Система «природа — общество» и климат. О тепловом балансе Земли

Система «природа — общество» и климат. О тепловом балансе Земли

К.Я. Кондратьев, академик, В.Ф. Крапивин, доктор физико-математических наук 

Идущие в последние десятилетия дискуссии о глобальном потеплении с прогнозами природных катастроф мирового масштаба, как правило, заканчиваются безрезультатно по той простой причине, что выводы делаются на основе анализов ограниченного ряда наблюдений и использования неадекватных климатических моделей. Тем не менее, «ортодоксальная» концепция наступающей всемирной экологической катастрофы, вызванной глобальным потеплением, поддерживается многими международными документами. Понимание же реальной динамики интерактивной и функционирующей в режиме хаоса климатической системы «атмосфера-гидросфералитосфера-криосфера-биосфера» остается далеким от адекватности, тем более, что следует учитывать еще и внешние (космические) воздействия на эту систему. 

Одна из важных причин противоречивости суждений об изменении глобального климата связана с ограниченностью эмпирической диагностики климата главным образом анализом сравнительно коротких (около полутора столетий) рядов данных о приземной температуре воздуха. С другой стороны, очевидно, что основополагающее значение для понимания закономерностей пространственно-временной изменчивости климата имеют данные об энергетике климатической системы — прежде всего результаты наблюдений и численного моделирования радиационного баланса Земли. Именно поэтому его исследования имеют относительно долгую историю, хотя лишь в течение последних нескольких десятилетий осуществлялись регулярные спутниковые наблюдения составляющих радиационного баланса планеты, которые позволили накопить сравнительно репрезентативный массив данных, характеризующих динамику радиационного поля Земли и его компонентов — поглощенной системой «Земля-атмосфера» солнечной радиации и уходящего длинноволнового излучения. 

Только за последние годы были предприняты первые попытки расчета полей радиационного баланса Земли и его компонентов не по заданным входным характеристикам полей температуры, облачности и состава атмосферы, а в рамках численного моделирования климата с использованием трехмерных глобальных моделей динамики климатической системы. Примером успешного моделирования является расчет радиационного поля Земли с помощью модели, созданной в Годдардовском институте космических исследований (США). Величины радиационного баланса рассчитаны при задании эволюции радиационных возмущающих воздействий за период 1880-2003 гг., обусловленных следующими климатообразующими факторами: парниковые газы, включая CO2, CH4, N2O, CFCI и некоторые другие малые газовые компоненты; рассеивающий (сульфатный) и поглощающий (черный углерод) аэрозоль; внеатмосферная солнечная радиация («солнечная постоянная»); альбедо снега; стратосферный аэрозоль; косвенное воздействие тропосферного аэрозоля на климат (посредством изменения процессов в облаках); процессы на поверхности суши (землепользование). Данные табл. 1 иллюстрируют полученные результаты. 

Таблица 1

Эффективное радиационное возмущающее воздействие за период 1880-2003 гг. с учетом парниковых газов, атмосферного аэрозоля и других факторов 

Фактор воздействия

Радиационное

возмущающее

воздействие, Вт/м2

Парниковые газы

Хорошо перемешанные

Озон

Стратосферный H2O

(за счет CH4)

Сумма

Внеатмосферная солнечная

радиация

Землепользование

Альбедо снега

Аэрозоль

Вулканический

Черный

Рассеивающий тропосферный

Косвенные воздействия

аэрозоля

Сумма

Арифметическая сумма

отдельных радиационных

возмущающих воздействий

Интерактивный учет всех

радиационных возмущающих воздействий 

 

2.75

0.24

 

0.06

3.05 ± 0.4

0.22(x2)

-0.09(x2)

0.74(x2)

0.00

0.43

-1.05

-0.77

 

-1.39 ± 0.7

 

 

1.93

 

 

1.80 ± 0.85

Результаты оценок среднеглобальных значений радиационного баланса Земли подтверждают их дезориентирующий характер при выводах о состоянии пространственно-временной изменчивости его компонентов. Достаточно отметить, что при оценке радиационного возмущающего воздействия за счет косвенного влияния аэрозоля, составившего в 2003 г. 1.39 Вт/м2, погрешность составила примерно 50%. Согласно данным табл. 1, суммарное эффективное радиационное возмущающее воздействие составляет +1.8 Вт/м2 при главном вкладе парниковых газов и неопределенности ±0.85 Вт/м2; обусловленной исключительно аэрозолем. Таким образом, аэрозоль оказывается в фокусе проблемы неопределенностей оценок изменений глобального климата, хотя не вызывает сомнений, что это только часть проблемы. Более сложные задачи возникают при попытках оценить ведущую роль внутренней нелинейной динамики климатической системы в формировании климата Земли. 

Главный результат численного моделирования, полученный в Годдардовском институте, состоит в оценках нарушения среднеглобального радиационного баланса Земли (положительного «разбаланса»), который до 1960 г. составлял лишь несколько десятых Вт/м2, но затем (исключая кратковременные периоды взрывных вулканических извержений) непрерывно возрастал, достигнув в настоящее время уровня +0.85 ± ± 0.15 Вт/м2, отображающего происходящее глобальное потепление климата. Подтверждением реальности «разбаланса» является наблюдаемая аккумуляция тепла Мировым океаном — главным резервуаром для избыточной энергии. Согласно расчетным данным, возрастание теплосодержания верхнего слоя океана толщиной 700 м за последнее десятилетие составило 6.0 ± ± 0.6 Вт/м2, тогда как соответствующее наблюдавшееся значение равно 5.5 Вт/м2. Результаты вычислений меридионального разреза («глубина-широта») поля температуры океана для различных вариантов численного моделирования выявили наличие значительных расхождений, отображающих хаотичность «океанической погоды», хотя основные особенности среднезонального поля трендов температуры океана в целом соответствуют наблюдаемым, выявляя более глубокое проникновение аномалий тепла вглубь океана в средних и высоких широтах и менее глубокое — в тропиках. 

Следует подчеркнуть, что обнаружение среднеглобального энергетического «разбаланса» имеет концептуальное значение, поскольку подобный «разбаланс» служит индикатором нарушения глобального экологического равновесия. Понятно, что при отсутствии антропогенных воздействий должна иметь место сбалансированность усредненных за большие промежутки времени значений прихода (поглощенная солнечная радиация) и расхода (длинноволновая уходящая радиация) энергии. Нарушение энергетического (теплового) баланса планеты отображает начало опасного процесса потери экологического равновесия в глобальных масштабах. Другим индикатором подобной потери является нарушение замкнутости глобальных биогеохимических круговоротов. 

Наблюдавшееся в период 1880-2003 гг. повышение среднеглобальной приземной температуры воздуха составило 0.6-0.7°С, что соответствует уровню возмущающего воздействия ~ 1 Вт/м2. Наличие избыточного тепла означает существование резервуара тепла (0.85 Вт/м2), который из-за большой инерционности климатической системы должен обусловить дальнейшее развитие процесса глобального потепления даже при неизменности содержания парниковых газов в атмосфере. Исторические аналогии говорят о том, что такой уровень возмущающего воздействия не мог существовать длительные периоды. В самом деле, если бы величина «разбаланса» сохранялась на протяжении всего периода голоцена (10 тысяч лет) на уровне ~ 1 Вт/м2, этого было бы достаточно для таяния глобального слоя льда толщиной 1 км. Поэтому естественно считать, что в геологических масштабах времени «разбаланс» не мог превосходить небольшой доли от 1 Вт/м2. 

Таблица 2

Наблюдавшиеся значения среднеглобальных возмущающих воздействий и эквивалентные изменения альбедо Земли (х103) 

Возмущающие воздействия

Альбедо

Усиление парникового эффекта атмосферы за время индустриальной эры (2.4 ± 0.2 Вт/м2)

Антропогенное аэрозольное радиационное возмущающее воздействие за время индустриальной эры

Оценки изменений альбедо по данным об отраженной Луной уходящей коротковолновой радиации (2000-2004 rr.)

Изменения альбедо по данным спутниковых наблюдений (2000-2004 гг.)

Изменения суммарной радиации: по спутниковым данным за период 1983-2001 гг.

— по данным наземных наблюдений за период 1985-2000 гг.

— по данным наземных наблюдений за период 1950-1990 гг.

 

-7+6

 

-4±4

 

+16

 

-6

 

-8

 

 

-13

+20

С точки зрения оценок достоверности вычислений среднеглобальных компонентов радиационного баланса Земли наиболее сложной является проблема учета роли альбедо. Анализ данных по годовому ходу альбедо, полученных с использованием моделей климата, выявил наличие значительных (превосходящих уровень изменчивости «парникового» радиационного возмущающего воздействия) расхождений, как между различными моделями, так и с результатами наблюдений, причем последние не обнаруживают того годового хода, который характерен для вычисленных величин альбедо. Такого рода расхождения свидетельствуют о недостаточной надежности результатов численного моделирования, обусловленной неадекватным учетом влияния облачности и аэрозоля на формирование альбедо. При современном уровне погрешностей спутниковых наблюдений достоверное распознавание таких изменений альбедо, которые эквивалентны антропогенно обусловленному усилению парникового эффекта атмосферы, оказывается невозможным. Существующую ситуацию иллюстрируют данные табл. 2. Видно, что уровень расхождений устрашающе значителен (рассматриваемые оценки расходятся даже по знаку). Отсюда следует очевидная некорректность использования понятия «глобальное потепление», отображающего иллюзию происходящего на всем земном шаре равномерного потепления климата. А это значит, что первостепенной задачей современной климатологии является продолжение развития систем наземных и спутниковых наблюдений с целью накопления длинных рядов достоверных данных наблюдений. Сложность и значимость этой задачи вытекает из сопоставления имеющихся спутниковых данных, согласно которым среднеглобальное альбедо Земли равно -0.29, а внеатмосферный интегральный поток солнечной радиации составляет 341 Вт/м2. Это означает, что изменение альбедо Земли всего на 0.01 эквивалентно изменению радиационного баланса на 3.4 Вт/м2, что сравнимо с эффектом удвоения концентрации CO2 в атмосфере. 

Противоречивость полученных в результате наблюдений и рассчитанных с помощью моделей данных о соотношении радиационного баланса и альбедо подтверждается многочисленными публикациями по этой теме. Ряд данных обнаруживает уменьшение уходящей коротковолновой радиации примерно на 2 Вт/м2 за период с марта 2000 г. по февраль 2004 г., что эквивалентно спаду альбедо Земли на -0.006. В тоже время существуют оценки, которые говорят о значительном возрастании уходящего коротковолнового излучения на 6 Вт/м2 и, соответственно, о повышении альбедо на 0.17. 

Влияние изменений альбедо на климат может проявляться по-разному. Если оно связано с вариациями свойств поверхности суши, аэрозоля, снежного или ледяного покровов, то при спаде альбедо Земля должна прогреваться, а при повышении альбедо — выхолаживаться. Альтернативная возможность состоит в существенном уменьшении среднеглобального среднегодового теплозапаса океана. Анализ данных наблюдений за 1992-2002 гг. показал наличие возрастания запаса тепла в Мировом океане на 0.7 ± 0.4 Вт/м2. Если принимать во внимание только изменение альбедо, то указанному значению должно соответствовать уменьшение уходящей коротковолновой радиации. В целом спутниковые наблюдения не выявили значимой роли облачности в повышении альбедо, что говорит о необходимости продолжения спутниковых наблюдений за облаками. 

Обработка данных измерений суммарной радиации за период 1960-1990 гг. показала, что имел место отрицательный тренд суммарной радиации на поверхности суши в пределах 6-9 Вт/м2. Это эквивалентно спаду суммарной радиации за 30 лет на 4-6%. Такой эффект получил название «потускнение» Земли. Однако начиная с 1990 г. возникла противоположная тенденция повсеместного «уярчения» Земли, что связывается со спадом аэрозольного загрязнения атмосферы за счет сокращения промышленных выбросов на территории бывшего СССР. Такой вывод подтверждается рядом наблюдений в Тыравере (Эстония). 

В рамках международного проекта по спутниковой климатологии облаков были реализованы численные расчеты радиационных балансов подстилающей поверхности на суше и всей Земли с пространственным разрешением 280 км и шагом по времени 3 часа за 18-летний период (1883- 2000 гг.). Сравнение полученных результатов с данными наблюдений показало, что использование усовершенствованной методики расчетов и уточненной входной информации позволяет снизить погрешности в оценках радиационных балансов для поверхности суши с 20-25 Вт/м2 до 10- 15 Вт/м2, а в глобальном масштабе — с 10- 15 Вт/м2 до 5-10 Вт/м2. Более того, была обнаружена тенденция возрастания суммарной радиации на 0.1% в год. Значит, усовершенствование климатических моделей и, что особенно важно, уточнение пространственно-временных распределений параметров этих моделей может улучшить оценки радиационного баланса планеты и помочь оценить роль различных факторов в его динамике. 

Анализ среднегодовых величин радиационного баланса показывает, что влияние облачности состоит в смещении длинноволнового радиационного выхолаживания в сторону внутритропической зоны конвергенции, способствуя стабилизации тропической атмосферы и усилению возмущающего воздействия на циркуляцию атмосферы за счет роста горизонтального градиента ее прогревания. Имеет место также смещение длинноволнового выхолаживания на большие высоты в зоне штормов средних широт. 

В декабре 1999 г. был запущен спутник Terra, на борту которого установлено пять видов научной аппаратуры, предназначенной для дистанционного зондирования климатической системы. В комплекс аппаратуры входит многолучевой видеоспектрорадиометр MISR (Multiangle Imaging SpectroRadiometer), который обеспечивает измерения уходящей коротковолновой радиации на длинах волн 446, 558, 672 и 866 нм при пространственном разрешении 275-1100 м для девяти направлений визирования в пределах ±70° по отношению к траектории спутника. Подобные многолучевые данные наблюдений уходящего коротковолнового излучения могут быть использованы для восстановления характеристик атмосферного аэрозоля, подстилающей поверхности и облачного покрова, которые являются важным дополнением к результатам спутникового наблюдения по фиксированным направлениям. Проведенные расчеты радиационного баланса с учетом данных измерений с MISR и подспутниковых измерений в штате Оклахома (США) 3 марта 2000 г. позволили обнаружить существенное снижение погрешности до 4% при переходе от двумерной к трехмерной модели климата. 

Новым этапом в развитии спутниковых наблюдений радиационного баланса Земли становятся разработки, связанные с использованием аппаратуры для измерения его компонентов, которая установлена на спутниках Meteosat второго поколения. Регулярные наблюдения, которые обеспечиваются этими спутниками с декабря 2002 г., позволяют получать данные об интегральной уходящей радиации в диапазоне длин волн 0.32-100.0 мкм и уходящей коротковолновой радиации на длинах волн 0.32-4.0 мкм через каждые 15 мин при пространственном разрешении около 40 м с погрешностью до 10%. Установленный на спутнике Meteosat-8 сканирующий многоканальный радиометр SEVERI (Spinning Enhanced Visible and Infra Red Imager) обеспечивает получение информации об обусловленном облачностью радиационном возмущающем воздействии при высоком пространственно-временном разрешении, что открывает перспективы более достоверного анализа факторов, влияющих на формирование радиационного баланса Земли. 

Таким образом, изучение и оценка экологического равновесия в глобальных масштабах тесно связаны с состоянием исследований компонентов радиационного баланса Земли и его зависимостей от параметров окружающей среды. Остающаяся здесь серьезная трудность связана с неточностью имеющихся методов и алгоритмов обработки и интерпретации данных наблюдений за динамикой системы «природа-общество». Степень надежности и достоверности данных наблюдений о состоянии радиационного баланса Земли зависит как от технического оснащения систем мониторинга окружающей среды, так и от методов обработки этих данных. Технические средства должны решать задачу получения информации об элементах климатической системы с необходимым пространственно-временным разрешением, а методы ее обработки — обеспечивать минимизацию погрешностей в оценках радиационного баланса. 

Для решения проблемы оценки теплового баланса Земли необходимо создание глобальной скоординированной сети наземных и спутниковых наблюдений, оснащенной техническими и алгоритмическими средствами, которые обеспечивали бы реализацию единого стандарта данных и их доступность для исследовательских целей. К сожалению, в настоящее время такой сети не существует, а получаемые данные обрабатываются фрагментарно и в недостаточных объемах. Ожидаемый прогресс в этом направлении связан с запланированным на ноябрь 2007 г. Мировым конгрессом по энергии и устойчивому развитию (Рим, Италия). В публикуемых материалах пока не просматривается нацеленность этого конгресса на решение глобальных энергетических проблем в контексте затронутых выше аспектов. Поэтому на пути осознания того факта, что изменения климата определяются сложным взаимодействием интерактивных компонентов климатической системы «атмосфера-гидросфера-литосферакриосфера-биосфера» а также получения достоверной оценки параметров этого взаимодействия в первую очередь стоит разобщенность систем природного мониторинга и отсутствие эффективного международного механизма управления получаемыми данными наблюдения и численного моделирования. Тем не менее, в последнее время наметился отход от необоснованных «апокалиптических» оценок климата и заявлений политиков, что вселяет надежду на переход к конструктивным решениям по проблеме климата на международном уровне. 

Парадокс противоречивых оценок изменений климата состоит в том, что в ходе дискуссий о климате странным образом отходят на задний план некоторые фундаментальные и совершенно очевидные обстоятельства, которые, однако, были детально изучены во многих публикациях российских специалистов в области климатологии. К сожалению, факт, что многие международные организации, занимающиеся планированием и реализацией программ изучения климата, как бы не замечают публикаций российских специалистов, включая и те, что имеются на английском языке. А ведь именно многие российские ученые выдвигают конструктивные идеи для преодоления трудностей, возникающих при изучении климата. Об этом красноречиво говорят их доклады на Всемирной конференции по климату, проходившей в Москве в 2003 г.