Зима               0,4       0,6       1,4       2,0 2,4

Весна             0,3       0,5       0,6       0,6 0,6

Лето               0,2       0,4       0,8       0,8 0,6

Осень             0,3       0,6       1,0       1,1 1,1

Приводимые значения могут рассматриваться как прогноз изменения температуры воздуха к концу XX в. по отношению к средней температуре в разные сезоны года в 1970 г.

Видно, что наибольшие изменения температуры приземного воздуха будут происходить в арктическом и субарктическом поясах в зимний и осенний периоды. В Арктике средняя температура воздуха в зимнее время возрастет почти на 2,5°С. Такое потепление в зоне морских арктических льдов вызовет их постепенное таяние. Таяние ледяного покрова начнется в его периферических частях и медленно будет смещаться в центральные области, где толщина льда будет уменьшаться.

В результате антропогенного воздействия концентрация углекислого газа резко возрастет и станет соизмеримой с его содержанием в некоторые эпохи геологического прошлого, и, следовательно, ландшафтно-климатические (природные) условия этих эпох должны обладать определенными чертами сходства. Поэтому задача заключается в правильном подборе аналогов климата будущего. Как вытекает из многочисленных данных, содержание углекислого газа в атмосфере для середины XXI в. предполагается таким же, каким оно было в начале плиоцена, т. е. примерно около 5 млн. лет назад. В это время концентрация углекислого газа, по приближенным оценкам, составляла 0,04—0,05 %. Как глобальные, так и региональные палеоклиматические реконструкции этого времени, основанные на породах-индикаторах климата, литогенетических формациях, палеоботанических, палеозоологических и палинологических данных [80, 104, 105], показывают, что в это время на территории Советского Союза севернее 50° с. ш. средние январские температуры были на 10—15°С, а средние годовые — на 5—8°С выше, чем в настоящее время. На территории Кавказа и Средней Азии средние январские температуры в раннем плиоцене на 5—7°С, а средние годовые — на 2—3°С выше, чем современные.

Сравнивая палеоклиматические данные В. М. Синицына с современным темпом изменения температур, М. И. Будыко считает, что нулевая изотерма января в 2025—2050 гг. в Европе сместится по сравнению с современной примерно на 10—15° севернее и температурные условия на северо-западе европейской части СССР в первые десятилетия XXI в. будут такими же, как в настоящее время в Центральной Франции, а природные условия Западной Сибири будут напоминать условия южной части Польши.

Необходимо отметить, что прогноз изменения температуры в ближайшие 45—50 лет, проведенный М. И. Будыко [19] ( 8.1), очень близок к результатам, полученным В. В. Кел- логом. Согласно этому автору, в 2000 г. средняя глобальная температура воздуха возрастет на 1,2 °С, а в 2025 г.—на 2,6 °С.

В связи с увеличением температуры в ближайшие десятилетия должен измениться и характер водного режима земной поверхности. По данным К. Я. Винникова и П. Я. Гройсмана [24], следует, что глобальное потепление на 0,5 °С приведет к уменьшению количества зимних атмосферных осадков на значительной части степной и лесостепной зон примерно на 10—15 % и к увеличению их количества на 10—20% в субтропическом поясе. Причины такого изменения заключаются в существенном видоизменении атмосферной циркуляции в результате уменьшения разности температур между полюсами и экватором.

Когда же после сильного потепления исчезнут полярные и высокогорные льды и повысится уровень Мирового океана, на формирование атмосферных осадков в большей степени, чем в настоящее время, будет оказывать влияние рост испарения с резко возросших морских акваторий. Условия, подобные предполагаемым, т. е. тогда, когда отсутствовали ледяные шапки и горные ледники и площадь океанов и морей была больше, чем в настоящее время, неоднократно существовали в геологическом прошлом. Не говоря о таких теплых периодах геологического прошлого, как девонский, юрский, меловой или эоценовый, даже в конце неогена сплошные полярные льды в пределах северного полушария отсутствовали. Как уже отмечалось в предыдущих разделах, первые льды появились в Антарктиде в конце олигоценовой эпохи, т. е. примерно 20—22 млн. лет назад, а в северном полушарии — только 4—5 млн. лет назад. Следовательно, не только по характеру природных и температурных условий, но и по особенностям атмосферной циркуляции и влагооборота начало плиоценовой эпохи, а возможно, и климатический оптимум среднего миоцена могут быть аналогами предстоящих ландшафтно- климатических условий, которые предполагаются в XXI в.

Анализ, проведенный М. И. Будыко, дает основание предполагать, что в 2025 г. в современной тундровой зоне будут выпадать осадки в виде дождей около 500—600 мм/год. Учитывая, что средние летние температуры здесь будут составлять 15—20 °С, а средние зимние — от —5 до —8°С, эти области должны превратиться в зону умеренного теплого климата, с характерными ландшафтами зоны широколиственных или хвойно-широколиственных лесов. По данным Будыко, от современной тундровой зоны до линии Прибалтика—Северный Казахстан общее количество атмосферных осадков возрастет на 200—400 мм/год, а южнее они увеличатся на незначительную величину. В соответствие с развитием потепления возрастет испаряемость, наиболее сильно испаряемость увеличится в Казахстане и Средней Азии.