Система «природа — общество» и климат. Природная экодинамика по данным наблюдений

Система «природа — общество» и климат. Природная экодинамика по данным наблюдений

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

Современные средства наблюдения за природно-техногенными процессами из космоса и с помощью наземных информационных систем позволяют получить множество сведений о состоянии различных элементов глобальной системы природа-общество. Эти сведения используются национальными и международными организациями для оценки состояния окружающей среды с учетом возможного принятия решений о реализации технических проектов и прогнозирования их последствий для окружающей среды. К сожалению, пока не созданы условия для оптимального принятия этих решений, так как отсутствует научно обоснованная координация между изменениями природной среды и динамикой антропогенных процессов. Тем не менее, все системы наблюдения за Землей нацелены на получение данных о глобальных изменениях окружающей среды. При этом внимание акцентируется на отдельных проблемах, таких как оценка распределения стоков атмосферного углерода в биосферные резервуары; состояние лесных массивов, процессы обезлесивания и облесения; динамика опустынивания и изменение структуры земных покровов; состояние водных ресурсов, распределение запасов пресных вод и изменение составляющих глобального водного баланса; интенсивность и пространственно-временные характеристики опасных природных явлений; изменение приземной температуры атмосферы и тенденции изменения климата; изменение газового состава атмосферы; взаимодействие океана, атмосферы и суши. 

Этот перечень ключевых вопросов глобальной экодинамики в различных программах мониторинга окружающей среды, как правило, интерпретируется с позиций односторонних стереотипов понимания глобальных изменений. Однако существует очевидная истина: глобальная система атмосфера-гидросфера-литосфера-криосфера-биосфера-общество исключительно сложна и характеризуется наличием многочисленных обратных связей между ее компонентами. Поэтому, собирая данные об отдельных компонентах, необходимо всегда учитывать наличие их окружения, которое осуществляет регулирование энергетических потоков и формирует условия функционирования каждого компонента природной и антропогенной среды. 

Анализ данных наблюдений в большинстве случаев сводится к рассмотрению информации трех категорий: 

изменение приземной температуры воздуха (ПТВ) за последние полтора столетия и особенно за последние 20-30 лет, когда наблюдалось наиболее значительное повышение среднеглобальной среднегодовой ПТВ; 

изменение структуры земных покровов; 

палеоклиматические изменения. 

Последние привлекают внимание с точки зрения их сопоставления с современными тенденциями изменения климата и в некоторой степени — как аналог возможных изменений климата в будущем (подобные попытки продолжают иметь место, хотя уже неоднократно и убедительно аргументировалась некорректность использования палеоаналогов для прогнозирования климата будущего). Другие характеристики окружающей среды, так или иначе, сводятся к характеристикам климата. 

По определению, климат характеризуется значениями метеорологических параметров, осредненными за промежуток времени, равный 30 годам (например, аномалии климата за 1990-е гг. определяются как отклонения от средних значений за 1961-1990 гг.). Несмотря на это, широко практикуется анализ пространственно-временной изменчивости климата за отдельные годы. В частности, Всемирная метеорологическая организация ежегодно публикует сводки о глобальном климате. 

1990-е гг. в целом были самым теплым десятилетием за весь период метеорологических наблюдений, начиная с 1860 г., а 1999 г. оказался пятым по уровню аномалий среднеглобальной среднегодовой ПТВ (+0.33°С) за период с 1860 по 1999 г. На пятом месте была и средняя аномалия ПТВ (+0.45°С) в северном полушарии, но в южном полушарии она оказалась лишь на десятом месте (+0.2°С). В то же время в октябре 1999 г. среднеглобальная ПТВ была на 0.2°С ниже среднего значения за период 1979-1999 гг. 

Полоса максимальных среднегодовых положительных аномалий ПТВ простиралась от Северной Америки на восток через Атлантический океан и Евразию к экваториальной полосе западного сектора Тихого океана. Минимальные аномалии ПТВ (включая понижение ПТВ) наблюдались в широкой полосе центрального и северо-восточного регионов Тихого океана. Анализ данных наблюдений выявил преобладание положительных аномалий температуры в 1999 г. во многих регионах земного шара. Наиболее яркие аномальные ситуации включают события как потепления, так и похолодания, в том числе: 

наблюдавшаяся в январе волна холода породила понижение ПТВ в Норвегии, Швеции и в некоторых регионах России до уровней, не наблюдавшихся с конца XIX века; 

понижение температуры в феврале в Западной Европе сопровождалось сильными снегопадами в Альпах; 

ПТВ упала до значений ниже нормы в Западной Австралии, хотя наблюдавшееся в начале января экстремальное потепление привело к интенсивным кустарниковым пожарам; 

в Исландии температура в марте была самой низкой за последние 20 лет; 

в апреле мощные волны тепла сформировались в северном и центральном регионах Индии, а в июле и августе — в северо-восточном и средне-западном регионах США; 

необычайно жаркая и сухая погода наблюдалась в западной части России (аномалии ПТВ в центральном и северо-западном регионах европейской территории превосходили 5°С); 

в Австралии средняя максимальная ПТВ в ноябре-декабре оказалась самой низкой после 1950 г.; 

более холодной, чем обычно, была вторая половина года в Центральной и Южной Африке; регион Сахели был более облачным, холодным и влажным, чем в предыдущие годы; 

в США потепление за последние 50 лет было более слабым, чем на остальной части земного шара, причем в восточной части США имело место слабое похолодание. 

1999 г. характеризовался большим числом природных катастроф, особенно наводнений. В Австралии, США и Азии наблюдалось значительное количество тропических штормов, в Европе — сильные снегопады, лавины и бури, в США — засуха и торнадо. 

Среднегодовое среднеглобальное значение ПТВ в конце XX века более чем на 0.6 ± 0.2°С превосходило значение, зарегистрированное в конце XIX столетия. 

Анализ данных наблюдений ПТВ позволил сделать вывод, что начиная с 1850 г. имело место нерегулярное, но существенное потепление климата в глобальных масштабах, малозаметное с середины XIX века до 1910 г., но в дальнейшем возросшее до 0.1 °С за 10 лет. Два продолжительных эпизода похолодания были разделены интервалом небольшого похолодания, особенно в северном полушарии. В периоды с 1951-1960 гг. по 1981-1990 гг. наблюдалось изменение знака межполушарной разности температур: северное полушарие стало холоднее южного. 

Современное глобальное потепление рассматривалось некоторыми специалистами как связанное с внезапными изменениями в регионе Тихого океана около 1976 г. или с постепенным потеплением тропического пояса Тихого океана, а также с другими явлениями региональных масштабов. Существование такого рода закономерности установлено достаточно хорошо и приписывалось главным образом неустойчивости интерактивной системы атмосфера-океан в тропиках Тихого океана. Были выявлены периодичности около 4-6 лет и 2-3 лет, связанные с явлением Эль Ниньо/Южное Колебание (ЭНЮК). Наличие подобных закономерностей в масштабах десятилетней и междесятилетней изменчивости было труднее выявить ввиду недостаточной длины рядов наблюдений. Тем не менее, дополнительные наблюдения изменчивости температуры поверхности океана (ТПО) в Атлантическом океане позволили установить закономерности: 

постепенное повышение ТПО в обоих полушариях в 1910-1940 гг., продолжавшийся затем рост ТПО в северном полушарии до середины 1950-х гг., но более низкая ТПО в южном полушарии; 

похолодание океана северного полушария в 1960-1970-е гг. с подъемом температуры океана в южном полушарии, что обусловило изменение знака межполушарного контраста ТПО в начале 1970-х гг.; 

повышение ТПО в обоих полушариях в 1980-е гг. при небольшом ослаблении этой тенденции за последние годы. 

Недостаточная длина рядов инструментальных наблюдений не позволяет интерпретировать перечисленные глобальные закономерности как проявление более или менее монотонного повышения ТПО или как часть долговременных вековых колебаний (согласно косвенным данным, наблюдались колебания с периодами от 65 до 500 лет). К числу возможных внешних факторов изменчивости относятся рост концентрации CO2, изменение внеатмосферной инсоляции и вулканические извержения. Новым и удивительным результатом оказалось обнаружение того факта, что крупномасштабному потеплению и похолоданию предшествовала такая же изменчивость ТПО вблизи южной оконечности Гренландии, а вскоре после этого — в центральной части Тихого океана в северном полушарии. Это отображает важную роль высокоширотных процессов в Северной Атлантике и возможное взаимодействие через атмосферу с Тихим океаном. 

В масштабах времени около десятилетней изменчивости (7-12 лет) регулярных колебаний обнаружено не было. В Северной Атлантике проявлялись 13- 15 летние и 90-летние колебания. Вблизи мыса Гаттерас имели место междесятилетние колебания, которые распространялись вдоль Гольфстрима в зону Северной Атлантики, где происходило изменение их фазы (полученные ранее аналогичные результаты были довольно противоречивыми). В контексте поиска междесятилетних колебаний ЭНЮК рассматриваемые данные не выявили какого-либо существенного максимума изменчивости ТПО с периодами более 10 лет ни в Тихом океане, ни для всего Мирового океана, но в Индийском океане были обнаружены 20-летние колебания ТПО, которые оказались особенно регулярными в течение первой половины XX века (подобные колебания фиксировались и ранее). 

Анализ 7-8-летних колебаний выявил противоположность их фаз в субтропическом и субполярном круговоротах Северной Атлантики. Что касается межгодовой изменчивости (2-6 лет), то были зарегистрированы три доминирующих периода: 24-30, 40 и 60-65 месяцев. Первая из упомянутых периодичностей представляет собой хорошо известный квазидвухлетний компонент ЭНЮК, который наиболее сильно проявляется в тропиках восточного сектора Тихого океана, с аномалиями неизменного знака,распространяющимися вдоль западного побережья Северной и Южной Америки (в других океанах изменчивость такого рода пренебрежимо мала). 

Анализ данных спутниковых наблюдений ТПО, начиная с 1982 г., выявил наличие потепления на большей части тропиков и в средних широтах северного полушария. С 1948 по 1998 г. произошло существенное потепление Мирового океана. Наиболее сильно (в среднем на 0.31 °С) прогрелся верхний слой в 300 м, тогда как повышение температуры слоя глубиной 3 км составило 0.06°С. Подобное повышение температуры верхнего слоя океана предшествовало начавшемуся в 1970-е гг. подъему ПТВ. 

Обработка данных о ходе среднемировой температуры за последние пять веков показала, что за это время глобальное потепление составило примерно 1.0 К. Только за XX столетие, которое оказалось наиболее теплым, повышение температуры поверхности континентов достигло 0.5 К (около 80% потепления климата пришлось на XIX и XX столетия). Происшедшее за пять веков потепление было сильнее в северном полушарии (1.1 К), чем в южном (0.8 К). Информация о ПТВ прошлого получена главным образом на основе данных об изотопах кислорода в гренландских и антарктических ледяных кернах и измерений температуры в глубоких скважинах. 

Важное место в качестве индикатора глобальной динамики климата занимают спутниковые данные о протяженности морского ледяного покрова. Многочисленные исследования обнаружили статистически существенное уменьшение площади морских льдов, составившее (-0.01 ± 0.003) • 106 км2 за 10 лет. Индикатором динамики климата могут служить спутниковые данные об изменениях баланса массы ледников Гренландии. Результаты лазерной высотометрии для Северной Гренландии за 1994-1999 гг. свидетельствуют о том, что на высотах более 2 км ледяной щит в целом находился в состоянии баланса при наличии локальных изменений разного знака. Уменьшение толщины ледника преобладало на малых высотах, превосходя 1 м в год, что достаточно для повышения уровня Мирового океана на 0.13 мм в год (это эквивалентно примерно 7% наблюдавшегося подъема уровня океана). 

Особое место в наблюдениях за изменениями природной среды занимает Арктика. В последние годы началась реализация нескольких международных программ по изучению роли Арктического региона в наблюдающихся изменениях окружающей среды в других регионах земного шара. Основные задачи этих программ можно сформулировать в виде двух проблем: 

Оценка и синтез знания о том, как климат и ультрафиолетовая радиация изменились в Арктике, как они прогнозируются на будущее и каковы вероятные воздействия этих изменений на экодинамику в других широтах, здоровье населения, социальные, культурные и экономические системы. 

Обеспечение полезной информацией и рекомендациями правительств, организаций и населения с целью помочь принимать решения о реагировании на последствия изменений климата. 

Современное потепление в Арктике наряду с возрастанием температур сопровождается таянием льдов, сокращением их толщины и протяженности, оттаиванием вечной мерзлоты и повышением уровня океана. За 30 лет протяженность морского льда в Арктике сократилась на 10%, причем скорость этого сокращения за последние 20 лет была на 20% выше, чем за все 30 лет. Весь запас арктического льда, расположенного на суше, равен 3.1 млн. км3, что эквивалентно 8 м уровня моря. Скорость таяния льда Гренландии за 20 лет составила 0.7% в год, а за период с 1 979 по 2004 г. она оценивается величиной 15.9%, Наличие льдов Арктики и Антарктиды является мощным стабилизирующим фактором, так как с учетом всех запасов льдов (~28 • 106 км3) серьезных изменений климата можно ожидать лишь во временных масштабах, измеряемых столетиями. Например, даже при повышении температуры в Арктике на 3°С весь ледяной щит Гренландии может растаять не быстрее чем за 1000 лет. 

В последние годы особое внимание уделяется оценке изменений климата в Сибири и на Дальнем Востоке России, как регионах, напрямую связанных с Арктикой. Здесь отмечен рост температуры на 0.5-0.9°С за десятилетие. Наблюдается перераспределение осадков с их возрастанием зимой и незначительным сокращением в отдельных регионах летом. 

Например, в бассейне Амура за 30 лет осадки в холодный период года увеличились на 35%, а годовая сумма осадков возросла на 12.3%. 

Одна из важнейших проблем глобальной экодинамики состоит в оценке реакции растительных сообществ на изменения климата. К сожалению, нет однозначного ответа на вопрос о том, существует ли связь между изменениями климата и растительности как устойчивая закономерность, хотя в реальности она наблюдается в отдельных регионах. Например, северо-восток Бразилии имеет полупустынный климат. Сухой период длится 8 месяцев и препятствует развитию влажных тропических лесов, которые не могут выживать без дождей более 4 месяцев. Наличие такой пороговой величины является некоторым регулятором соотношения между климатом и растительностью в данном регионе. 

Особое внимание в международных программах по изучению окружающей среды уделяется тропическим лесам, которые покрывают территории более 70 стран. В этих лесах сосредоточено от 50 до 90% видов животных и растений. С ними связана жизнь более 0.5 млрд. человек. И именно тропические леса интенсивно преобразуются в другие типы земных покровов. Например, в Камеруне в 1991-2001 гг. тропические леса превращались в пальмовые плантации со скоростью 342.8 га в год. Особую озабоченность вызывает состояние лесов Амазонки и России, темпы сведения которых практически неизвестны. На международной конференции в Харбине (Китай) в феврале 2005 г. по проблемам использования земель в азиатском регионе было отмечено, что на территории Дальнего Востока России, занимающего около 30% территории страны, положение с лесным хозяйством по сравнению с 1990 г. несколько улучшилось. Площади лесов увеличились за счет резкого сокращения обрабатываемых территорий. Однако в целом проблема сохранения лесов на территории России остается слабо изученной. 

С позиций оценки глобальной экодинамики на основе наблюдений в последнее время возрос интерес к изучению глобальных процессов в атмосфере и океане. Одним из эффективных индикаторов их состояния является уровень загрязнения. Прозрачность атмосферы определяет направленность и интенсивность тепловых потоков, а чистота поверхности океана регулирует процессы обмена газами и теплом с атмосферой. Достаточно сказать, что альбедо системы атмосфера-океан может изменяться в несколько раз в зависимости от загрязнения этих сред. В природе регулятором изменчивости альбедо являются процессы дегазации планеты. Вмешательство человека ведет к дестабилизации природного равновесия, хотя огромные резервы энергии и биомассы в океане через прямые и обратные связи гарантируют высокую стабильность, и до настоящего времени процессы самоочищения справлялись с антропогенным воздействием. К сожалению, пределы способности океана к самоочищению неизвестны. 

Взаимозависимость происходящих в окружающей среде процессов многообразна и экспериментально изучена фрагментарно как в пространстве, так и во времени. Анализ спутниковых данных показывает, что в последние годы значительную роль в изменениях природных процессов играет урбанизация. Действительно, города являются одним из наиболее существенных и зримых феноменов развития современной цивилизации. С 1970 по 2004 г. численность городского населения возросла с 35 до 50.1%. При этом вклад развивающихся стран в этот рост составил около 90%. В целом уровень урбанизации в начале XXI века составляет: Северная Америка — 77.2%, Латинская Америка — 75.3%, Европа — 74.8%, Океания и Австралия — 70.2%, Африка — 37.9% и Азия — 36.7%. В 2004 г. в городах проживали 3.3 млрд. человек. В зонах городов резко изменяется картина распределения аэрозольного возмущающего воздействия на климат, и за счет высокой концентрации аэрозоля изменяется процесс образования облаков, что нарушает естественные уровни альбедо системы атмосфера-подстилающая поверхность. 

Таким образом, накопленные знания о динамике различных характеристик окружающей среды позволяют сделать вывод о том, что наблюдаемые тенденции изменения этих характеристик должны вызывать у населения Земли беспокойство и озабоченность. Глобальные изменения в современную эпоху отличаются от аналогичных изменений в прошлом наличием в них антропогенного шума, влияние которого проявляется в основном с негативными последствиями для окружающей среды. Поэтому в 2003 г. была завершена подготовка рассчитанного на 10 лет стратегического плана международной программы развития наук об изменении климата, которая преследует пять основных целей: 

Углубление знаний о климатах и окружающей среде в прошлом и в настоящее время, включая природно обусловленную изменчивость, а также совершенствование понимания причин наблюдаемой изменчивости климата. 

Получение более достоверных количественных оценок факторов, определяющих изменения климата Земли. 

Снижение уровней неопределенности прогностических оценок изменений климата в будущем. 

Достижение лучшего понимания чувствительности и приспосабливаемости природных и регулируемых экосистем, а также антропогенных систем к климату и к глобальным изменениям вообще. 

Анализ возможностей использования и распознавания пределов развивающегося понимания управления риском в контексте проблемы изменений климата. 

Реализация этих целей потребует пересмотра стратегии мониторинга окружающей среды и создания новых систем наблюдения за природными и антропогенными процессами. Современная наука о глобальной экодинамике располагает еще не реализованными технологиями, использование которых позволит достичь указанных целей. Одним из первых обнадеживающих шагов международного сообщества в этом направлении является подписание шестьюдесятью странами соглашения об объединении национальных систем наблюдения за Землей в глобальную информационную сеть.