Природный и антропогенный тепловой баланс Земли

Землеустройство, кадастр и мониторинг земель

ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВО, КАДАСТР И МОНИТОРИНГ ЗЕМЕЛЬ

УДК 504:551.5

В.Б. Жарников, А.В. Ван

СГГ А, Новосибирск

ПРИРОДНЫЙ И АНТРОПОГЕННЫЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЗЕМЛИ

Рассматривается роль человеческой деятельности в глобальном потеплении климата Земли. Делается вывод, что периодическое чередование погодных условий обусловлено естественными закономерностями - космическими и земными, в сравнении с которыми влияние техногенеза несоизмеримо мало и проявляется только в кратковременном локальном масштабе. Это подтверждается сравнительным анализом природного и антропогенного теплового баланса Земли.

климат, тепловой баланс Земли, факторы потепления, парниковый эффект, антропогенное влияние.

V.B. Zharnikov, A.V. Van SSGA, Novosibirsk

NATURAL AND ANTHROPOGENIC THERMAL BALANCE OF THE EARTH

The role of human activities in global climate warming is described. There is a conclusion that the periodical weather condition alternations are caused by natural regularities cosmic and terrestrial in comparison with which the technogenesis effect is enormously small and appears only in short-term local scale. This is confirmed by the comparative analysis of natural and anthropogenic thermal balance of the Earth.

climate, thermal balance of the Earth, global warming factors, glasshouse effect, anthropogenic influence.

В истории развития Земли климатические условия на ее поверхности не оставались постоянными. Они периодически изменялись, отражая общие закономерности развития природы. Генетическими факторами этого явления выступают естественные колебания природных процессов под воздействием космических и земных сил, усложненных в последнее время антропогенной деятельностью.

Глобальное потепление климата на Земле за последние сто лет сопровождается значительными пертурбациями на ее поверхности вплоть до катастрофических нарушений окружающей среды в форме резкого перепада темпера-

37

Землеустройство, кадастр и мониторинг земель

тур, нарушений сезонных циклов, разрушительных ураганов, разливов рек и др. С потеплением связано ускоренное таяние ледников, приводящих к повышению уровня океанов и со временем постепенному подтоплению низких прибрежных участков материков. Так, например, увеличение средних температур приземного слоя воздуха в 1930 г. на 0,4 оС сопровождалось сокращением площади льдов в Арктике на 10 %, сильными засухами во многих странах, сдвинулись границы ландшафтных зон на 200 км к северу. Керны льда, добытые из скважин на станциях «Восток» и «Мирный» в Антарктиде, показали, что содержание углекислого газа в атмосфере растет и вызывает потепление и увеличение температурной контрастности погоды [6].

Международные научные конференции разных уровней показывают всю важность и сложность этой проблемы, решение которой представляется весьма актуальным и неотложным в связи с возрастанием воздействия техногенеза до планетарного масштаба. С целью организации совместной международной деятельности по предотвращению изменения климата в 1992 г. в Рио-де-Жанейро на конференции ООН по окружающей среде и развитию была принята конвенция ООН по изменению климата. Во исполнение этого соглашения на третьей сессии конференции участников конвенции в Японии, в 1997 г. был принят Киотский протокол, в котором определены принципы международной и каждой отдельной страны политики в решении проблем, связанных с потеплением климата. В нем предусматривается снижение антропогенных выбросов парниковых газов индустриально-развитыми странами и установление для них рамочных ограничений на эти выбросы. Намечено сократить поступление их в атмосферу в период 2008-2012 гг. на 20 % [7]. Таким образом создан механизм регулирования глобальных экологических проблем на международном уровне.

В декабре 2009 г. в Копенгагене (Дания) состоялась 15-я конференция ООН по проблеме изменения климата, которая подтвердила важное практическое значение решения вопросов, связанных с глобальным потеплением, могущим быть фактором возникновения потенциальных экологических и даже социально-экономических опасностей для всего мира. Выделены главные угрозы нашей планете: подъем уровня моря за счет таяния ледников и подтопление прибрежных стран; массовое переселение и конфликты из-за ресурсов, обусловленные климатическими катастрофами - засухами, наводнениями, неурожаями, которые принуждают огромное число людей покидать родные места; экстремальная погода, как следствие природных катаклизмов - сильные ливни, жара, штормы, разрушительные ураганы. По данным МВФ, если до 2050 г. произойдет подъем уровня моря на 0,5 м, то потребуется 28 триллионов долларов на защиту прибрежной полосы от затопления; потепление средней температуры на планете на 3,5 оС приведет к вымиранию 30-70 % известных видов живой природы; сокращение ледников приведет в некоторых регионах к нехватке питьевой воды; процесс потепления активизирует гигантские выбросы газов, вызывающих парниковый эффект в районах вечной мерзлоты, которые ускорят изменение климата.

38

Землеустройство, кадастр и мониторинг земель

В основу протокола положено, что основным фактором, влияющим на потепление климата, которое продолжается на Земле последние сто лет, являются промышленные выбросы газов, создающие парниковый эффект и способствующие повышению температуры атмосферы. Главный компонент в составе газообразных отходов промышленного и сельскохозяйственного производства представлен диоксидом углерода - СО2, количество которого за последние сто лет увеличилось на 10-15 %. Только за счет сжигания топлива в атмосферу поступило 400 млрд. тонн углекислого газа. С вычетом СО2, поглощенного растениями, ежегодный прирост его концентрации в атмосфере составляет 14 млрд. тонн, что создает тепловой экран над поверхностью Земли [6]. Чем выше содержание СО2, тем меньше тепла рассеивает Земля.

Между тем, накопившиеся к настоящему времени научные данные не имеют однозначной интерпретации и не доказывают определяющую роль человеческой деятельности на глобальное изменение климата.

В течение последних 100 лет, несмотря на устойчивое нарастание поступления промышленного углекислого газа в атмосферу, температурный режим на Земле не был постоянным. В то же время, происходило периодическое потепление климата, за которым следовало похолодание, которые чередовались через определенные временные ритмы разных порядков, что свидетельствовало об участии в формировании климата более мощных природных сил, значительно превосходящих антропогенное влияние и проявляющихся по другим естественным закономерностям. С другой стороны, в последние годы установлено, что примерно 40 % антропогенного углекислого газа поглощается океанами, его становится больше в морской воде, отчего она из слабощелочной превращается в слабокислую [1]. В результате получается, что суммарное количество антропогенного СО2, поглощенного растениями и водами морей, значительно превышает его расчетное содержание в атмосфере, что свидетельствует об существовании более мощных природных источников этого избыточного углекислого газа.

При ООН существует Межправительственная комиссия по вопросам изменения климата (IPCC), которая собирает сведения о климатических моделях и климатических воздействиях. Модели показывают, что жаркая погода, преобладающая на Земле каждые 20 лет, станет более частым явлением: жаркое лето будет случаться каждые три года [7]. Холодные периоды сократятся настолько, насколько увеличатся жаркие.

Исходя из имеющихся фактов, международным сообществом были приняты такие практические рекомендации:

- необходимо значительное повышение научного уровня исследований всех проблем, связанных с глобальным потеплением, особенно проблем солнечной активности и роста количества парниковых газов;

- желательно обосновать наиболее безопасные и экономически доступные пути приспособления хозяйственной деятельности к глобальному потеплению;

39

Землеустройство, кадастр и мониторинг земель

- в силу отсутствия понимания причин изменения климата Земли нецелесообразно разрабатывать и принимать в настоящее время какие-либо глобальные проекты воздействия на климат;

- в настоящее время нет достаточного обоснования для изменения существующих тенденций развития глобальной энергетики.

Исходя из имеющихся фактов и не умаляя значения антропогенной деятельности, можно констатировать, что чередующееся изменение климата во времени обусловлено, прежде всего, природными процессами существования и развития самой Земли, отражающими космические закономерности, которые проявляются чаще всего опосредованно через скрытые физические явления. Поэтому погодные проблемы на Земле следует рассматривать как комплексную задачу со многими неизвестными.

Для решения поставленных задач в первую очередь требуется установить и оценить значение главных факторов, влияющих на тепловой баланс и климат Земли. В настоящее время учитываются далеко не все причины, влияющие на формирование климатических условий, и функциональное значение некоторых из них существенно занижено.

Самое большое количество энергии наша планета получает от Солнца, которое характеризуется мощным излучением, падающим на земную поверхность. Только малая часть проникает в глубь Земли, остальная часть излучается обратно в космическое пространство. В среднем на одного жителя Земли в наше время приходится около 50 000 киловатт солнечного света, в то время как мощность всей мировой промышленности составляет менее одного киловатта на человека [10]. Из этих показателей видно, что опасность прямого перегрева от технической деятельности человека невозможна, так как эта деятельность слишком мала по сравнению с космическими процессами. Повышение температуры земной поверхности происходит при наличии препятствия для излучения Земли, которое состоит из больших молекул таких газов, как углекислый газ СО2, метан СН4 и некоторые другие. Несмотря на небольшое содержание этих газов в атмосфере, они вместе с облаками поглощают почти 90 % инфракрасного излучения Земли и отражают обратно на Землю значительную его часть, которая задерживается, создавая парниковый эффект.

Роль солнечного излучения в тепловом балансе и климате Земли наглядно показал югославский астроном М. Миланкович, который разработал теорию, согласно которой плейстоценовые ледниковые эпохи возникли как следствие вариаций земной орбиты и наклона земной оси [5, 8]. Суть идеи состояла в том, что решающее влияние на оледенения оказывает количество солнечного света, получаемого разными районами Земли. Оно, в свою очередь, связано с разными параметрами вращения планеты - периодическими колебаниями положения полюсов мира и др. Эти явления регулировали отражающую способность земной поверхности и опосредованно тепловой режим. Чем меньше тепла и света, тем больше выпадало снега, который усиливал отражение лучевой энергии. В результате происходило довольно резкое похолодание, приводящее к ледниковому периоду.

40

Землеустройство, кадастр и мониторинг земель

В настоящее время наклон земной оси составляет 23,5о. За период 41 000 лет угол наклона изменился от 21,5 до 24,5о. С этими вариациями связаны колебания инсоляции - количество солнечной энергии, поступающей на Землю. Периодическое изменение элементов земной орбиты явилось причиной многообразия событий четвертичного времени, связанных с облучением Земли. Форма земной орбиты за период 100 000 лет трансформируется от вытянутой до округлой. Эти факторы могут уменьшить поступление солнечного тепла в северном полушарии на 20 %.

Другой, не менее важный, но недооцененный фактор, влияющий на климатический режим Земли, - ее глубинное тепло. Количество тепловой энергии, сосредоточенной только в верхнем пятикилометровом слое земной коры, составляет цифру, во много раз превосходящую суммарную потенциальную энергию всех существующих запасов нефти, газа, угля и торфа [3]. На территории России в интервале глубин 10-15 км от земной поверхности скрыта тепловая энергия, эквивалентная количеству тепла, образующегося при сжигании 1,10 тонн условного топлива. Генератором этой тепловой энергии являются реакции, протекающие внутри земной оболочки, в мантии и ядре.

По данным Дж. Ферхугена и др. [4], глубинные геологические процессы доставляют на поверхность Земли огромное количество тепловой энергии, которая никем из климатологов не учитывается. Общая отдача тепла нашей планеты составляет 2,4  10 кал/год. При самых скромных подсчетах извержения наземных вулканов выделяют 1,2  1018 кал/год. Количество тепла, выносимого подводными вулканами, число которых значительно больше наземных, можно только представить. По оценке Менарда, только в Центральной части Тихоокеанского бассейна существует около 10 000 вулканов высотой свыше 1 км и более 200 000 конусов, меньших по размерам [2].

Океанские рифтовые зоны имеют суммарную длину около 70 000 км. Подводные хребты поднимаются на высоту 2 000-3 0000 м и протягиваются в ширину на 250-450 км, а на отдельных участках достигают 1 000 км. Отдельные сегменты океанических хребтов сдвинуты относительно друг друга на 500-600 км. В рифтах и зонах поперечных разломов обнажаются базальты, а также ультраосновные породы. С этими разломами связаны сейсмичность и повышенное значение идущего из недр теплового потока. На отдельных участках глобальных рифтовых структур поднимаются над поверхностью воды вершины действующих и потухших вулканов. Только на доступном наблюдению участке океанских хребтов в Исландии на протяжении 400 км насчитываются 28 действующих наземных вулканов и пять подводных.

Вулканическая деятельность наземных вулканов является весьма мощным источником тепловой энергии, выносимой в виде твердых и газообразных продуктов.

По данным вулканологов известно, что на земном шаре ежегодно пробуждается около 60 вулканов, 627 извергались за последние 10 000 лет, т. е. в голоцене, из них 530 проявили себя в историческое время.

41

Землеустройство, кадастр и мониторинг земель

В качестве наглядных примеров приводятся зафиксированные наукой эпизоды вулканической деятельности на Земле, отразившиеся в изменениях погодных условий.

Траппы Сибирской платформы раннетриасового возраста покрывают

4 млн. км . Общий объем излившейся лавы составляет около 2 млн. км . Излияние огромных масс базальта на границе перми и триаса по времени совпало с одним из крупнейших событий истории Земли - пермо-триасовым вымиранием живых организмов.

Траппы Деканского плато занимают территорию 5,105 млн. км на Индо-станском полуострове, имеют мощность около 2 000 м и объем 512 000 км. Мощные трещинные излияния происходили в позднемеловое-раннепалеогеновое время. За 30 000 лет лавой залита половина территории Индии. Эти процессы вызвали вулканическую зиму. Некоторые ученые считают, что это событие явилось причиной гибели динозавров и сыграло большую роль в эволюции жизни на Земле.

3

На острове Суматра 74 тыс. лет тому назад вулкан Тоба изверг 3 000 км лавы и пепла, в также 3 млрд. т SO3, что вызвало проливные кислотные дожди, понижение температуры на несколько градусов, послужившие толчком к началу последнего гляциала вюрмской (осташковской) ледниковой эпохи. Вулканический пепел скрывал от Земли солнечный свет шесть лет. Цунами, вызванное этим взрывом, обогнуло весь мир. За извержением последовала вулканическая зима, частично сократившая население планеты. Средняя температура атмосферы в северном полушарии упала на 21 оС, и все живое вымерло, отбросив эволюцию на два миллиона лет назад.

Изучение кернов льда показало, что в 1258 г. произошло катастрофическое извержение, отзвуком которого стала необыкновенно холодная весна 1259 г. -31 мая ударили сильные морозы, а холодная осень наступила так рано, что весь урожай лег под снег. Об этом говорится в новгородских и псковских летописях. Современные исследования удаленных колонок донных илов разных точек океанов имеют сходную ритмичность пепловых осадков. Периоды наиболее обильного осаждения пепла совпали с отдельными стадиями оледенения.

В 1600 г. в Перу (Ю. Америка) взорвался вулкан Уайнапутина, следы которого были обнаружены в керне скважины, пробуренной в леднике на высоте

5 000 м. В 1600, 1601, 1602, 1603 гг. в Москве выпадал снег и случались периодические заморозки летом, в июле и в августе.

В 1815 г. при извержении вулкана Тамбора (о. Сумбава, Индонезия) вынесено 186-400 км магматического вещества и 70 млн. т диоксида серы, которая гидратировалась, превращаясь в сернокислый туман. Вулканический пепел, выброшенный на высоту 80 км, очень долго держался в атмосфере, сильно понизив температуру на всей планете и надолго скрыв Солнце. Извержение считается сильнейшим за всю письменную историю человечества. В течение нескольких дней после извержения над Зондским архипелагом стояла кромешная тьма - Солнце было полностью закрыто вулканической пылью. 1816 г. был го-

42

Землеустройство, кадастр и мониторинг земель

дом без лета. Даже в восточной части Северной Америки средняя летняя температура была ниже многолетней на 2 оС. В Италии в летние месяцы шел снег. Из-за морозов и снегопадов в середине лета погиб урожай во всей Европе и Северной Америке. Температура поверхности северного полушария в течение десяти лет была ниже средней многолетней на 3,5 оС.

Вулканом Кракатау 1883 г. извегнуто 18-24 км вулканического пепла, который сыпался несколько дней. Г рибообразное облако поднялось на высоту 75 км. Пепловые частицы вызвали небесное свечение, длившееся в более 3 лет. На расстоянии около 100 км от вулкана сумерки держались 57 часов. Вулканический пепел выпал на площади 1 млн. км2. Мелкие частицы пепла достигли Европы и вместе с дождем оседали на поверхность Земли в течение 3 лет. Резко снизилась среднегодовая температура воздуха на больших территориях.

В 1963 г. пепел вулкана Агупг (о. Бали, Индонезия), вынесенный на высоту 20 км, был обнаружен над Америкой и Австралией. Загрязнение атмосферы вулканическим пеплом вызвало значительное уменьшение ее прозрачности и ослабление солнечной радиации на 10-20 %.

15 июля 1991 года на о. Лусон (Филиппины) взорвался вулкан Пинатубо, пепел которого поднялся на высоту 24 км и обнаружен в Сингапуре, находящимся от вулкана на расстоянии 2 400 км. Потоки раскаленной лавы с температурой около 1 000 оС большой скоростью хлынули по склонам. На сотни километров вокруг день превратился в ночь. При извержении было выброшено в атмосферу около 30 млн. т диоксида серы. Мельчайшие пепловые частицы образовали огромное облако, опоясавшее весь земной шар по экватору.

Японские ученые Киотского университета по данным шести крупных извержений вулканов за последние 20 лет установили связанное с этим понижение температуры атмосферы в Северном полушарии. Несколько месяцев после извержения среднемесячная температура была ниже на 0,4 оС, в отдельных регионах она в течение нескольких месяцев падала на 10 оС.

Периодическое глобальное наступление ледников есть закономерное явление геологического развития Земли, связанное с космическими факторами. Геологический ритм обусловлен космическим годом, во время которого Солнечная система совершает полный оборот вокруг центра Галактики. Выявляется хронологическое совпадение эпох горообразования, тектоно-сейсмической активизации и Великих оледенений прошлого - нижнепротерозойского, сред-нерифейского, вендского, палеозойского и кайнозойского.

Ритмичность вулканической активности проявляется не только в общей частоте извержений, но и в их силе, по которой выделяются параксизмальные извержения, повторяющиеся каждые 23 года, сверхпараксизмальные, отвечающие 1850-летнему ритму, и гигантские извержения, соответствующие 40700летнему ритму, которые сопровождаются соразмерными по масштабу глобальными стадиями оледенения.

Изучение современной и древней вулканической деятельности позволило многим ученым увидеть эту взаимосвязь между похолоданием и вызывающим

43

Землеустройство, кадастр и мониторинг земель

его оледенением с увеличением интенсивности вулканизма. Е.В. Максимов с определенной степенью достоверности указывает на два особенных вулканических события, пережитых Землей на границе позднего плейстоцена во временном интервале 14 000-13 000 лет назад и голоцена в период 12 000-11 000 лет назад, которые сопровождаются двумя максимумами горных оледенений [8].

Следы древних материковых оледенений обнаружены в слоях, возраст которых около 2,5-2,2 млрд. лет. Они установлены также в разрезах рифея (850-800 млн. лет назад), венда (680-650 млн. лет назад), ордовика (510-470 млн. лет назад), силура (460-410 млн. лет назад), девона (410-360 млн. лет назад), карбона (340-280 млн. лет назад), перми (280-230 млн. лет назад), триаса (230-180 млн. лет назад), мела (130-60 млн. лет назад) и позднее. Последнее крупное материковое оледенение - вюрмское (валдайское) - произошло в конце неогена. С того времени похолодание климата Земли отражали явления более низкого порядка и имели меньшую длительность. Наиболее выразительны две эпохи крупных похолоданий, которые хронологически соответствуют двум крупнейшим геологическим событиям, связанным с активизацией горообразовательных движений на Земле, - герцинским (200 млн. лет назад) и ларимий-ским (70-80 млн. лет назад).

Масштабы проявлений вулканической активности и вызванное ею похолодание с образованием горных и покровных ледников, а также длительность временного интервала между ними показывают существование разнопорядковых ритмов от нескольких сотен миллионов лет до наблюдаемых в настоящее время 11-летних ритмов солнечной активности.

Из приведенных сведений видно, что глобальное чередующееся наступление ледников и их таяние есть закономерный этап геологического развития Земли, связанный с космическими факторами.

Периодическое изменение климата на Земле - потепление и похолодание -и связанная с этим перестройка биосферы происходили всегда, с тех пор как Земля приобрела литосферу, гидросферу и атмосферу. Особенно заметные следы этих явлений сохранились со времен возникновения на Земле живых организмов, массовое скопление остатков которых встречается в некоторых горизонтах осадочных отложений, свидетельствующих о происходивших в прошлом крупных экологических перестройках. В настоящее время известно пять глобальных катастрофических событий, с которыми связано вымирание многих видов животных и растений, в том числе динозавров [9].

Нынешнее потепление климата является очередным естественным этапом изменения температурного режима в сторону повышения его значения, на которое наложилось антропогенное влияние, усилившее направленность явления.

Вывод о соразмерности воздействия человека и природы на изменение климата, который появился в научной и ненаучной печати, обусловлен слабым и неполным исследованием этой проблемы, а также игнорированием многих других важнейших природных факторов.

44

Землеустройство, кадастр и мониторинг земель

Как видно из приведенных сведений, баланс тепловой энергии явно не в пользу человеческой деятельности. Природные источники тепла, которые могут влиять на изменения климата, несоизмеримо мощнее человеческих и периодическое изменение климатического режима на Земле есть отражение естественного развития закономерностей природы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гальперин, М.В. Общая экология / М.В. Гальперин. - М.: ФОРУМ-ИНФРА, 2008. -

336 с.

2. Григорьев, С. Скульптор лика земного / С. Григорьев, М. Емцев. - М.: Мысль, 1977. - 192 с.

3. Дворов, И.М. Термальные воды и их использование / И.М. Дворов, В.И. Дворов. -М.: Просвещение, 1976. - 128 с.

4. Земля. Введение в общую геологию / Д. Ферхуген, Ф. Тернер, Л. Вейс и др. - М.: Мир, 1974. - 847 с.

5. Кови, К. Орбита Земли и ледниковые эпохи / К. Кови // Наука и жизнь. - 1984. -№ 8. - С. 93-94.

6. Константинов, В.М. Охрана природы / В.М. Константинов. - М.: Академия, 2000. -

240 с.

7. Ломборг, Б. Глобальное потепление / Б. Ломборг. - СПб.: Питер, 2008. -203 с.

8. Максимов, Е.В. Проблемы оледенения Земли и ритмы в природе / Е.В. Максимов. -Л.: Наука, 1972. - 296 с.

9. Резанов, И.А. Великие катастрофы в истории Земли / И.А. Резанов. - М.: Наука, 1972. - 164 с.

10. Хлебопрос, Р.Г. Природа и общество. Модели катастроф / Р.Г. Хлебопрос, А.И. Фет. - Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999. - 344 с.

Получено 24.12.2010

© В.Б. Жарников, А.В. Ван, 2010

В.Б. Жарников - канд. техн. наук, первый проректор.

А.В. Ван - доктор геолого-минералогических наук, профессор-консультант кафедры кадастра.

Тел.: 8-960-782-64-83.

45