Е. П. Борисенков

Климат и деятельность человека

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

Ответственный редактор член-корреспондент АН СССР

К. Я. КОНДРАТЬЕВ

От автора

Для современной эпохи научно-технического прогресса характерной чертой является зарождение, становление и развитие новых научных направлений, связанных с практическими запросами общества. Однако наряду с дифференциацией науки все острее ощущается необходимость широкого обобщения результатов, полученных в самых различных областях знаний, для решения крупных народнохозяйственных задач, затрагивающих порой сферу межгосударственных отношений.

В ряд таких проблем в последние годы встала проблема климата в связи с его возрастающим влиянием на деятельность человека и начавшимся обратным воздействием деятельности человека на климат. Автор поставил перед собой задачу в доступной для широкого читателя форме всесторонне обсудить данную проблему. Кроме того, автору хотелось обратить внимание климатологов, математиков, географов, физиков, астрономов, химиков, геофизиков, экономистов и др. на важность кооперации усилий различных наук в решении проблемы климата.

Вторая из поставленных целей заключалась в том, чтобы проследить, как в историческом прошлом климат влиял на деятельность человека и как неизмеримо возросла в настоящее время зависимость деятельности человека от климата. В связи с этим оптимальный учет климатической информации должен рассматриваться как один из путей повышения эффективности общественного производства.

Третья задача состояла в оценке того, как деятельность человека может повлиять на климат и на условия проживания в будущем. Автор стремился по возможности объективно и без сенсационных преувеличений оценить проблему климата и показать ее научное и социально-экономическое значение. Аргументация соответствующих разделов основана на результатах самых последних теоретических и экспериментальных исследований. Привести список советских и зарубежных изданий, в которых опубликованы эти результаты, не представлялось возможным. Поэтому в конце книги даются лишь основные из использованных работ. И, наконец, в заключение обсуждаются возможные пути развития рассматриваемой проблемы.

Введение

На протяжении всей истории развития цивилизации климат оказывает существенное влияние на деятельность человека. Климатология — одна из древнейших наук — всегда способствовала развитию его производительных сил. Изменения климата во многих случаях были причиной подъема и упадка культур целых наций и государств. Однако в последнее время быстрый рост развития производительных сил приводит к тому, что зависимость ряда отраслей хозяйственной деятельности и даже государств от меняющихся климатических условий в абсолютном выражении не падает, а растет, причем растет вместе с ростом производства.

Если еще недавно считали, что основным практическим применением метеорологии является прогноз погоды, то сейчас многие начали понимать, что для долговременного планирования и управления хозяйственной деятельностью, помимо прогноза погоды, нужно шире, глубже и всестороннее использовать знания о климате и его изменениях.

Повышенный интерес к проблеме климата в последние годы в значительной степени вызван рядом крупных климатических аномалий, существенно повлиявших на экономику некоторых стран.

Укажем несколько таких примеров. Прежде всего это засухи в Сахельской зоне Африки в 1968—1972 гг., охватившие территории площадью примерно 5,2 млн. км^2 с населением 60 млн. человек. Наводнения в долине Ганга причинили бедствия Индии, Бангладеш и другим странам. Засухи 1972, 1975, 1976 гг. отразились не только на сборе урожая в ряде стран, но и на мировых запасах зерна и продовольствия. Последствия этих аномалий затронули и сферу межгосударственных отношений.

Существенные климатические аномалии в Северной Америке (две последние суровые зимы, засухи 1977 г. и др.) повлияли на экономику США. Таких примеров можно привести немало и из прошлого. Развитие и гибель некоторых цивилизаций в Африке и на Ближнем Востоке были связаны с изменениями климата. Гибель поселений викингов в Исландии во время малого ледникового периода целиком объясняется изменением климатических условий.

В век научно-технической революции зависимость человека от капризов погоды и изменений климата, казалось бы, должна уменьшиться, но на самом деле этого не произошло, хотя, безусловно, человечество обладает теперь несравненно большими возможностями для преодоления последствий климатических бедствий, чем в прошлом. Приведенные примеры наглядно иллюстрируют причины всеобщего беспокойства возросшей зависимостью хозяйственной деятельности и самого человека от климата. Кроме того, человек и сам начал непреднамеренно влиять на климат. Пока это проявляется лишь в ограниченных масштабах. Например, климат городов уже сейчас заметно отличается от климата окружающих районов, создаются водохранилища, изменяются ландшафты, русла рек и влагооборот, газовый и аэрозольный состав атмосферы, не без влияния человека наступают пустыни и повышается засушливость климата в этих зонах.

В условиях роста населения уже в течение жизни нескольких последующих поколений человек способен непреднамеренно изменить климат на больших пространствах. Известно, что первый миллиард населения земного шара был достигнут примерно в 1820 г., второй — в 1930 г., третий — в 1960 г., а четвертый — в 1975 г. Ожидается, что к 2000 г. население земного шара составит 8 млрд. человек, а к 2100 г. — 10—12 млрд. и более. Вполне естественно, что при этом увеличится производство энергии, топлива, сырья, продовольствия, строительство жилья, расширятся пахотные земли и т. д.

Есть все основания утверждать, что при разумном отношении к природе человечество в состоянии удовлетворить эти потребности без значительного ущерба окружающей среде. В этой связи появляющиеся иногда в печати довольно категорические «известия» о скором наступлении нового ледникового периода или о предстоящем глобальном разогреве атмосферы нашей планеты, таянии ледников, повышении уровня океана и т. д. следует воспринимать не более как сенсации, рассчитанные на эффект. Еще большие опасения на этом фоне вызывают преждевременные предложения по «регулированию» климата, что немыслимо делать без понимания состояния климата и предвидения возможных его изменений. Не создано и достаточно надежной научной базы, позволяющей оценить влияние климата на экономику, биологические и социальные аспекты развития общества.

Однако и это не все. На вопрос, почему и как менялся климат в прошлом, каковы будут последствия суммарного воздействия на климат факторов естественного и антропогенного происхождения, ответить однозначно наука еще не в состоянии. Главная причина заключается в том, что проблема климата настолько сложна, что для ее решения в прошлом еще не было создано соответствующей научной и материально-производственной базы. Эта проблема не может быть предметом лишь одного раздела географической науки, к которой до недавнего времени относили климатологию.

В 1967 г. Всемирной метеорологической организацией (ВМО) и Международным Советом Научных Союзов (МСНС) при поддержке ООН была начата подготовка международной научной Программы Исследования Глобальных Атмосферных Процессов (ПИГАП). Ее первой целью была проблема долгосрочных прогнозов погоды малой заблаговременности (три—пять дней) и на средние сроки (до двух-трех недель).

В 1974 г. ВМО совместно с МСНС в Швеции была созвана научная конференция для разработки программы «Физические основы климата и его моделирование», предусматривавшей улучшение понимания физических механизмов (естественных и антропогенных), ответственных за формирование, изменения и моделирование климата. Однако эти задачи не охватывали других проблем, связанных с климатом и в особенности с воздействием климата на общество.

В 1979 г. в Женеве была созвана Всемирная конференция по климату (ВКК) под девизом «Климат и человечество». В ней приняли участие ученые-эксперты самых различных специальностей из более чем 50 государств. ВКК приняла декларацию с обращением к странам мира:

использовать в полной мере знания человека о климате; предпринимать шаги с целью значительного улучшения этих знаний;

предвидеть и препятствовать потенциальным антропогенным изменениям климата, которые могут быть неблагоприятными для человека.

Можно указать три основных компонента Всемирной климатической программы: климатические данные и применение знаний о климате на практике, исследования влияния климата на деятельность человека, изучение изменений климата под влиянием естественных и антропогенных факторов.

До недавнего времени климат в основном рассматривался лишь как часть природной окружающей среды, а не как компонент экономической, биологической и социальной подсистем. В настоящее время можно выделить четыре группы знаний о климате. Первая — общие статистические характеристики климата и его изменчивость для различных регионов и всего земного шара; вторая — влияние климатических экстремумов (засухи, холодные зимы, наводнения), т. е. нетипичных для среднего климата состояний климатической системы, на различные стороны экономической и социальной жизни.

Здесь уместно отметить, что как первая, так и вторая группы знаний страдают от недостатка необходимой исходной информации — ведь период регулярных инструментальных метеорологических наблюдений охватывает всего 100—150 лет, а других видов наблюдений и того меньше. В связи с этим история климата Земли, воссозданная по данным инструментальных и косвенных наблюдений, геологическим и историческим данным представляется исключительно важной для накопления знаний о климате.

Третья группа знаний включает оценку влияния хозяйственной деятельности на климат. Например, если в будущем будет доказано, что расширение пахотных земель за счет вырубки лесов или выброс в атмосферу определенных химических веществ пагубно повлияют на климат, соответствующие рекомендации могут и должны привести к перестройке землепользования или технологии пусть даже очень нужного производства. Формирование этой категории знаний требует большой компетентности, надежной аргументации и исключительной ответственности при выдаче подобных рекомендаций.

Четвертая группа знаний — это прогнозы климата. Такие прогнозы скорее всего будут носить вероятностный характер. Они не будут и не должны выражаться в терминах прогнозов погоды и могут даваться в более общем виде.

С этих позиций и рассматриваются в данной книге основные проблемы науки о климате и его взаимодействии с деятельностью человека.

История климата Земли

Общая характеристика

Для понимания изменений климата важно знать его эволюцию на протяжении всей истории существования нашей планеты, т. е. более чем за 4,5 млрд. лет. Эти изменения, длившиеся миллионы лет, происходили как за счет астрономических факторов и геохимической эволюции земной атмосферы, так и за счет движения континентов, смещения полюсов, изменения скорости вращения Земли и др. Имели место и более короткие периоды изменения климата — десятки и сотни тысяч лет, наблюдались также колебания, измерявшиеся тысячелетиями, столетиями и десятилетиями.

Хотя климатология — одна из старейших научных дисциплин, она пока еще не в состоянии объяснить климаты прошлого, а тем более будущего, даже с помощью методов физического анализа и результатов математического моделирования. Лишь в середине текущего столетия наука начала переходить от стадии описания климата к стадии его объяснения и то на весьма скромной теоретической базе. Иллюстрацией данного положения является хорошо известный и до некоторой степени парадоксальный факт, что само определение понятия «климат» неоднозначно и вызывало весьма оживленные и острые дискуссии. На этом имеет смысл остановиться несколько подробнее.

Говоря об истории климата, следует четко себе представлять, какой смысл мы вкладываем в это понятие. К настоящему времени известно около 60—70 определений понятия «климат». Сам термин, буквально означающий наклонение солнечных лучей, был введен древнегреческим астрономом Гиппархом (190—120 гг. до н. э.). Затем это понятие развивалось древнегреческими учеными. Примерно до конца XVIII в. господствовало мнение, что климат определяется высотой солнца над горизонтом. Согласно этому представлению существовало девять климатов. Первый относится к полосе на 12 градусов широты к северу и югу от экватора, остальные климаты разделялись кругами широт через 5,5°. Все, что было севернее 50° с. ш., причислялось к девятому климату, в то время считавшемуся необитаемым. Южное полушарие, о котором ничего не было известно, вообще ни к какому климату не причислялось.

В дальнейшем было принято другое деление. Земля делилась на 36 климатов по обе стороны от экватора. Район вблизи экватора, где разность между наибольшими и наименьшими днями в году составляла до 1 часа, относился к первому климату. Там, где эта разность была 1-2 часа, — ко второму и т. д. до 24-го климата. Кроме того, между полюсом и полярным кругом было еще 12 климатов. Там, где солнце не заходит до одного, полутора, двух, двух с половиной месяцев, полагали 26—29-й климаты вплоть до 36-го у полюса, где солнце не заходит шесть месяцев.

В скором времени люди, однако, убедились, что средние условия погоды в этих, так называемых одинаковых климатических зонах разные, и начали искать тому объяснения. Появились новые определения климата. Наиболее полное было дано А. Гумбольдтом в 1831 г., и затем в 1845 г. в его известной книге «Космос». По Гумбольдту, слово «климат» прежде всего обозначает «специфическое свойство атмосферы, которое зависит от непрерывного совместного действия подвижной поверхности моря, изборожденной течениями противоположных температур, излучающей тепло сушей, которая определяет громадное разнообразие в отношении своей орографии, окраски и состояния покрова». Но и это определение продержалось недолго. С 70-х годов XIX в. климат трактуется уже «как общее состояние погоды в определенном месте или в определенной стране, или, точнее говоря, совокупность средних величин и свойств всех метеорологических элементов есть не что иное, как то, что называют климатом какого-либо места».

Однако в 20—30-х и в конце 40-х—начале 50-х годов вновь разгорелись жаркие дискуссии по климату. И лишь в 70-х годах было дано определение понятия климата как совокупности статистических свойств климатической системы за достаточно длительный, но ограниченный промежуток времени. Большинство исследователей сходятся на том, что период осреднения должен быть от нескольких лет до 10 и даже 30. Имеются серьезные основания относить к климату все то, что не может быть выражено в терминах погоды, особенно в части прогноза. Под погодой при этом понимается совокупность значений метеорологических элементов в любой точке трехмерного пространства в любой момент времени. В такой трактовке существует предел предсказуемости погоды, исчисляемый двумя-тремя неделями. За пределами предсказуемости может идти речь о прогнозе лишь осредненных характеристик, т. е. о прогнозе климата. В свою очередь климатическая система включает следующие компоненты, находящиеся между собой в сложном взаимодействии: атмосферу, океан, поверхность суши, криосферу (вода в замерзшем состоянии), биосферу.

Климат каждой эпохи (периода) определяется на основе климатических выборок за данную эпоху или данный период. Таким образом, для характеристики климата Земли и описания его истории необходимо знать совокупность статистических свойств всех компонентов климатической системы. В то же время известно, что наша планета существует примерно 4,7 млрд. лет, а период самых длительных регулярных инструментальных метеорологических наблюдений насчитывает 100—150 лет, и лишь по отдельным пунктам он составляет более 200 лет. Спутниковые и некоторые другие специальные виды наблюдений имеют еще более короткие ряды, порядка 10—15 лет.

Вполне понятно, что проследить за историей климата Земли можно только по ограниченному количеству показателей не для всей климатической системы, а для отдельных ее компонентов и в основном с использованием косвенных методов и косвенных признаков. Несомненно, в большей степени нас будет интересовать климат не безжизненной Земли, а последних нескольких миллионов или десятков миллионов лет, когда появилась биосфера.

Главную информацию о климате прошлого дают геологические источники, экологическая интерпретация палеобиологических материалов, т. е. макро- и микроостатков растений, включая пыльцу, споры и др., а также животных, погребенных в отложениях различного возраста на континентах, на дне океанов и морей. Кроме того, изучаются древние ископаемые почвы, коры выветривания и различные континентальные отложения.

Существенными видами косвенной информации являются дендрологические, археологические, исторические и другие данные, относящиеся к последнему периоду истории Земли.

В самое последнее время начали широко использоваться геохимические, главным образом изотопные методы анализа, позволяющие количественно интерпретировать некоторые характеристики климата. В соответствии с имеющимися представлениями на Земле было не менее трех крупных ледниковых эпох, последняя около 650 млн. лет назад.

Примерно в течение последних 20 млн. лет распределение материков и океанов на нашей планете стало напоминать настоящее. За это время земная атмосфера прошла существенную эволюцию. Мы не будем детализировать климат первых 4 млрд. лет истории Земли (докембрий) и последних 570—650 млн. лет (фанерозой). Отметим только, что в течение различных геологических эпох наблюдались теплый каменноугольный период в палеозое, около 300 млн. лет назад, холодный — в мезозое, около 200 млн. лет, теплый — в третичном периоде, около 70 млн. лет назад. Более или менее надежные косвенные данные имеются о климате Земли за последние 2 млн. лет (четвертичный период).

Климат четвертичного периода

Характерной чертой четвертичного периода является формирование биосферы, т. е. тонкой воздушной, водной и почвенной оболочек земного шара, в которых существует жизнь. Биосфера образовывалась в течение миллионов лет из безжизненной геосферы, развивавшейся несколько миллиардов лет. Именно по этой причине в отличие от климатов глубокой древности, когда биосфера отсутствовала, климатические условия четвертичного периода могут соответствовать диапазону возможных изменений климата в будущем.

Последние 1,5—2 млн. лет характеризовались чередованием длительных ледниковых периодов средней продолжительностью 70—120 тыс. лет с более короткими межледниковыми периодами по 15—20 тыс. лет. Предпоследний теплый межледниковый период отмечался 75—120 тыс. лет назад. История цивилизации приходится на последний межледниковый период, начавшийся примерно 10—15 тыс. лет назад, в конце которого мы в настоящее время живем. Этот период получил название голоцена.

Согласно палеоклиматическим данным в течение последних 2 млн. лет средняя температура Земли была близка к нынешней, т. е. порядка 15° С, и колебалась в пределах ±5÷10° С при переходе от ледниковых к межледниковым периодам. На рис. 1 приведены результаты модельных расчетов температуры Земли за последние 4,5 млн. лет. Следует иметь в виду, что и для этого времени термин «ледниковый-межледниковый» периоды не означал, что Земля полностью покрыта льдом или свободна от него. Есть основания полагать, что Северный Ледовитый океан никогда не был полностью свободен ото льда, а Антарктический континент всегда покрывался ледовым панцирем.

Наиболее подробные данные благодаря бурению и анализу колонок континентальных льдов в Гренландии, Антарктиде и других районах земного шара имеются о климате последних 150 тыс. лет. Точность анализа колонок льда для периода последних 50 тыс. лет существенно повысилась в результате применения методов радиоуглеродного анализа данных о вариациях отношения изотопов 18O/16O.

На рис. 2 приведены результаты анализов климата Земли за последние 130—140 тыс. лет. Одна кривая характеризует результаты анализа колонок льда в Гренландии по кислороду, другая — в горах Франции — по радиоуглероду. Оба анализа независимо друг от друга указывают на наличие последнего ледникового периода примерно 15—80 тыс. лет назад и наступление 10—15 тыс. лет назад последнего межледникового периода. Чередование этих периодов происходило в северном и южном полушариях.

Наиболее полно этот вопрос исследован при осуществлении американской программы Climap (картирование климата). Были восстановлены ландшафты, температура поверхности воды, орография за последние 450 тыс. лет и более подробно за последний ледниковый период плейстоцена. Методами спектрального анализа различных косвенных показателей климата были установлены три периодичности колебаний климата.

Период в 100 тыс. лет связан с практически таким же периодом колебания эксцентриситета земной орбиты (отношения фокального расстояния от Солнца до Земли к длине главной оси земной орбиты). Периодичность приблизительно в 40—43 тыс. лет связана с периодическими изменениями угла наклона плоскости экватора к плоскости орбиты Земли. Третий период порядка 19—23 тыс. лет связан с прецессией земной орбиты.

Рис. 1. Средняя глобальная температура поверхности Земли за последние 4,5 млн. лет

Рис. 2. Средняя температура поверхности Земли за последние 130—140 тыс. лет

Таким образом, колебания ледниковых-межледниковых периодов в эпоху плейстоцена в значительной мере были обусловлены изменениями приходящей на Землю солнечной радиации в результате колебаний параметров земной орбиты. Ниже мы рассмотрим и другие факторы, ответственные за изменения климата.

Климат последнего ледникового периода и голоцена

Для лучшего понимания истории современного климата и оценки возможных состояний климатической системы в ближайшем будущем наибольший интерес представляет климат последнего ледникового периода и голоцена. Связано это по крайней мере с тремя соображениями. Во-первых, во многих научных исследованиях высказываются опасения, что в отдаленном будущем возможно наступление очередного ледникового периода.

Выше мы отмечали, что чередование ледниковых-межледниковых периодов в значительной мере объясняется изменением параметров земной орбиты. Их экстраполяция указывает на медленную тенденцию к похолоданию. Деятельность человека, по-видимому, внесет серьезные коррективы в ход естественных процессов. Однако при рассмотрении всех вариантов изменения климата вероятность наступления новой ледниковой эпохи исключить нельзя.

Второе соображение основывается на том, что потепления или похолодания в будущем могут иметь черты, присущие отдельным периодам эпохи голоцена. Дело в том, что примерно за последние 10 тыс. лет климат Земли неоднократно менялся. Так, после окончания ледникового периода началось быстрое потепление климата. Примерно 7—8 тыс. лет назад климат был теплее, а некоторые субтропические и теплые умеренные пояса влажнее, чем сейчас. Это привело к развитию культуры Северной Африки, Среднего Востока и долины Инда. Скотоводство, охота и земледелие развивались в местах, которые когда-то были пустынями и засушливы теперь.

Около 4 тыс. лет назад в северном полушарии началось похолодание. Климат высоких широт стал более суровым, многие субтропические области превратились в пустыни. Это привело к исчезновению многих культур, в частности в Сахаре, Аравии, Раджахстане, в долине Инда. Ряд цивилизаций переместились на возвышенности и в долины рек Тигра, Евфрата и др. В последнее тысячелетие климат стал более или менее устойчивым, но в VIII—XII вв. отмечалось потепление, в XIV—XIX вв. — похолодание, а в начале XX в. климат вновь потеплел.

Третьим соображением является то, что наука располагает более надежными данными о климате последних нескольких десятков тысяч лет, а для голоцена имеется даже ряд архивных и летописных источников. Палеоклиматические исследования в последние годы шли по пути использования косвенных данных для восстановления состояния поверхности суши, ее ландшафта, растительности, орографии, температуры поверхности океана. Эти показатели характеризуют такие параметры климатической системы, как альбедо поверхности, ее тепловые свойства, теплообмен атмосферы с подстилающей поверхностью суши и океана, уровень океана, положение ледников и др. С помощью математических моделей общей циркуляции атмосферы можно реконструировать режим климатической системы с учетом перечисленных и некоторых других внешних параметров климатической системы для различных месяцев.

Геологам, археологам, палеогеографам и другим специалистам удалось восстановить основные характеристики подстилающей поверхности ледникового периода (рис. 3). Рис. 4 иллюстрирует разность температур поверхности Мирового океана для августа в период последнего максимального оледенения, около 18 тыс. лет назад, и в современную эпоху. Как видно из рисунков, расхождения с современными условиями существенные. Уровень океана был примерно на 85 м ниже, чем теперь, температура океана в среднем на несколько градусов, а местами в Атлантике на 10° ниже, ряд континентов покрыт ледовым панцирем, альбедо поверхности также было иным. Камни, лед и песок занимали 40 млн. км^2 (в настоящее время — 24 млн. км^2), тундра и альпийские сообщества — 20 млн. км^2 (в настоящее время — 8 млн. км^2), пустыни и полупустыни — 12 млн. км^2 (в настоящее время — 18 млн. км^2). Общая площадь под лесами, кустарниками, саванной и другими сообществами была такой же, как сейчас.

На основании этих данных были выполнены серии численных экспериментов с тремя типами моделей общей циркуляции атмосферы, разработанными в США. В первой серии экспериментов моделировался характер средних климатических условий на земном шаре для летнего вегетационного и зимнего периодов ледниковой эпохи. В результате оказалось, что для летнего периода средняя температура у поверхности была меньше на 5,3 в северном и 4,5° С в южном полушариях, чем теперь, облачность соответственно меньше на 2,9 и 2,2%, количество осадков меньше на 8,3 и 3,9 мм, среднее давление в северном полушарии было меньше на 8,7 мб, а в южном на такую же величину больше. Была ослаблена средняя зональная циркуляция в южном полушарии. Более подробные характеристики климата содержатся в табл. 1.

Рис. 3. Основные характеристики подстилающей поверхности ледникового периода (по В. Гейтсу и др., 1976) Изотермы — в °С, высоты — в м, положение ледников заштриховано

Рис. 4. Разность температур поверхности Мирового океана ледниковой и современной эпох (по В. Гейтсу в др., 1976).

Изотермы — в °С

Таблица 1. Осредненные характеристики климата ледниковой эпохи по данным численных экспериментов

Характеристика климата

Средние значения для июля ледникового периода

Разность средних значений поля для ледникового и современного периодов

северное полушарие

южное полушарие

северное полушарие

южное полушарие

Температура поверхности, °С

17,8

7,6

-5,3

-4,5

Температура воздуха у поверхности, °С

18,0

7,1

-5,3

-4,5

Температура на уровне 800 мб, °С

7,8

-3,3

-5,0

-4,6

Температура на уровне 400 мб, °С

-23,4

-30,7

-8,2

-5,0

Зональный ветер на уровне 800 мб, м/с

-0,9

3,6

-0,3

-0,9

Зональный ветер на уровне 400 мб, м/с

2,4

14,7

-0,1

-2,1

Облачность, %

22,5

44,2

-2,9

-2,2

Относительная влажность на уровне 800 мб, %

46,8

63,1

-2,6

0,1

Содержание влаги в атмосфере, мм

14,2

12,9

-8,3

-3,9

Испарение, мм/день

4,0

3,5

-0,5

-0,9

Осадки, мм/день

4,5

3,1

-1,2

-0,1

Давление у поверхности, мб

972,9

995,1

-8,7

8,7

Вторая серия экспериментов показала, что интенсивность циркуляции в июле и январе повышается. Оси циклонов смещаются к югу и проходят южнее Скандинавии в сторону Азии. Сильно сокращаются осадки летом, особенно над Южной и Восточной Азией, зимой они примерно такой же интенсивности, что и теперь, и лишь в северном полушарии их было немного меньше.

При моделировании климата ледниковой эпохи с помощью третьей модели оказалось, что в среднем на всем земном шаре осадков было на 10% меньше, чем теперь, над сушей — 31%, а над океаном лишь около 1%. Средняя температура у поверхности упала на 5,4° С, над сушей на 7,7°, а над океаном на 4,4°.

Повышение альбедо континентов во время ледникового периода за счет большой площади, покрытой льдом и растительностью, дало в модели более низкие температуры во всей тропосфере и более высокое давление у поверхности над континентами по сравнению с океанами.

Приведенные характеристики — результат реконструкции климата да базе теоретических моделей, которые в основном дают сходные оценки. Поэтому есть все основания предполагать, что реальные климатические условия ледникового периода в главных чертах вряд ли могли сильно отличаться от восстановленных. Будущие эксперименты с более сложными моделями уточнят эту картину.

Однако при всех обстоятельствах ясно, что наступление ледниковой эпохи привело бы к таким климатическим условиям, которые катастрофически повлияли бы на все стороны хозяйственной деятельности и на самого человека. Достаточно сказать, что среднему похолоданию на 1°С соответствует сокращение вегетационного периода порядка двух недель. Таким образом, среднее похолодание на 5,4° С (согласно моделям) привело бы к сокращению вегетационного периода почти на три месяца, что для многих районов мира равносильно его отсутствию.

Остановимся кратко на некоторых характеристиках климата голоцена. Наибольший интерес представляют теплые и холодные периоды этой эпохи. Мы уже отмечали, что в первые 7—8 тыс. лет происходило резкое потепление климата. Примерно 8 тыс. лет назад растаял скандинавский ледовый покров. Льды Североамериканского континента растаяли около 6,5 тыс. лет назад, а лабрадорский лед — еще позже, 4,5 тыс. лет назад.

К этому времени субарктические леса сместились к северу примерно на 300 км севернее их нынешней полярной границы. На несколько сот километров отступила к северу и вечная мерзлота в Восточной Сибири и Северной Америке. Почти везде, за исключением некоторых зон, климат был более влажным, чем сейчас. Примечательно, что влажный климат длительное время господствовал во всем засушливом поясе, простирающемся от Западной Африки до Раджахстана на северо-западе Индии. Даже в засушливом центре Сахары годовое количество осадков составляло 250—400 мм (сейчас 6 мм/год). Уровень озера Чад на 40 м превышал современный, а само озеро достигало размеров Каспийского моря. Обширные пастбища использовались скотоводами-кочевниками, интенсивно развивалось земледелие без орошения в районах Ближнего и Среднего Востока, включая северо-запад Индии, т. е. в районах, которые ныне относятся к засушливым. Некоторые области в полосе 35—40° с. ш. в это время были более засушливыми (Калифорния, Невада, Иран, Южная Африка), и это сказывалось на развитии их экономики. Рис. 5 иллюстрирует климат этого наиболее теплого и благоприятного периода голоцена, получившего название климатического оптимума.

Примерно 4 тыс. лет назад во многих районах земного шара климат заметно похолодал и стал суше. На рис. 6 приведен график, характеризующий среднее количество осадков в Раджахстане за последние 11 тыс. лет. Эти данные восстановлены по уровням озер и другим косвенным данным. На графике видно, что примерно 3,7 тыс. лет назад количество осадков за очень короткий период уменьшилось в три с лишним раза (до 200 мм), что привело к упадку экономики района.

Предполагают, что подобные климатические катастрофы были вызваны человеческой деятельностью. Ниже мы вернемся к вопросу формирования засушливых условий при оценке факторов антропогенного происхождения, влияющих на климат. Следует, однако, учитывать, что региональные особенности изменения климата наблюдались всегда. И, по-видимому, никогда изменения климата не были одинаковыми во всех районах земного шара для данного периода. Такая ситуация имеет место и сейчас. Поэтому представления о глобальном потеплении или глобальном похолодании вовсе не означают повсеместного повышения или понижения температуры, а характеризуют осредненную картину.

Дело в том, что климатические изменения всегда сопровождаются изменением циркуляционного режима атмосферы. В результате потеплению или увлажнению климата в одних районах сопутствует похолодание или сухость климата в других. Так, среднегодовая температура за первые 2 тыс. лет из последних 5 тыс. в Китае была на 2° выше, чем теперь. В других районах земного шара отмечалось заметное похолодание климата. Последние 3 тыс. лет в Китае температура колебалась в пределах 2—3° С. Минимум температуры отмечался в 1000, 400 гг. до н. э. и 1200 г. н. э. Климат был довольно теплым в 206 г. до н. э. — 220 г. н. э. и в 618—907 гг. н. э.

Рис. 5. Характеристика климата в период климатического оптимума около 8 тыс. лет назад (по В. Келлогу, 1977).

В — климат более влажный, чем современный; С — климат более сухой, чем современный

Рис. 6. Среднее количество осадков в Раджахстане (Индия) за последние 11 тыс. лет.

1 — годовое; 2 — в период летнего муссона; 3 — в сухой период

По данным японского метеоролога Аракавы, лето 1180 г. принесло неслыханную засуху в Западной Японии. В то же время в восточной части Японии был обильный урожай. Такие условия могли складываться только в результате циркуляционных процессов, влияющих на формирование климатических аномалий.

Более четкое представление о колебаниях климата мы получаем по мере приближения к современным условиям, когда данных становится больше.

Климат последнего тысячелетия

Главными источниками информации о климате этого периода являются исторические записи и косвенные наблюдения за такими показателями климата, как кольца деревьев, уровень озер, состояние горных ледников и др. За последние полтора-два столетия имеются ряды инструментальных наблюдений.

Наиболее характерными периодами для последнего тысячелетия являются следующие климатические условия:

сравнительно теплый период примерно в VIII—XIV вв., получивший название малого климатического оптимума;

похолодание между XIV и XIX вв. — малый ледниковый период;

потепление, начавшееся во второй половине XIX в., с максимумом в 30—40-х годах XX в.;

похолодание после 30—40-х годов, которое еще продолжается с некоторыми колебаниями.

Следует отметить, что наука располагает различного рода письменными источниками, характеризующими аномалии климата в Египте, Китае и Южной Европе соответственно с 3000, 2500 и 500 гг. до н. э. Для Северной Европы они имеются за всю историю современного летосчисления, для Японии, Исландии, Северной Америки, Южной Америки, Австралии — начиная соответственно с 500, 1000, 1500, 1550, 1800 гг. н.э. В русских исторических источниках информация о климате содержится примерно с X—XI столетий.

Поскольку специальных инструментальных наблюдений за климатом VIII—XVII вв. практически не было, встречающиеся в литературе количественные характеристики температуры и осадков восстановлены по различным косвенным климатическим индексам, которые корродировались с данными инструментальных наблюдений последних столетий.

Как уже отмечалось, в VIII—XIV вв. (700—1350 гг.) наблюдалось потепление климата. В это время ледовые условия в Северной Атлантике были благоприятными для плавания. Древние викинги на своих легких суденышках плавали к Гренландии и основали там европейские поселения, в которых развивалось земледелие, скотоводство, рыболовство. Установились контакты между Европой и Северной Америкой. По данным английского климатолога Г. Лэмба, это потепление прекратилось в Европе около 1300—1310 гг. В Гренландии и Арктике оно началось раньше, чем в Европе, и соответственно закончилось раньше. При потеплении усилилось экваториальное западное течение, меньше штормило в тропиках. Все это благоприятствовало плаваниям полинезийцев в экваториальной зоне и обмену культуры народов.

Рис. 7. Характеристика температурного режима (I) и характер осадков в Центральной Англии за последнюю 1 тыс. лет (по Г. Лэмбу) (II).

1 — наблюденные величины температур (осадков); 2 — температуры (осадки), восстановленные по ботаническим данным; 3 — температуры (осадки), восстановленные по отрывочным данным; 4 — косвенные наблюдения; а — средние для года; б — летний сезон (июль-август); в — зимний сезон (декабрь—февраль)

В Европе максимум потепления пришелся, по-видимому, на 1200—1250 гг., а в отдельных районах на 1265—1312 гг. В целом отрезок времени между 1272 и 1291 гг. был необычайно засушливым, а между 1313 и 1322 гг. — необычайно влажным. Заметно увеличилась внутрисезонная изменчивость климата в 1270—1350 гг.

По данным изотопного анализа колец деревьев установлено, что в рассматриваемый теплый период (как, впрочем, до и после него) наблюдались такие климатические экстремумы, как засухи, наводнения, тайфуны и др. Так, в Колорадо (США) засушливыми были 1050, 1250, 1300 гг. В 1314—1316 гг. климат в Европе характеризовался большой увлажненностью и наводнениями, затем вновь — засушливостью (1413, 1423 гг.). Однако в целом экстремальные условия встречались реже, чем в холодные эпохи. При переходе к малому ледниковому периоду и во время его, особенно в 1500—1850 гг., резко повысилась циклоническая деятельность и участились штормы, наводнения, засухи.

Как видим, на фоне климатических трендов во все эпохи наблюдалась различная для различных районов изменчивость климата. Но в период потепления эта изменчивость уменьшалась, а климатические условия в целом были более благоприятными.

Согласно японским данным (средние даты цветения вишни, по которым имеется обширная информация), теплый благоприятный период в Японии был в IX — начале X в., а последующий период продолжительностью почти 400 лет — холодный, со средним запаздыванием дат цветения вишни на пять-шесть дней.

Рис. 7 иллюстрирует восстановленные данные о температуре и осадках за последнее тысячелетие. Отчетливо виден малый климатический оптимум, когда температура была примерно на 1,5° выше, чем позже, и несколько выше, чем при потеплении 30—40-х годов. Увеличилось и количество осадков. После малого климатического оптимума понизилась температура, уменьшились осадки, увеличилась неустойчивость климата.

Повышение температуры в это время, так же как и в период климатического оптимума, 8 тыс. лет назад (см. рис. 5), не обязательно сопровождается сухостью климата, хотя в ряде районов при более влажном климате при потеплении летних осадков было меньше.

Переход к малому ледниковому периоду наметился между 1300 и 1450 гг. Резко понизилась средняя температура, примерно на 1,3—1,4° С. Линии деревьев в горах в Центральной Европе опустились почти на 200 м, что при среднем вертикальном градиенте температуры 0,6—0,7°/100 м соответствует наблюдаемому понижению температуры. Длина вегетационного периода роста растений сократилась почти па три недели.

Полярные льды сковали побережье Гренландии и Исландии. В результате европейские поселения в Гренландии оказались отрезанными от Европы. В экстремальный период 1675—1704 гг. (наиболее экстремальным считается 1695 г.) холодные полярные воды преобладали вблизи Исландии и Фарерских островов. Океаническая поверхность, как указывает Г. Лэмб, была на 0,5° С холоднее, чем теперь. Сильно возросла неустойчивость атмосферных процессов, активизировалась циклоническая деятельность, участились наводнения и т. д. В целом зимние температуры за 1443—1700 гг, были заметно ниже, чем в последующие 250 лет. Надо отметить, что и на фоне этого похолодания наблюдались отдельные теплые периоды, например теплые зимы 1665—1666 и 1718—1719 гг. в Англии и других странах.

Горные ледники в Альпах вновь развились и заняли пространства, с которых они отступали в период малого климатического оптимума. Наступление ледников в целом было характерно для северного полушария в малый ледниковый период. Это отразилось на сельскохозяйственном производстве. Так, в некоторых провинциях Китая после сильных морозов в 1654—1676 гг. почти полностью вымерзли апельсиновые деревья. В 1782—1787, 1833—1839, 1866—1869 гг. в Японии отмечались очень низкие урожаи, которые характерны для холодных, влажных летних условий погоды.

Наиболее ярко малый ледниковый период проявился в 1550—1700 гг., но наиболее изменчив климат в Европе был в конце XIV — начале XV и в XVI—XVII вв.

Оледенение в горах Европы достигло максимума к 1600 г. Вторичный максимум наблюдался около 1820 г. после очень интенсивного похолодания климата в 1812—1817 гг. Этот период характеризовался влажным, холодным летом и холодной зимой. Из 1525—1600 гг. следует выделить более теплый интервал (1525—1569 гг.), в течение которого в Швейцарии наблюдалось 48 теплых и лишь 21 холодный летний месяц (июнь—август), и холодный между 1570 и 1600 гг. с 26 теплыми и 44 холодными летними месяцами.

На некоторых климатических флюктуациях следует остановиться особо. Так, после флюктуации климата 1569—1579 гг. наступила серия экстремально влажных и холодных летних сезонов во второй половине 80-х годов XVI в. Именно в этот период, 13—21 августа 1588 г., разразился шторм, приведший к гибели испанской армады. В июне —августе 1588 г. было отмечено 75 (81%) дождливых дней.

В Швейцарии после 1560 г. были очень тяжелые климатические условия: холодные зимы и весны, холодные и влажные летние сезоны. Неурожаи зерна были в 1614, 1717, 1731, 1785 гг., винограда — в 1588, 1628, 1692, 1698, 1816 гг. Подобные климатические экстремумы отражались на экономике, общественной и социальной жизни. Во Франции в 1680—1718 гг. отмечался период холодных лет с катастрофическим выпадением осадков. В 1782—1785 гг. в Европе наступили жестокие засухи. Очень холодными с избыточным увлажнением были 1812—1821 гг., особенно 1816 и 1817. Холодная зима зафиксирована в 1657/58 г. Средняя температура ее в районе между Данией и Швецией была примерно на 4° С ниже, чем за период 1931—1960 гг. Такие условия привели к замерзанию проливов к востоку от Ютландского полуострова.

Малый ледниковый период характеризовался крупными климатическими аномалиями и на Американском континенте. Наиболее полная информация имеется о засухах в Гватемале с 1563 по 1932 г. За этот период они наблюдались довольно часто, самые сильные в 1746, 1803, 1824-1825, 1842-1844, 1868-1889, 1891 и 1912 гг.

Следует отдельно остановиться на характеристике климата России и его влиянии на экономику за доинструментальный период наблюдений. Совместно с В. М. Пасецким автор проанализировал экстремальные климатические явления за XI—XIX вв.

В целом во вторую половину периода европейского потепления (1000—1200 гг.) колебания климата на территории Руси носили в основном региональный характер и не отличались интенсивностью. В XI и XII вв. отмечалось только по две особо опасные засухи (1022, 1024, 1124 и 1161 гг.). Имеются свидетельства, что в период потепления в X в. новгородцы вышли на берег Русской Арктики, а в 1132 г. ходили к Железным воротам, под которыми подразумеваются Карские ворота. Это указывает на сравнительно благоприятные ледовые условия в XII в.

Особенно суровыми были морозы в 1230 г. Затем с 1232 по 1250 г. климат стал несколько стабильнее. Вторая половина XIII в. характеризуется частыми бурями, сильными дождями, наводнениями, возвратами холодов и жестоких зим.

В XIV в. экстремальные явления на Руси отмечались уже 40 раз, из них почти половина приходится на 1301—1331 гг. За это время в летописях отмечено четыре дождливых периода и паводка в середине лета, два возврата холодов, четыре засухи, одна суровая зима. На это столетие приходится 20 голодных лет, из них два голода имели не только общерусский, но и общеевропейский характер.

В XV в. летописцы отмечают уже более 50 экстремальных климатических явлений, обусловивших 10 голодных лет, в том числе пять на Руси. Большинство из них было вызвано продолжительными холодными дождями, которые 18 раз за столетие приносили ущерб озимым и яровым. На это столетие приходится 15 засух, из них шесть охватили всю Русскую землю, а в 1424 г. и Западную Европу.

Аналогичная картина и в XVI в.: 26 раз наблюдались сильные дожди летом и осенью и 16 раз — засухи, четыре (1508, 1525, 1533, 1534 гг.) нанесли ущерб экономике России. В конце XVI — начале XVII в. также зафиксировано большое количество экстремальных явлений, и XVII в. — 24 дождевых года и восемь засух. На этот век приходится рекордное число голодных лет — 26. Анализ русского мореплавания дает основание предположить, что волна похолодания в Арктике распространялась с запада на восток. Со второй половины XVII в. увеличивается ледовитость арктических морей, климат становится более суровым. Так, в 1696 г. недалеко от Архангельска в лед вмерзло 35 кораблей.

Таблица 2. Аномальные климатические условия в России по данным русских исторических источников

Вид аномалии

Столетия

XI

XII

XIII

XIV

XV

XVI

XVII

XVIII

XIX 1-я половина

Засухи

9

15

14

23

15

16

9

19

4

Дождливые периоды

1

17

11

9

24

26

20

11

6

Возвраты холодов, приносившие гибель урожаев

—

3

4

1

10

5

9

7

—

Экстремально холодные зимы

5

11

5

2

12

17

26

18

3

Общее число климатических экстремумов

15

46

34

35

61

64

64

55

13

Число голодных лет

5

17

19

16

22

22

25

16

1

Климатические условия XVIII в. отличались большими колебаниями, отмечено 18 жестоких зим, из них особенно суровы зимы 1709 и 1740 гг. Были и дождливые периоды с наводнениями, от которых пострадали Москва (1702, 1709, 1716, 1718, 1765 гг.) и ряд городов России. Дождливые годы сменялись засухами (19 за столетие).

В первой четверти XIX в. из четырех засух лишь одна распространилась на обширную территорию, а остальные носили региональный характер. В середине века увеличивается число мягких зим, дождливых лет с наводнениями становится меньше, вновь улучшаются ледовые условия в Арктике. К этому времени климат вступает в новую фазу очередного потепления.

В табл. 2 приведена сводка зарегистрированных экстремальных явлений в России по данным, исторических записей. Таблица наглядно иллюстрирует крайне, неблагоприятные климатические условия в период похолодания климата, а также определенную закономерность, согласно которой количество голодных лет увеличивалось по мере увеличения суммарного количества экстремальных климатических явлений.

Довольно подробные исторические хроники Исландии рассказывают, что с 975 по 1500 г. было 12 голодных лет, причем пять из них приходится на относительно холодный период между 1250 и 1390 гг. В 1600—1804 гг. отмечено уже 34 голодных года.

Нетрудно видеть, что приведенные данные о климатических условиях в России за рассматриваемый период в общем неплохо согласуются с климатическими условиями в других частях мира. Однако региональный характер появления климатических экстремумов очевиден.

Таковы в общих чертах климатические условия малого климатического оптимума и малого ледникового периода.

Имеющиеся данные указывают на то, что период похолодания климата повсеместно сопровождался увеличением влажности и осадков, сильных ветров, холодных зим. Теплые сезоны характеризовались частыми засухами. Все это неблагоприятно отражалось на хозяйственной деятельности, здоровье и благосостоянии людей практически во всех населенных районах северного полушария. Климатические аномалии влияли и на некоторые социальные явления. В то же время два климатических оптимума с более теплым, влажным и менее изменчивым климатом более благоприятно сказывались на развитии экономики и общества, хотя и в эти периоды также нередко отмечались климатические аномалии, чаще всего засухи. Однако их повторяемость, продолжительность, интенсивность и последствия были существенно меньше.

В третьем периоде последнего тысячелетия (со второй половины XIX в.) климат постепенно теплел, и особенно заметно в высоких широтах северного полушария. Характеристики изменений температуры в различных широтных зонах северного полушария приведены на рис. 8. Отчетливо проявляется температурный тренд с максимумом потепления в высоких широтах в 30—40-е годы. На фоне общего потепления климата были периоды похолодания, равно как и в последующем периоде похолодания наблюдались кратковременные периоды потепления (50—60-е годы XX в.). Наиболее характерные кратковременные похолодания климата на фоне его общего потепления произошли в первое, второе и третье десятилетия XX столетия. Это по-видимому, было связано с выбросами в атмосферу аэрозоля вулканического происхождения, на чем мы остановимся специально. Кроме того, здесь обнаруживается некоторая связь с циклами солнечной активности. Общая тенденция потепления привела к резкому уменьшению арктических льдов и облегчению условий плавания в Арктических морях. Так, в восточном секторе Арктики площадь льдов в период с 1924 по 1945 г. сократилась почти на 1 млн. км^2. Примерно в 1866 г. началось отступление горных ледников в Альпах. Ледник Мер-де-Пляс отступил на 1300—1400 м, а ледник Аржантьер на 1000 м. Аналогичная картина наблюдалась в Скандинавии, Исландии, на Шпицбергене, в Гренландии, на севере Канады, в Кордильерах Северной Америки. Площадь ледников Кавказа с 1890 по 1946 г. уменьшилась на 8,5%. Уменьшились в размерах ледники на Алтае, Памире и в Турции. С начала XX в. бурно таяли ледники в Экваториальной Африке. Некоторые мелкие арктические острова, покрытые льдом, растаяли (Васильевский в 1936 г., Семеновский в 1956 г.), остались лишь подводные банки. Граница вечной мерзлоты повсеместно отступила на север, а температура мерзлых пород повысилась в 40-х годах XX в. примерно на 2° С.

Рис. 8. Изменение температуры воздуха в различных широтных зонах Земли.

а — по Г. Лэмбу: 1 — для всей Земли; 2 — для 0—80° с. ш.; 3 — для 0—60° ю. ш.; б — по Е. П. Борисенкову и В. Н. Приемову: 1 — среднегодовые значения у поверхности для 40—75° с. ш.; 2 — средние за пять лет

Если в малый ледниковый период льды сковывали Исландское побережье около 20 недель, то в 1920—1939 гг. — две-три недели. При потеплении раньше вскрывались реки и озера и позднее замерзали. В северных морях появилась более теплолюбивая рыба. Сельдь, треска, скумбрия, морской окунь и другие породы рыб, которые, например, в Баренцевом море встречались в прошлом веке в небольших количествах, стали предметом интенсивной рыбной ловли в северных морях, Атлантике, в Арктическом бассейне, в северной части Тихого океана. В течение полутора-двух десятилетий резко изменилась морская фауна. Раньше стали прилетать и улетать птицы. Перестройка атмосферной циркуляции вызвала региональные климатические изменения, т. е. на фоне общего потепления в некоторых районах наблюдалось непродолжительное похолодание климата. В ряде мест в период потепления уменьшились осадки и повысилась засушливость климата. Такие условия были характерны для территории Советского Союза и Северной Америки. Потепление 30—40-х годов охватило не только северное, но и южное полушарие.

Таким образом, изменения климата в XX в. довольно четко прослеживались почти на всем земном шаре. В середине 40-х годов по причинам, которые до сих пор достоверно не выяснены, началось очередное похолодание климата. С некоторыми флюктуациями оно продолжается и поныне.

Современный климат

Как уже отмечалось, под этим понятием подразумевается климат после потепления 30—40-х годов. Для этого периода характерно общее понижение температуры, увеличение на континенте количества льда и снега, повторяемости необычных условий погоды, т. е. таких, которые по данным ВМО встречаются раз в 25—30 и более лет. Были и отдельные потепления климата, например в конце 50-х годов; затем оно сменилось значительным похолоданием, достигшим максимума в середине 60-х годов. Вслед за этим было зарегистрировано повышение температуры, продолжавшееся до конца 60-х — начала 70-х годов. Этот факт послужил основанием для отдельных ученых утверждать, что это потепление глобальное и знаменует переломный момент в тенденции климата к глобальному потеплению за счет антропогенных факторов и, в частности, за счет роста CO_2. Однако подобные утверждения оказались преждевременными, по крайней мере, в силу двух причин.

Во-первых, в середине 70-х годов вновь проявилась тенденция к похолоданию климата, а годы 1976, 1978, 1979 были исключительно холодными и аномальными по количеству необычных условий погоды (засухи, холодные зимы, наводнения). В связи с этим потепление конца 60-х — 70-х годов следует считать такой же флюктуацией климата, как и раньше.

Во-вторых, похолодание климата после 40-х годов не было повсеместным, а носило четко выраженный региональный характер, что наблюдалось во все периоды истории Земли. Что касается роста CO_2, то он пока еще не обеспечивает того тепличного эффекта, которым можно объяснить потепление. К тому же этот фактор не единственный.

В 1973 г. Японская метеорологическая служба создала специальную исследовательскую группу для оценки повторяемости необычных условий погоды и тенденций изменения климата. Большое число специалистов считают, что изменение не средних климатических условий, а климатических аномалий, климатических экстремумов или необычных условий погоды главным образом влияет на состояние человеческого общества.

Повторяемость необычных значений температур и осадков за 1961—1972 гг.

Высокие температуры

Низкие температуры

Всего

XII-II

III-V

VI-VIII

IX-XI

сумма

XII-II

III-V

VI-VIII

IX-XI

сумма

Число случаев

55

64

46

41

206

150

100

113

97

460

666

Избыточные осадки

Недостаточные осадки

Всего

XII-II

III-V

VI-VIII

IX-XI

сумма

XII-II

III-V

VI-VIII

IX-XI

сумма

Число случаев

80

75

74

66

295

132

119

105

116

472

767

В табл 3 приведены данные японских исследователей о повторяемости необычных (высоких и низких) значений температур и осадков за 1961-1972 гг.

Из таблицы видно, что за указанный период преобладало число случаев с необычно низкими среднемесячными значениями температуры (460 месяцев против 206) и осадков (472 против 295).

За 1960—1969 гг. по сравнению с периодом потепления 1920—1940 гг. повторяемость необычно низких температур возросла почти в 2 раза, а высоких на столько же упала. Экспериментально подтверждено уменьшение с 1951 по 1972 г. температуры поверхности в Северной Атлантике с 12 03 до 11,043° С, увеличение площади занятой льдом и снегом. По данным наблюдений эта площадь с 1950 по 1973 г. увеличилась с 33 до 39 млн. км^2. После 40-х годов вновь начали наступать горные ледники. Исследования в США 73 небольших ледников, быстро реагирующих на изменения климата, показали, что за 1953—1955 гг. 50 ледников находилось в стадии наступления, 14 накапливало свою мощность без заметного движения и только 7 пребывало в стационарном состоянии. На канадских горных полярных станциях средняя нулевая изотерма для июля в 1964—1972 гг. была на 276 м ниже, чем в 1955—1963 гг.

При потеплении климата с 1880 до 1930 г. над Британскими островами число дней в году с западными ветрами увеличилось с 85 до 110, а затем при похолодании до начала 70-х годов уменьшилось, достигнув 80, а к середине 70-х годов — 68.

Надо сказать, что потепления климата в Европе, связанные с увеличением интенсивности западно-восточного переноса, зафиксированы довольно четко. В циркуляционных процессах современного периода чаще повторяется блокирование западно-восточного переноса с резкими колебаниями условий погоды.

В табл. 4 приведены данные об изменении отдельных характеристик климатической системы за 50—70-е годы. В среднем отмечалось понижение температуры средней тропосферы северного полушария, особенно в умеренной зоне и высоких широтах. Менее ярко, но достаточно четко прослеживается тенденция понижения температуры воздуха у поверхности, которая испытывает существенные колебания. В конце 60-х — начале 70-х годов температура несколько повысилась. Охлаждался поверхностный слой как в Атлантике, так и в Тихом океане. Количество снега и льда за последние годы возросло. В южном полушарии, по-видимому, наблюдалась иная картина. Так, температура средней атмосферы слабо повышалась. Незначительно менялась температура воздуха и у поверхности. Количество пакового льда в Антарктиде сначала несколько увеличилось, а затем стало уменьшаться. Индекс завихренности атмосферных процессов характеризует возросшую неустойчивость циркуляции за рассматриваемый период. Некоторое представление об изменениях температуры в различных зонах и слоях северного и южного полушарий дает рис. 9.

Анализируя приведенные данные можно сделать два вывода.

1. В северном полушарии продолжает увеличиваться снежный и ледовый покров и понижаться температура со средней скоростью примерно 0,2° С за 10 лет, что подтверждают практически все характеристики климатической системы. Серьезных оснований, за исключением некоторых флюктуаций температуры в конце 60-х — начале 70-х годов в сторону повышения, для вывода о начавшемся глобальном потепления климата последнего периода нет.

Таблица 4. Средние характеристики климатической системы по пятилетиям за 1955—1975 гг.

Полушарие

Параметр

Район

Изменение температуры, °С

1955—1960

1960—1965

1965—1970

1970—1975

Среднее

Северное

ТСА

0°-90°

Нет данных

Нет данных

-0,068

-0,324

-0,196

ТВП

0°-90°

0,088

-0,204

-0,068

-0,068

-0,068

ТСА

65°-90°

0,556

-0,944

-0,300

-0,208

-0,224

ТВП

70°-90°

-0,760

-0,428

-0,184

0,412

-0,240

ТСА

35°-90°

0,328

-0,316

-0,620

-0,160

-0,192

ТСА

50°-90°

0,476

-0,476

-0,584

-0,264

-0,212

ТВП

50°-90°

-0,156

-0,072

-0,308

0,324

-0,018

ТМП

Сев. часть Тихого океана

0,304

-0,492

0,168

-0,512

-0,128

ТМП

Северная Атлантика

-0,480

-0,200

-0,260

Нет данных

-0,313

ТСА

10°-30°

Нет данных

Нет данных

0,144

-0,316

-0,086

ТВП

0°-50°

0,156

-0,244

0,028

-0,220

-0,070

Южное

ТСА

0°-90°

Нет данных

Нет данных

0,116

0,068

0,092

ТСА

60°-90°

Нет данных

Нет данных

0,396

0,468

0,432

ТСА

30°-90°

Нет данных

Нет данных

-0,016

0,180

0,082

ТСА

10°-30°

Нет данных

Нет данных

0,272

0,104

0,188

ТВП

0°-20°

0,168

-0,508

0,072

-0,112

-0,095

Примечание: ТСА — температура средней атмосферы; ТВП — температура воздуха у поверхности; ТМП — температура морской поверхности.

2. В южном полушарии климат несколько теплеет и уменьшается количество льда.

Современный климат неустойчив: засухи в одних районах и наводнения в других. Такая неустойчивость была характерна для перехода в малому ледниковому периоду в прошлом.

Итак, в целом о современном климате можно сказать следующее.

1. В настоящее время наблюдается тенденция похолодания климата в северном полушарии, которая характеризуется средним понижением температуры воздуха и воды на 0,1—0,2° С за 10 лет и увеличением количества льда и снега. Судя по всему, это похолодание является не признаком перехода к новой ледниковой эпохе, а климатической флюктуацией, аналогичной прошлым. В южном полушарии отмечается потепление климата.

2. Повторяемость необычных условий погоды и климатических аномалий возрастает. Подобное происходило и ранее, в частности при переходе от малого климатического оптимума к малому ледниковому периоду и во время последнего. Поэтому вряд ли можно говорить об исключительной аномальности наблюдаемых условий. Однако теперь в отличие от прошлых столетий они охватывают густонаселенные районы с высокоразвитым хозяйством, в связи с чем последствия таких климатических аномалий могут оказаться более ощутимыми, чем в прошлом.

3. Повышенная изменчивость климата и особенно температур наиболее интенсивна, как и ранее, в высоких и умеренных широтах и в меньшей мере — в низких.

4. Повышенная изменчивость осадков проявляется во всех широтных зонах, но наиболее ощутима в так называемых аридных и прилегающих к ним зонах, ибо сельское хозяйство в этих районах очень страдает от засух или даже недобора осадков.

5. Экономика и сам человек во все времена и особенно в последнее зависят как от климатических трендов средних температур, средних осадков, так и в еще большей степени от климатических аномалий и изменчивости климата. Изучение этих условий в будущем и их прогнозирование станут главной задачей при оценке и учете влияния климата на экономику и человеческую деятельность.

Рис. 9. Изменения средней температуры свободной атмосферы в различных широтных зонах Земли.

Точками показаны экспериментальные значения температур

В качестве одного из примеров приведем данные о продолжительности вегетационного периода (дни, когда средняя температура выше 5,5° С) в центральной части Англии. В 1870—1895 гг. средняя за десятилетие продолжительность вегетационного периода составила 255—265, а наименьшая 205—225 сут.; в 1930—1949 гг. соответственно 270—275 и 237—243 сут. В 1950—1959 гг. средняя продолжительность вегетационного периода вновь упала до 265, а минимальная — до 226 сут.

В наиболее холодные десятилетия малого ледникового периода в Англии средний вегетационный сезон был короче почти на месяц по сравнению с 1930—1949 гг. Наложение на эпохи укороченного вегетационного периода крупных климатических аномалий значительно может усугубить последствия и без того неблагоприятных климатических условий, вызываемых сокращением вегетационного периода.

Естественные факторы изменения климата

Выше мы проследили за изменениями климата, которые носили глобальный характер и охватывали как длительные, так и более короткие периоды истории Земли. В основном это было вызвано естественными причинами. Лишь в небольшой мере, особенно в последние десятилетия, отдельные изменения объясняются неосознанной деятельностью человека: вырубка и выжигание лесов на больших пространствах, увеличение пахотных земель, вытаптывание растительности животными в так называемых аридных зонах, что могло способствовать наступлению пустынь, и др. Однако человеческая деятельность подобного рода не способна повлиять на крупные климатические колебания: ледниковые и межледниковые периоды или даже малый климатический оптимум и малый ледниковый период.

Как подчеркивалось, строгой теории, позволяющей с уверенностью объяснить и математически оценить колебания климата в прошлом, не создано. Тем не менее наука в состоянии дать количественную оценку отдельных климатообразующих факторов и качественную интерпретацию их влияния на климат. Для наглядности запишем в самом общем виде уравнение баланса термодинамической энергии. Если обозначить среднюю взвешенную по массе и отнесенную к единице массы температуру столба атмосферы единичного сечения T, а ее изменения ΔT, то

ΔT = (1 - A)S_0 + Eэф + Eтурб + Eфаз + Eциркул + D + Eист.

Здесь А — интегральное альбедо системы Земля—атмосфера, характеризующее отражательную способность как подстилающей поверхности, так и самой атмосферы для приходящей от Солнца радиации. Оно меняется теоретически от 0 до 100% (от 0 до 1). В среднем для всего земного шара интегральное альбедо системы 0,3—0,35. Это означает, что 30—35% приходящей солнечной радиации, в основном коротковолновой, отражается и уходит в мировое пространство. Однако для различных сезонов альбедо системы колеблется в очень широких пределах — от нескольких единиц до 90%. В связи с этим, для того чтобы оценить только роль альбедо, необходимо знать характеристику и состояние биосферы над всем земным шаром, почв, океана, снежного и ледового покрова. Альбедо атмосферы зависит от количества и микроструктуры облачности, весьма изменчивой во времени и пространстве.

Указанные характеристики климатической системы непрерывно находятся в динамике. Без ее понимания мы не может оцепить изменение альбедо системы Земля-атмосфера. На примере одного этого параметра видно, что климатическая система многокомпонентна.

S_0 — приходящая на верхнюю границу атмосферы солнечная радиация. Она зависит от интенсивности солнечного излучения, времени года и суток, широты места, параметров земной орбиты и угла наклона земной оси. Легко видеть, что величина S_0 зависит от ряда факторов как земного, так и внеземного происхождения.

В сумме величина (1—A)S_0 характеризует долю поглощенной системой Земля—атмосфера солнечной радиации.

Eэф — эффективное уходящее длинноволновое излучение, т. е. количество тепловой радиации, покидающей Землю. Оно зависит от температуры излучающего тепло тела, т. е. от температур подстилающей поверхности и атмосферы, от газового и аэрозольного состава атмосферы, облачности. Одни газовые и аэрозольные компоненты поглощают длинноволновую радиацию (водяной пар, углекислый газ, облачность или, как принято говорить, облачный аэрозоль и др.), другие пропускают длинноволновую радиацию полностью или частично (азот, кислород, крупная пыль и др.). В обычном состоянии в отдельности газы и главным образом N и O_2, из которых в основном состоит атмосфера, не поглощают в сильной мере ни длинноволновую, ни коротковолновую радиацию и сами по себе существенно не влияют на тепловой режим атмосферы. Но в результате внешних воздействий, например вулканических извержений, солнечных вспышек, а в последние годы и антропогенных факторов (атомные взрывы, сжигание топлива), эти газы могут образовать соединения (например, окислы N и др.), которые будут поглощать как длинноволновую, так и коротковолновую радиацию и влиять тем самым на тепловой режим атмосферы.

Eтурб — турбулентный поток тепла между атмосферой и подстилающей поверхностью. Он зависит от контраста температур между атмосферой и подстилающей поверхностью и ее свойств, а также от скорости ветра.

Eфаз — фазовые притоки тепла, характеризующие как затраты тепла на испарение, так и выделение затраченного на испарение тепла при конденсации водяного пара и выпадении осадков.

Eциркул — перераспределение тепла по земному шару за счет циркуляционных процессов. В среднем для всего земного шара приток тепла равен нулю. Но в отдельных регионах за счет этого источника могут происходить существенные изменения температур.

D — приток тепла, возвращаемого в атмосферу за счет диссипации кинетической энергии атмосферных движений, т. е. за счет перехода механической энергии движения атмосферы в тепловую.

Приток тепла за счет диссипации незначителен, в среднем он составляет 2—3 Вт/м^2 по сравнению с солнечной постоянной, равной 1356 Вт/м^2. Этот источник тепла в целом не имеет существенного климатообразующего значения для земного шара. Однако именно равная этому количеству энергия необходима атмосфере для поддержания кинетической энергии движений, т. е. величина генерируемой в атмосфере кинетической энергии примерно равна ее диссипации. Но через циркуляционный механизм происходит перераспределение энергии по земному шару (Eциркул). Зачастую этот фактор недооценивается ввиду малости этой величины, что само собой исключает из рассмотрения динамику атмосферы, а значит, и циркуляционные факторы климата, региональные его особенности и крупные климатические аномалии.

Eист — энергия, вносимая каким-то внешним источником (в настоящее время — это в основном антропогенный).

Легко видеть, что если имеются естественные или антропогенные факторы, способные изменить тот или иной из описанных выше параметров, характеризующих только один компонент климатической системы атмосферы, то на основе оценки изменений этих параметров можно будет оценить возможные изменения интересующего нас климатического режима атмосферы.

Но для полного учета этого фактора нужно принять в расчет динамику всех пяти компонентов климатической системы (атмосферы, океана, криосферы, поверхности суши, биосферы), находящихся в сложном взаимодействии. Другими словами, подобный анализ следовало бы провести для каждого из пяти компонентов климатической системы в отдельности, а затем в их взаимодействии. Именно в этом заключается основная трудность проблемы, ее многообразие, комплексность и глобальный характер.

Атмосфера — самый подвижный компонент климатической системы. Характерное время установления атмосферной циркуляции под влиянием внешних параметров составляет около месяца.

Океан менее подвижен. Он — мощный аккумулятор солнечной энергии, которая затем поступает в атмосферу в виде явного и скрытого тепла. Характерное время установления циркуляции в верхнем (деятельном) слое океана колеблется от нескольких месяцев до нескольких лет, на глубине — столетия. Океан является источником и стоком в газовом и аэрозольном обмене с атмосферой.

Криосфера — еще менее подвижный компонент климатической системы. Она включает воду в замерзшем состоянии (континентальные ледниковые щиты, горные ледники, морские льды, снег). Снежный покров и морской лед испытывают значительные внутригодовые колебания, в то время как горные ледники и в особенности континентальные ледниковые щиты изменяются слабо — в масштабе столетий, десятков и сотен тысяч лет. Криосфера исключительно сильно влияет на альбедо и частично орографию поверхности, а также на перераспределение воды на земном шаре.

Следующий компонент включает в себя непосредственно поверхность суши с ее почвами, горами, реками, озерами, грунтовыми водами. Озера, реки, болота, грунтовые воды — важные факторы влагооборота. Поверхность суши воздействует на радиационный и тепловой режим атмосферы, на газовый, аэрозольный обмен и др.

Последний компонент климатической системы — биомасса — включает в себя растительный и животный мир континентов и океанов. Биомасса существенно сказывается на влагообороте, газовом обмене, тепловом режиме. Воздействуя на биомассу или через ее посредство на другие компоненты системы, человек подвергает испытаниям состояние климатической системы в целом.

Естественные механизмы, влияющие на климат, можно разбить на следующие группы:

астрономические факторы, связанные с изменением параметров земной орбиты, наклоном земной оси и процессами на Солнце или в Солнечной системе;

геофизические факторы, обусловленные свойствами Земли как планеты;

циркуляционные факторы, связанные в основном с процессами внутри самой атмосферы.

Ниже будет рассмотрена каждая из перечисленных групп, дана качественная, а там, где возможно, и количественная интерпретация их влияния на климат.

Астрономические факторы длительных колебаний климата

Хорошо известно, что астрономическими факторами объясняется суточный ход погоды и внутригодовые изменения погоды и климата. Но существуют и долгопериодные климатические изменения, зависящие от астрономических факторов.

Астрономические факторы формирования климата определяются в основном параметрами земной орбиты, в зависимости от которых меняется расстояние от Земли до Солнца, углом наклона падающих солнечных лучей и процессами на самом Солнце. Эта группа факторов меняет величину S_0, т. е. приходящую к Земле радиацию (инсоляцию), являющуюся функцией широты, времени года, времени суток, положения Земли, или же приводит в действие некоторые внутриатмосферные механизмы, влияющие на климат.

Мы уже отмечали, что палеоклиматологические данные подтвердили в колебаниях климата прошлого наличие периодичностей порядка 100 тыс., 41 тыс., 21 тыс. лет, связанных с соответствующими периодами колебаний параметров земной орбиты и наклонением оси Земли. К таким факторам относятся периодические изменения эксцентриситета земной орбиты (е), угла наклона плоскости земного экватора к плоскости орбиты (ε) или угла наклона земной оси и прецессии орбиты, определяемой величиной е·sin π, где π — долгота перигелия, т. е. самой близкой к Солнцу точки орбиты, отсчитываемая от точки весеннего равноденствия.

Идея влияния параметров земной орбиты и наклона оси на S_0 и приходящую инсоляцию была высказана еще в 1842 г. французским математиком Адамаром и затем развита в 1930—1938 гг. в работах югославского геофизика Миланковича.

Как известно, величина S_0 обратно пропорциональна квадрату расстояния от Земли до Солнца. Вследствие эллиптичности земной орбиты это расстояние меняется, в связи с чем меняется и количество приходящей радиации к различным широтным зонам. После Миланковича расчеты эксцентриситета были повторены рядом американских и советских авторов за 30 млн. лет в прошлом и 1 млн. лет в будущем. Он колеблется в пределах 0,0007—0,0658 (в настоящее время равен 0,017) с периодами 90 тыс. — 100 тыс., 425 тыс. и 1200 тыс. лет.

Угол наклона ε составляет 22,068°—24,568° с периодами 41 тыс. и 200 тыс. лет (по Миланковичу этот период 40 400 лет, по некоторым американским данным угол ε колеблется за последние 500 тыс. лет от 21,8° до 24,4°), в настоящее время он равен 23,5°. Прецессия орбиты (параметр е·sin π) колеблется в пределах от 0,03 до 0,07 относительно его значения в 1950 г. со средним периодом около 21 тыс. лет. Все эти периоды неплохо согласуются с имеющимися представлениями о колебании климата в плейстоцене. Источником изменения параметров земной орбиты является меняющееся гравитационное поле в системе планет Солнечной системы.

Расчеты движения Земли с учетом возмущений, создаваемых действием сил притяжения других планет, производились еще в XVIII столетии Ж. Л. Лагранжем, а затем уточнялись другими учеными. Они подтвердили наличие подобных колебаний. Расчеты показали, что в среднем отмеченные колебания параметров земной орбиты существенно не меняют приходящей к Земле суммарной радиации, но она перераспределяется между полушариями, широтными зонами, различными сезонами.

Если предположить, что эллиптичность орбиты, характеризуемая эксцентриситетом, — единственный климатообразующий фактор, то полушарие, находящееся в перигелии зимой (как сейчас северное полушарие), должно иметь более длинные и прохладные летние сезоны. В противоположном полушарии — в апогее зимой — более короткие теплые летние сезоны и более продолжительные холодные зимы. Сезонные контрасты должны быть увеличены в период максимальной эллиптичности орбиты, как примерно 20 тыс. лет назад, когда наблюдался один из наибольших максимумов этого параметра. Период таких изменений составляет порядка 90—100 тыс. лет. В настоящее время мы медленно приближаемся к периоду наименьшей эллиптичности, когда сезонные контрасты должны уменьшиться.

Временной ход эксцентриситета за последние 500 тыс. лет приведен на рис. 10, а. Этот фактор указывает на приближение к новой ледниковой эпохе. Временной ход угла наклона земной оси е за тот же период приведен на рис. 10, б. Хорошо видно, что последний максимум угла наклона наблюдался почти 8—10 тыс. лет назад, что соответствует времени существования климатического оптимума. Следующий минимум ожидается примерно через 20 тыс. лет. При минимальном угле наклона ε контрасты между сезонами будут наименьшими. При максимальном угле наклона различия в тепловой энергии, достигающей Земли, между летними и зимними сезонами будут наибольшими. Этот эффект происходит синхронно в северном и южном полушариях и зависит от широты. Он мал у экватора и имеет максимум у полюсов. Так, средняя инсоляция летом на широте 45° изменяется на 1,2% на каждый градус изменения угла ε, а амплитуда инсоляции (при амплитуде этого угла за последние 500 тыс. лет в 2,6°) составляет примерно 3%. Однако для широты 65° одному градусу изменения угла наклона оси соответствует изменение инсоляции на 2,5%. Амплитуда же инсоляции для этой широты составит уже 6,5%. Таким образом, в период максимальных углов наклона земной оси ледники должны отступить, а интенсивность цирукуляции атмосферы увеличиться; при уменьшении угла ε наоборот. В ближайшем будущем (рис. 10, б) следует ожидать уменьшения угла наклона оси, что приведет к наступлению ледников и уменьшению контрастов между сезонами.

Рис. 10. Изменение параметров земной орбиты и наклона оси вращения за последние 500 тыс. лет

Третий параметр, который влияет на величину S_0 и климат, — прецессия орбиты. Эффект влияния данного фактора с периодом порядка 21 тыс. лет проявляется в одной фазе в северном и южном полушариях и не зависит от широты. В настоящее время Земля и Солнце ближе всего находятся друг от друга в январе (лето в южном полушарии). Но 10 тыс. лет назад это происходило в июле. Следовательно, еще через 10—11 тыс. лет картина станет обратной: летом южного полушария Земля будет дальше от Солнца, а летом северного ближе. В результате лето южного полушария и зима северного полушария станут еще холоднее, а зима южного полушария и лето северного — несколько теплее. Временной ход индекса, характеризующего прецессию орбиты, приведен на рис. 10, в.

На рис. 11 приведен временной ход суммарной инсоляции, вычисленной Бреккером и Ван Донком в 1970 г. для трех широтных кругов (45°, 55° и 65° с. ш.) за последние 500 тыс. лет. Данные позволяют сделать вывод, что чередование ледниковых-межледниковых эпох удивительно хорошо согласуется с периодами колебания параметров земной орбиты и наклона оси Земли. При учете всех трех факторов амплитуды изменения инсоляции составили около 5% относительно средних летних значений, что весьма много. Это равноценно изменению инсоляции вследствие уменьшения солнечной постоянной примерно на те же 5%.

Изменения инсоляции такой величины вполне могут объяснить колебания климата в течение последних 500 тыс.— 1 млн. лет. Устойчивого уменьшения инсоляции на несколько процентов достаточно, чтобы объяснить появление крупных оледенений и их ослабление. Во всяком случае, на рис. 11 отчетливо видно совпадение увеличения инсоляции с климатическим оптимумом 8—10 тыс. лет назад, а уменьшение — с последним ледниковым периодом. Согласуются и другие эпохи потепления и похолодания климата в прошлом. Детальные расчеты советских специалистов показали, что очередной минимум инсоляции, который почти на 5% ниже современной величины инсоляции, будет наблюдаться через 11 тыс. лет.

Анализируя эпохи оледенения Земли, следует иметь в виду, что изменение орбитальных параметров Земли и наклона ее оси вращения должно было отразиться на широтных контрастах температуры, что в свою очередь должно повлиять на характер циркуляционных процессов в атмосфере. Поэтому строгого соответствия периодов минимальной инсоляции и максимального оледенения может и не быть. К тому же на этот механизм накладывается влияние и других факторов.

Однако из всех естественных причин, вызывающих изменения климата, колебания параметров земной орбиты и как следствие инсоляция — наиболее реальные и более или менее ясно понимаемые климатообразующие факторы[1]. На основании экстраполяции рассмотренных параметров можно сделать вывод о том, что ход естественных процессов приближает нас к новому ледниковому периоду, который может наступить через несколько тысяч лет. Сейчас Земля находится в фазе межледниковья и приближается к эпохе оледенения со средней скоростью уменьшения инсоляции порядка 0,2—0,4% за тысячу лет.

Рис. 11. Временной ход летней инсоляции за последние 500 тыс. лет

Вторая группа факторов, относящаяся к астрономическим и влияющая либо на S_0, либо на внутриатмосферные механизмы, — процессы на самом Солнце. Данная группа факторов относится к проблеме, получившей в последние годы название «солнечно-земные связи в погоде и климате». И хотя эта проблема одна из старейших, она до сих пор принадлежит к числу остродискуссионных и имеет как горячих приверженцев, так и непримиримых противников. Однако противников признания влияния солнечно-атмосферных связей на погоду и климат становится все меньше, а их аргументация слабеет на фоне появления новых экспериментальных и теоретических работ, подтверждающих наличие таких связей.

На Солнце существует много процессов, характеризующих его активность. Но наибольшее внимание всегда уделялось солнечным пятнам как признаку солнечной активности, т. е. они имеют самый длительный ряд наблюдений. Средний диаметр солнечных пятен около 37 тыс. км, а наибольший — до 245 тыс. км. Средняя температура в них почти на 2000 К ниже, чем эффективная температура фотосферы. Магнитное поле солнечных пятен много выше, чем в целом для диска Солнца, а полярность лидирующего пятна в биполярной группе противоположна полярности следующего за ним пятна.

В последние годы появились научные работы, в которых делается попытка на основе магнитно-гидродинамической теории объяснить существование циклов солнечных пятен. Такая работа, в частности, выполнена А. С. Мониным. Имеются, однако, и другие идеи, связывающие цикличность в появлении солнечных пятен с аномалиями в поле гравитации, создаваемыми планетами Солнечной системы.

Ниже мы воспользуемся данными о солнечных пятнах для характеристики истории климата. Но при этом все же следует помнить, что при объяснении физических механизмов влияния солнечной активности на погоду и климат необходимо обращаться и к другим признакам активности Солнца, наблюдения за которыми организованы сравнительно недавно или даже в самые последние годы.

Рис. 12. Характеристика циклов солнечной активности, выраженная в числах Вольфа

Впервые солнечная активность по солнечным пятнам была проанализирована в 1843 г. астрономом Г. Швабе, По данным наблюдений за 1826—1843 гг. он установил 10-летний цикл в поведении солнечных пятен. Но их существование было замечено раньше. Так, в Китае было засвидетельствовано наличие больших солнечных пятен на Солнце по крайней мере в XV столетии. В то же время Г. Галилей отметил период отсутствия солнечных пятен около 1610 г. Р. Вольф ввел некоторый комбинированный индекс солнечных пятен, получивший название чисел Вольфа. Он построил временной ход чисел с 1700 по 1847 г. С 1848 г. по настоящее время этот ряд непрерывно пополняется.

Кроме того, по историческим записям и радиоуглеродному анализу срезов деревьев числа Вольфа были восстановлены примерно за последнюю тысячу лет. Оказалось, что они варьируют от 0 до 10 в годы минимума и от 50 до 100 и более в годы максимума солнечной активности (ежедневные вариации колеблются между 0 и 355 или даже больше). В среднем длина цикла пятен оказалась равной 11 годам, хотя она варьирует от 8,5 до 14 лет между соседними минимумами и от 7,3 до 17 лет между соседними максимумами. В 1784—1797 и 1843—1856 гг. длина цикла была 13 лет. Солнечным циклам дана нумерация. Так, с минимума 1755 до минимума 1766 г. был первый цикл, 20-й цикл — с 1964 по 1976 г. Сейчас наблюдается 21-й цикл солнечных пятен, который, по-видимому, является одним из наиболее активных. На рис. 12 приведены солнечные циклы с 1755 по 1978 г. Неоднородность циклов видна даже на глаз, а в деталях это обнаруживается строгими методами анализа. Кроме 11-летней цикличности, можно заметить и более длительные периоды. Так, группа 1, 2, 3 и 4-го циклов сходна с группой 17, 18, 19, 20-го циклов, что дает 180-летнюю периодичность. Группы 5, 6, 7-го и 12, 13, 14-го циклов также сходны, что дает 80-летний цикл солнечных пятен. Их наличие выявляется и более строгими методами статистического анализа.

Если принять во внимание магнитные характеристики солнечных пятен, то на основе этого признака объединяют циклы попарно, т. е. считается, что каждый нечетный цикл имеет положительную полярность, а каждый четный — отрицательную. В сумме нечетная и четная пара циклов дает 22-летний цикл солнечной активности.

Впервые 22-летний цикл, по-видимому, был введен в 1908 г. Хейгом. В последнее время эта идея была существенно развита в работах А. И. Оля и других ученых. Она стала одной из наиболее признанных методик прогноза солнечной активности, разработанной А. И. Олем. На рис. 13 показаны осредненные характеристики чисел Вольфа с 1050 г., восстановленные по радиоуглероду 14С, а также кривая солнечных циклов за период наблюдений с 1700 г. Хорошо видно, что периоду климатического оптимума в X—XIII вв. (1100—1250 гг.) соответствовал максимум чисел Вольфа, малому ледниковому периоду, который был ярко выражен в 1450—1700 гг., — минимум. Более детально в числах Вольфа выделяются минимумы Спорера и Маундера в 1460—1550 и 1645—1715 гг. Им отвечали наиболее холодные интервалы времени малого ледникового периода. Похолодание в 1812—1921 гг. также совпадает с минимумом солнечных пятен.

Рис. 13. Характеристика солнечной активности по числам Вольфа (W), восстановленным по данным радиоуглеродного анализа за последнюю 1 тыс. лет.

1 — наиболее теплые и холодные периоды; 2 — числа Вольфа

Однако есть и некоторые отклонения. Так, в 1600 г. отмечается небольшой максимум солнечных пятен. Выше говорилось, что в ряде мест Европы в то время был холодный климат, который соответствовал одному из максимумов наступления альпийских ледников. По-видимому, эта часть рисунка нуждается в уточнении, поскольку и по наблюдениям Г. Галилея около 1610 г. солнечные пятна отсутствуют[2]. Следует заметить, что наступление и отступление альпийских ледников несколько сдвинуты относительно фаз минимума и максимума солнечных пятен. Так, максимум наступления альпийских ледников падает на 1760—1790 гг., а в горах Кебнекайсе в Северной Швеции на 1780 г. Норвежские и исландские ледники достигли максимального развития в 1740—1750 гг. Максимум в 1850—1860 гг. был отмечен в Исландии, Норвегии, Северной и Южной Америке.

Это лишний раз свидетельствует о сложности и многообразии действующих факторов, которые накладывают свой отпечаток на климат. Объяснять все климатические изменения одной солнечной активностью нельзя, точно так же, как нельзя и отвергать ее. Однако в укрупненных показателях связь колебаний солнечных пятен в последнем тысячелетии с колебаниями климата прослеживается, и это не позволяет легко отвергнуть связь изменений солнечной активности с изменениями климата.

Для более короткопериодических колебаний следует обратиться к многочисленным поискам связей изменения осадков, температуры, давления, ветра, повторяемости засух и других явлений с более короткими циклами солнечной активности — 11, 22, 80-летним и др. Таких исследований было выполнено много. Иногда эти связи достаточно хорошо характеризовали 11-летний цикл, иногда на передний план выступал 22-летний цикл. В одних районах они были положительными, в других — отрицательными. Отмечались случаи, когда после периода хорошей корреляции индексов солнечной активности (чисел Вольфа или индексов Кр и Ар) с теми или иными характеристиками климата наступали периоды резкого нарушения связей.

Все это породило закономерную неуверенность в таких связях и даже полное отрицание их. Для скептицизма были основания, по крайней мере в силу двух причин. Первая заключается в том, что в ряде случаев вслепую искались коэффициенты корреляции между числами Вольфа и любыми характеристиками не только погоды и климата, но и совершенно случайных явлений. Вторая причина объясняет до некоторой степени первую и связана с отсутствием в прошлом серьезных исследований по изучению физических механизмов влияния солнечной активности на погоду и климат. Без знания таких механизмов или хотя бы научно аргументированных гипотез их существования поиски статистических связей вслепую не могут дать существенного сдвига в понимании проблемы. В настоящее время в этом направлении сделано много. Но прежде чем перейти к этому вопросу, рассмотрим вкратце связи между солнечной активностью и климатом.

На основе анализа индексов, характеризующих возмущающий потенциал гравитационного взаимодействия таких планет, как Земля, Меркурий, Венера, Марс, Луна, Сатурн, Юпитер, Нептун, установлены периодичности, которые близки к периодам солнечной активности. Так, периоды 5,5; 10,4; 11,1; 11,8; 89,5; 179,2 лет соответствуют названным выше циклам солнечной активности. Следовательно, в основе физической природы солнечной активности (хотя солнечные пятна и числа Вольфа далеко не полностью характеризуют солнечную активность), как и в основе колебаний параметров земной орбиты, лежит возмущающее влияние поля гравитации вследствие взаимного расположения планет Солнечной системы. Правда, эта точка зрения иногда и оспаривается в пользу магнитно-гидродинамических процессов внутри Солнца.

Для глобальной приземной температуры воздуха ее корреляция с 11-летним циклом солнечных пятен меняется от отрицательной к положительной от 1958—1963 к 1974—1975 гг. Наблюдалась положительная корреляция полезной потенциальной энергии северного полушария с 11-летним циклом солнечной активности за 1880—1972 гг. Она несколько ухудшалась в 30—40-е годы и в начале 70-х годов.

В Центральной Англии в июле температура у поверхности была в фазе с 22-летним солнечным циклом с 1750 по 1830 г. и с 1860 по 1880 г. После 1880 г. связь оказалась лучше с 11-летним циклом. Периоды нарушений были между 1830—1860 и после 1880 г.

Температуры в тропиках имели отрицательную корреляцию с 11-летним циклом до 1920 г. и положительную до 1950 г. Связь нарушилась между 1920—1925 гг.

В Аделаиде (Австралия) наблюдалась отрицательная корреляция с 22-летним циклом до 1922 г., затем нарушилась. Уровень воды в озере Виктория, являющийся хорошим индикатором осадков, имел положительную корреляцию с 11-летним циклом с 1880 по 1930 г. Затем связь нарушилась, а после 1950 г. вновь восстановилась, но уже как отрицательная. За 1888—1973 гг. (кроме 1923—1943 гг.) была установлена хорошая корреляция между западновосточным смещением центра Исландского минимума и 22-летним циклом солнечной активности.

Таких примеров немало. Они могут быть дополнены связью солнечной активности с косвенными характеристиками климата и климатическими аномалиями. Так, для ряда пунктов была установлена хорошая корреляция чисел Вольфа с числом гроз. В 1888—1924 гг. для Сибири коэффициент корреляции был 0,88. Для других районов мира он в основном не превышал 0,3—0,4.

В последние годы установлена достаточно надежная корреляция содержания озона с солнечной активностью. Она имеет серьезное физическое обоснование. В настоящее время трудно установить надежность такой связи за длительный период из-за ограниченного времени наблюдений за озоном. Однако установлено, что в период солнечных вспышек резко меняется концентрация озона.

В Советском Союзе Т. В. Покровской, В. А. Дьяковым и другими исследователями установлена связь вероятности появления засух с фазами солнечной активности. Для европейской территории СССР, например, и Западной Сибири эти связи находятся в противофазе.

Имеющиеся фактические данные по проблеме солнечной активности могут свидетельствовать, по крайней мере, о следующем. Связь между климатическими явлениями и 11 и 22-летним циклами солнечной активности существует. Однако она не однозначна в силу большого количества факторов, влияющих на климат и действующих одновременно.

Установленные связи могут иметь различный знак в различных регионах и в различные периоды времени. В значительной мере это зависит от того, на фоне каких естественных процессов происходит воздействие солнечной активности.

Природа неоднозначности связей, их изменений во времени и пространстве не может быть понята и использована для объяснения изменений климата в прошлом, а тем более для прогноза будущего климата, пока не будут вскрыты физические механизмы связи солнечной активности с погодой и климатом.

Проблема выяснения физических механизмов, объясняющих связь между процессами на Солнце и изменениями погоды и климата, была поставлена в ряд физических проблем совсем недавно, менее 10 лет назад. Рассмотрим основные идеи, обосновывающие те или иные физические механизмы, и их аргументацию.

Солнечная активность, помимо солнечных пятен, проявляется в широком спектре колебаний электромагнитного излучения, начиная от жесткого ультрафиолетового, видимого, инфракрасного, радиоизлучения и кончая корпускулярным излучением, магнитными бурями и др. Некоторые из этих характеристик солнечной активности связаны с солнечными пятнами.

Перечислим главные физические механизмы солнечно-атмосферных связей. Прежде всего — это изменения интегральной солнечной постоянной и излучения Солнца в узких спектральных интервалах ультрафиолетового и видимого излучения Солнца, на которые приходится максимум излучаемой солнечной энергии.

В различные периоды определения солнечная постоянная колебалась от 1,75 до 2,03 км/см^2·мин. В последние годы Национальной администрацией США по аэронавтике и космическим исследованиям (НАСА) была предпринята серия попыток измерить солнечную постоянную с высотных самолетов (потолок ~12 км), баллонов (~27—35 км), ракет (~82 км), космических кораблей Маринер-6 и Маринер-7 за пределами земной атмосферы. В результате величина солнечной постоянной для всех инженерных и в первую очередь космических расчетов принята равной 1,940±0,03 кал/см^2·мин (1356±20 Вт/м^2). Величина неопределенности, таким образом, составляет около 1,5%, значит, мы не можем утверждать, что изменений интегральной солнечной постоянной не происходит.

В самые последние годы измерения солнечной постоянной проводились на спутниках серии Маринер и Нимбус. В 1969 г. во время полета к Марсу спутника Маринер-6 измерялась интегральная солнечная постоянная. Ее колебания были порядка 0,1% и находились на пределе точности измерений. В 1975 г. на спутнике Нимбус-6, в 1978 г. на Нимбус-7 эти измерения были выполнены с большей точностью. Они показали наличие колебаний солнечной постоянной с амплитудой порядка 0,15% (апрель 1980 г.). Периодичность их — от нескольких дней до нескольких недель и более. Была установлена связь колебаний солнечной постоянной (0,1—0,2%) с числом солнечных пятен по ежедневным данным. Хотя эти величины малы, но для длительных климатических изменений их следует принимать в расчет.

Более ранние измерения К. Я. Кондратьева и Г. А. Никольского позволили установить зависимость (она оказалась нелинейной) между изменениями солнечной постоянной и числами Вольфа в 11-летнем цикле солнечной активности. Интегральная солнечная постоянная может и не меняться на большом удалении от Земли и тем более вблизи Солнца. Однако вследствие других физических механизмов солнечная активность может влиять на ионизацию верхних слоев атмосферы и образование окислов азота, которые, с одной стороны, воздействуют на фотохимию озона, а с другой — непосредственно меняют характер поглощения ультрафиолетовой радиации. В результате меняется не астрономическая, а метеорологическая солнечная постоянная. Но причина этих изменений все же — солнечная активность.

К настоящему времени в США проведены эксперименты по определению со спутников спектральных характеристик солнечной постоянной практически во всех интервалах солнечного излучения за пределами атмосферы. В спектральных интервалах с центром 0,12; 0,18 и 0,26 мкм с помощью спутников обнаружены вариации в интенсивности солнечного излучения. Амплитуды их составили соответственно 7; 37,6; 0,9 %.

Таким образом, есть основания говорить о возможных изменениях интегральной и спектральной характеристик солнечной постоянной. Влияние изменения интегральной солнечной постоянной может проявить себя непосредственно. Подобно тому как изменение альбедо нашей планеты на 1—2% или аналогичное изменение параметров земной орбиты непосредственно меняют инсоляцию, а следовательно, и климат, изменение солнечного излучения может вызвать подобный же эффект.

Один из признаков солнечной активности — солнечные вспышки, которые обычно происходят внутри района, окруженного большой биполярной группой солнечных пятен, и продолжаются от нескольких минут до нескольких часов. Их повторяемость имеет положительную корреляцию с 11-летним циклом солнечной активности. Максимум повторяемости вспышек совпадает с максимумом солнечных пятен, вторичный максимум вспышек отмечается через несколько лет после главного максимума солнечных пятен. Космические лучи и ультрафиолетовое излучение от вспышек достигают Земли примерно за 8 мин. и производят интенсивную ионизацию верхней атмосферы, начиная со слоя D и ниже. Этот эффект приводит к образованию окислов N, меняющих спектральное поглощение солнечной радиации атмосферы и метеорологическую солнечную постоянную. Проявляется этот эффект регионально.

Кроме того, протонные вспышки на Солнце порождают корпускулярные потоки, которые проникают в верхнюю атмосферу в зоне геомагнитных полюсов. Эти частицы, помимо ионизации верхних слоев, проникают вплоть до уровня 10 мб и ниже и поглощаются атмосферой. В связи с этим происходит дополнительное нагревание верхней атмосферы в зоне полярных шапок, ее «выпучивание» и отток массы, что, по мнению некоторых ученых, приводит к углублению Исландского минимума и усилению интенсивности западно-восточного переноса. В частности, такой точки зрения придерживается известный чехословацкий геофизик В. Буха. Подобный же эффект производят космические лучи галактического происхождения. Их интенсивность также зависит от 11-летнего цикла и более длительных солнечных циклов, от высоты, магнитной широты и изменений магнитной структуры Солнца, т. е. от секторной структуры магнитного поля Солнца.

Вариации изменения интенсивности космических лучей исследованы достаточно хорошо в 18, 19 и 20-м 11-летних циклах примерно с 1952 по 1972 г. Так, их интенсивность в период минимума солнечных пятен в 1954 г. была на 20% ниже, чем в период максимума в 1958 г. Максимум ионизации атмосферы в результате действия космических лучей приходится на высоты 12—20 км.

Поскольку активность Солнца проявляется и в изменениях магнитного поля, в последнее время введено несколько индексов, характеризующих магнитную активность Солнца, среди них наиболее распространенные — Кр, Ар, С, Ср и др.

Мы упомянули о влиянии солнечной активности на атмосферу не непосредственно, а через озон. Поясним кратко этот механизм. Озон — бесцветный газ с характерным запахом, который образуется в стратосфере при воздействии на молекулярный кислород ультрафиолетовой радиации Солнца. Двухатомная молекула O_2 расщепляется на атомарный кислород, который затем вступает в реакцию с другими молекулами O_2. В результате образуется трехатомное соединение кислорода O_3 — озон.

Суммарное содержание озона невелико, не более 0,5% массы атмосферы. Максимум концентрации озона по объему находится на высоте порядка 34 км, максимальная плотность — на высоте 25 км. Еще в конце XIX в. высказывалось предположение, что наблюдаемый для волн короче 0,3 мкм «обрыв» солнечного излучения, приходящего к Земле, обусловлен поглощением ультрафиолетовой радиации озоном. В начале XX в. гипотеза была надежно обоснована.

По этой причине спектральные изменения солнечной активности в полосах поглощения озона даже при практической неизменности солнечной постоянной могут влиять на его фотохимию. Уже отмечалось, что в интервале 0,17—0,21 мкм зарегистрированы случаи изменения интенсивности солнечного излучения, связанные с солнечной активностью. Даже если допустить, что интенсивность солнечного излучения в этом узком интервале изменится на 100%, то интегральная солнечная постоянная — всего лишь на 0,01%. Однако изменения излучения в этом интервале вызовут колебания концентрации озона, что заметно изменит тепловой режим стратосферы (порядка Градусов и десятков градусов) и незначительно — температуру вблизи поверхности (десятые доли градусов и градус).

Колебания концентрации озона влияют на биологическую систему человека, особенно кожу, которая весьма чувствительна к радиации с длинами волн порядка 0,3 мкм. Избыток радиации вызывает старение кожи, ожоги. Расчеты показывают, что среднее сокращение озона на 5% приводит к увеличению ультрафиолетовой радиации в области 0,3 мкм на 5—10%. На климат это влияет мало, но биологический эффект велик и еще не совсем оценен.

Для климата важны и другие малые примеси, образование которых связано с солнечной активностью. Наша атмосфера в основном состоит из N и O_2, при обычных условиях не соединяющихся. Но под действием ионизации вследствие солнечной активности N с O_2 соединяется. В результате происходят следующие фотохимические реакции:

NO + O_3 → NO_2 + O_2,

NO_2 + O → NO + O_2,

NO_2 + hv (< 0,4 мкм) → NO + О.

Таким образом, непрерывно разрушаются как сам озон, так и атомарный кислород.

Однако окислы N сами в состоянии поглощать ультрафиолетовую солнечную радиацию. Потому и уменьшается метеорологическая солнечная постоянная. Предполагается, что увеличение повторяемости космических лучей солнечного и галактического происхождения, связанное с солнечной активностью, может влиять на климат более кардинально, чем только через озонный слой.

Остановимся еще на одном механизме влияния солнечной активности на погоду и климат. В последнее время было установлено, что высокоэнергичные солнечные корпускулярные потоки могут проникать до уровня 300 мб и производить ионизацию. Образующиеся в результате ионы становятся ядрами кристаллизации.

За счет разности упругости насыщения водяного пара надо льдом и водой на этих ядрах сублимируется водяной пар из окружающего воздуха и появляются облака типа перистых. Подобный механизм был промоделирован А. А. Дмитриевым в специальных камерах. Обработав большое количество данных, он показал, что в период солнечной активности действительно чаще наблюдаются перистые облака. Всплеск рентгеновского излучения на Солнце вызывает увеличение облачности в обоих полушариях на 0,25—0,5 балла. Это может привести к уменьшению радиационного баланса в среднем на 1—2%. В отдельных районах, в частности в полярных, после сильных вспышек рентгеновских лучей облачность возрастает на 2—3 балла, меняя радиационный баланс на 10—20% (примерно на 12 Вт/м^2). Температура при этом снижается от 1,1° в умеренных широтах до 3°С в Полярном бассейне.

Выполненные автором данной работы и его коллегами численные эксперименты с простейшими климатическими моделями и более полными моделями общей циркуляции атмосферы показали, что климатический эффект от влияния перистой облачности весьма заметен.

Примеры показывают, что процессы на Солнце могут влиять на погоду и климат как непосредственно, так и косвенно. И здесь астрономические факты тесно переплетаются с возбуждением солнечной активностью внутриатмосферных процессов.

В 1979 г. в США были опубликованы данные о детальном изучении процессов на Солнце и солнечной активности американскими космонавтами с 14 мая 1973 г. по 8 февраля 1974 г. на космическом корабле Скайлеб. Эти исследования проводились с помощью различных телескопов в интервале длин волн от 2 до 7000 А в период минимума солнечной активности. Специальное оборудование позволило изучать процессы в солнечной короне, хромосфере, фотосфере и в переходном слое между хромосферой и короной.

Согласно современным представлениям, температура поверхности фотосферы достигает порядка 6050 К, повышаясь к центру Солнца до 15 млн. К. Температура в хромосфере, толщина которой порядка 2 тыс. км, сначала несколько падает в нижнем слое до 4300 К, а затем растет. В переходном слое толщиной несколько сот километров температура резко растет, достигая в короне нескольких миллионов градусов. Во время вспышек солнечной активности высота хромосферы может подниматься на 15—16 тыс. км в сторону короны.

Проведенные наблюдения показали, что даже в период минимума солнечных пятен в 11-летнем цикле было зарегистрировано очень много проявлений солнечной активности, особенно в конце мая-июне, в августе-сентябре, ноябре-декабре 1973 г. и январе 1974 г. В атмосфере Солнца (в хромосфере и короне) были зарегистрированы активные зоны, размеры которых сопоставимы с площадью поверхности Земли. Температура в этих зонах на несколько миллионов градусов выше, чем в окружающих районах.

Очень сильно менялось магнитное поле. Достаточно, например, сравнить: магнитное поле Земли у полюса составляет 0,7 Гс, а вблизи экватора 0,3 Гс, в среднем для Солнца от 1 Гс в зоне полюсов до 20—25 и даже 200 Гс в хромосфере. Магнитное поле солнечных пятен, по размерам соизмеримых с Землей, — 3 тыс. Гс. Со Скайлеба были зарегистрированы исключительно интенсивные процессы на Солнце во всех участках исследуемого спектра.

Геофизические факторы изменения климата

Здесь речь пойдет о факторах, связанных со свойствами самой планеты, т. е. размерах, массе, строении, процессах в ее недрах, свойствах поверхности, скорости вращения вокруг оси, гравитационном и магнитном полях, внутренних источниках тепла, составе атмосферы в процессе ее эволюции.

Масса — главная характеристика планеты. Массой и размерами прежде всего определяется гравитационное поле. Именно оно характеризует способность планеты удерживать газовую оболочку и в некоторой мере влиять на газовый состав атмосферы. Чем больше масса планеты, тем легче ей удерживать газовую оболочку. Чем меньше масса планеты, тем труднее удержать атмосферу, особенно легкие газы. Так, например, Земля и Луна находятся примерно на одном расстоянии от Солнца, но на Луне нет атмосферы, а на Земле есть.

На гравитационное поле также воздействует угловая скорость вращения Земли, которая создает центробежные силы и несколько уменьшает гравитационное поле. Эта поправка зависит от широты. На полюсе она равна нулю, у экватора достигает максимума порядка 0,35%. В связи с этим ускорение силы тяжести равно 9,83 см/с^2 у полюсов и 9,78 см/с^2 у экватора.

Если бы Земля имела большую массу, то ее атмосфера (при той же массе) была бы более тонкая и более плотная, что существенно отразилось бы на характере протекающих процессов и климате.

Угловая скорость вращения Земли оказывает решающее влияние на циркуляцию атмосферы и океана. Благодаря неравномерному нагреву экваториальных и полярных районов происходит расширение и поднятие атмосферы в низких широтах. За счет этого создается перепад давления и возникает меридиональная циркуляция, направленная к полюсам. Как только начинается движение, отклоняющая сила вращения Земли отклоняет поток вправо в северном и влево в южном полушариях. В результате устанавливается преобладающая зональная циркуляция атмосферы, направленная с запада на восток. Этим в основном и определяется зональность климата, скорость распределения длинных и ультрадлинных волн, формирование струйных течений с инерционно-сдвиговыми (разрывными) волнами, пассатная циркуляция, циркуляция Мирового океана и др.

Расчеты показывают, что в далеком прошлом скорость вращения Земли была больше, а зональность климата ярче выражена, чем сейчас. Зафиксированы и более короткопериодные изменения скорости вращения Земли с периодами в несколько месяцев. Одни ученые объясняют это влиянием циркуляции атмосферы, другие относят за счет внешних сил.

Рост скорости вращения Земли должен увеличивать зональность климата, т. е. контрасты температуры между высокими и низкими широтами. Однако при этом усиливается интенсивность и волновых процессов, которые способствуют выравниванию междуширотных контрастов. Эффект выравнивания междуширотных контрастов на Земле, где имеются океаны, и, например, на Марсе, где подстилающая поверхность практически однородна, не одинаков. В результате зональность циркуляции на Марсе выражена более четко, чем на Земле.

Наличие континентов и океанов на Земле, обладающих различными тепловыми свойствами, приводит к резким различиям климата вдоль одной и той же широтной зоны, чего не было бы при отсутствии океанов.

Если осреднить температуры для каждой широты и месяца, а затем построить карты, на которых нанесены изоаномалы температуры воздуха, т. е. отклонения средней температуры данного месяца в данной точке от средней температуры этого месяца на соответствующей широте, картина получается весьма пестрая. Такой метод анализа впервые был предложен и проведен академиком В. В. Шулейкиным. Так, для января в районе Северной Атлантики будет зафиксирована изоаномала 24°, а в районе Верхоянска —20° С. Над Тихим океаном проходит изоаномала 12°, а над Северной Америкой —14° С. Это означает, что средние температуры января на одной и той же широте в Северной Атлантике и Верхоянске различаются на 44° С. Такие контрасты определяют существенно различный климат морских акваторий и континентов, пограничных зон и др. Они накладывают отпечаток и на общую циркуляцию атмосферы, в частности определяют муссонную. В результате если бы на Марсе, например, увеличение скорости вращения за счет каких-то внешних причин привело бы к увеличению интенсивности зональной циркуляции, ослаблению междуширотного обмена и четко выраженной междуширотной контрастности климата, то на Земле при наличии океанов картина была бы совершенно иная. Увеличение зональности привело бы к потеплению зимой климата у западных побережий континентов и похолоданию его у восточных, летом эффект был бы обратный.

Таким образом, вращение Земли и характер подстилающей поверхности относятся к числу важнейших геофизических климатообразующих факторов.

Внутреннее, или геотермальное, тепло Земли является следствием того, что температура в земной толще возрастает со средней скоростью примерно 30° С/км. Теплообмен в недрах Земли осуществляется в основном на молекулярном уровне при среднем коэффициенте теплопроводности 0,005 кал/см °С. В результате от Земли в океан или атмосферу поступает поток тепла, который составляет около 10-4 кал/мин, или 6·10-2 Вт/м^2. В то же время турбулентные потоки тепла над океаном на 3—3,5 порядка больше. Даже над ледяной поверхностью турбулентные потоки тепла в 2 раза больше этой величины. Если же сопоставить эти потоки с горизонтальными потоками тепла в системе атмосферной и океанической циркуляций, достигающих соответственно 70—100 и 5,3 Вт/м^2, то можно заключить, что потоки геотермального тепла оказывают пренебрежимо малое влияние на глобальный климат. Для Земли в целом роль этого фактора могла, по-видимому, быть заметной в историческом прошлом и должна приниматься во внимание при оценке длительных в геологическом масштабе времени изменений климата. Роль магнитного поля Земли в формировании климата пока еще недостаточно исследована, тем не менее некоторые аспекты проблемы заслуживают внимания.

В работах советского геофизика Н. Д. Медведева, чехословацкого геофизика В. Буха и др. показано, что магнитные и геомагнитные полюса смещаются. В конце последнего ледникового периода, 12—15 тыс. лет назад, серверный геомагнитный полюс располагался на востоке Северного Ледовитого океана, сейчас находится на северо-западе Гренландии (как считает Н. Д. Медведев, происходит перемещение в сторону экватора и южного магнитного полюса). Около 200 г. до н. э. полюс находился значительно ближе к Европе, чем на рубеже эпох и позже, около 300 г. н. э., когда он передвинулся на север Аляски. Затем он снова приблизился к Европе (между 600 и 1000 г. н. э.). Около 1600 г. он передвинулся в Баренцево море, а между 1650 и 1850 гг. удалился к Гренландии.

Некоторые гипотезы указывают на то, что положение геомагнитных полюсов регулирует механизмы влияния солнечной активности на атмосферу и активность постоянных центров действия атмосферы, в частности Исландского минимума. Так, в период солнечной активности солнечные корпускулы более интенсивно вторгаются в область геомагнитных полюсов вдоль силовых линий. Их кинетическая энергия трансформируется в тепловую энергию, что приводит к нагреванию верхней атмосферы. Кроме того, нагреву верхней атмосферы способствует генерация в авраальном овале (зона полярных сияний) над геомагнитным полюсом электрических вихревых токов, что вызывает дополнительный нагрев атмосферы на высотах 20—30 км и выше в пределах геомагнитного полюса. В результате эти слои разогреваются, происходит подъем атмосферы, а затем отток воздуха и углубление располагающегося в этом районе Исландского минимума. Далее вступают в действие внутриатмосферные циркуляционные факторы, а именно: увеличение интенсивности циклонической деятельности и как следствие потепление в Европе.

В соответствии с подобной концепцией в те периоды, когда геомагнитный полюс был ближе к Европе, климат ее, особенно в холодные периоды, был теплее за счет поступления на континент морских воздушных масс. В то время, когда полюс был в восточной части Северного Ледовитого океана, на Европу двигались холодные арктические воздушные массы.

При оценке совокупного воздействия геофизических факторов на климат историю Земли следует рассматривать как историю одной из планет Солнечной системы. Для понимания длительной эволюции климата Земли важно изучить источники внутренней энергии Земли и вулканизм. К главным источникам тепла, по данным А. С. Монина, следует относить потенциальную энергию планеты, которая высвобождается в результате увеличения концентрации массы планеты к центру тяжести, и энергию расхода долгоживущих изотопов U, Th и K. За всю историю Земли эти источники выделили соответственно 1,6·10^38 и 0,9·10^38 эрг тепла. Потери энергии за счет теплоотдачи составляют около 0,5·10^38 эрг (10^28 эрг/год). Таким образом, внутри планеты накопилось порядка 2·10^38 эрг тепла, которое шло на разогрев и частичное плавление ее недр. В глубинах Земли, в ее мантии происходят в связи с этим сложные конвективные процессы, следствием которых является вулканическая деятельность и так называемый дрейф континентов.

Если нанести на карту положение всех вулканов, то они удивительно кучно располагаются в определенных поясах — подвижных зонах, разделяющих литосферные плиты. Последние практически не сейсмичны. Основная же масса действующих вулканов находится в подвижных зонах: Евроазиатской, Индо-Австралийской, Тихоокеанской, Американской, Антарктической и Африканской.

В геологическом прошлом положение литосферных плит, а следовательно, океанов и материков существенно отличалось от нынешнего. По-видимому, 15—20 млн. лет назад континенты расположились так, как теперь. С движением континентов и вулканической деятельностью главным образом связана эволюция земной коры, океана, атмосферы и в целом климата нашей планеты.

За всю историю Земли извержения дали около (2,85÷4,7)·10^25 г вулканических продуктов (что соответствует массе земной коры толщиной порядка 33 км). В них содержалось около 2,5·10^23 г газов, что примерно в 50 раз больше массы современной атмосферы и в 2 раза — массы океана. Около 70—80% этого количества, т. е. около 1,8·10^29 г, составляет водяной пар. Остальные газы — H_2S, SO_2, HCl, HF, HBr, Н, Ar и др. Большая часть образовавшейся вследствие извержения атмосферы конденсировалась, сформировав в конце концов массу гидросферы — океан. Масса океана в его современных границах составляет 1,37·10^23 г. Таким образом, атмосфера и океан с самого начала были продуктом вулканической деятельности.

В дальнейшем в процессе сложной геохимической эволюции из азотосодержащих компонентов и воды под действием солнечной радиации образовалась нынешняя азотно-кислородная атмосфера, включающая, кроме того, малые примеси в виде углекислого газа, водяного пара, озона и других компонентов, определяющих тепловой режим атмосферы. Эволюция атмосферы и океана продолжается и поныне. В этой связи вулканизм и теперь является одним из решающих геофизических факторов формирования климата.

В настоящее время высказывается мнение, что перераспределение массы атмосферы вследствие ее общей циркуляции может само способствовать вулканизму. Если области высокого и низкого давления расположатся так, что их граница придется на подвижные зоны, произойдет благоприятное для сейсмичности перераспределение массы атмосферы. Перепаду давления в 20 мб, что вполне реально, только в двух районах площадью по 10^7 км^2 будет соответствовать перепад массы атмосферы в 2·10^15 т, что создаст значительные дополнительные силы напряжения в земной коре.

Вулканическая деятельность способствует поступлению в атмосферу не только газовых компонентов, но и аэрозоля, который существенно влияет на условия прохождения и поглощения ультрафиолетовой и инфракрасной радиации, а следовательно, и на климат.

Совокупное воздействие астрономических и геофизических факторов стимулирует внутриатмосферные процессы и в первую очередь циркуляционные механизмы, к анализу которых мы перейдем ниже. Но прежде заглянем в ближайшее будущее.

По-видимому, на климат в обозримом историческом прошлом главным образом влияли аэрозоль и малые газовые компоненты, включая CO_2, их воздействие будет решающим и в будущем.

В настоящее время годовое поступление в атмосферу аэрозоля достигло уже порядка 2 млн. т, из которых более половины приходится на естественный аэрозоль, в основном вулканического происхождения. Аэрозоль обладает двумя главными климатическими эффектами. Прежде всего он поглощает солнечную радиацию, нагревая воздух на высотах, и уменьшает поступление солнечной радиации к поверхности Земли. Кроме того, мелкодисперсный аэрозоль рассеивает коротковолновую солнечную радиацию, что равносильно увеличению отражательной способности атмосферы, и способствует ее охлаждению. По этой причине сказать однозначно, что аэрозоль приводит к потеплению или похолоданию климата, нельзя. Все зависит от свойств аэрозоля.

Связь уменьшения солнечной радиации с вулканической деятельностью была установлена давно. Так, например, в Павловске, вблизи Ленинграда, в 1912—1913 гг. коэффициент прозрачности атмосферы упал с 0,74—0,75 до 0,57—0,68. Это было связано с извержением вулкана Катмай на Аляске в 1912 г. Такая же картина была зарегистрирована при извержении вулкана Агунг в 1963 г. и др.

Ряд ученых влиянием вулканического аэрозоля объясняют похолодания климата и даже целых ледниковых эпох, например в четвертичном периоде. Английский климатолог Лэмб построил ход индекса вулканической активности с 1500 г. по наше время. В XV—XVI и в начале XIX в., т. е. в период малого ледникового периода, согласно этому индексу действительно наблюдалась повышенная вулканическая деятельность.

С 1912 до начала 40-х годов сильных вулканических извержений не происходило, и атмосфера в это время была более прозрачной. В 1900—1940 гг., т. е. в период роста температуры, увеличивалась в среднем и прямая солнечная радиация. Ее отклонение от средних значений достигло к началу 40-х годов около 2%. Одновременно с падением температуры уменьшилась и прямая солнечная радиация. Следовательно, можно считать, что при потеплении атмосфера была более прозрачной, а количество доходившей до Земли радиации больше. Однако это еще не доказательство того, что потепление климата было вызвано прозрачностью атмосферы.

В попытке объяснить климатический тренд нынешнего столетия только вулканической деятельностью мы сталкиваемся с противоречием. Так, с 1883 по 1912 г. наблюдалась серия вулканических извержений. После каждого из них в течение нескольких месяцев и даже одного-двух лет понижался уровень приходящей солнечной радиации. В ряде случаев изменялась температура. Средняя температура в конце XIX — начале XX в. была низкой. Однако именно в это время, в период вулканической деятельности, а не после него, началось повышение температуры, достигшее максимума в 30—40-е годы. Наступившее вслед за этим похолодание климата отмечено задолго до очередных извержений в конце 40-х — начале 50-х годов, бывших к тому же слабыми. После извержения вулкана Агунг (1963 г.) в конце 60-х годов произошло не похолодание, а некоторое потепление климата.

Признавая, таким образом, исключительно важную роль вулканического аэрозоля в формировании климата, тем не менее объяснять изменения климата в прошлом лишь влиянием этого фактора было бы неверно.

Следующий климатообразующий фактор — естественный цикл CO_2 и некоторых малых компонентов, обладающих тепличным эффектом (водяной пар, хлорные соединения и др.). В настоящее время в атмосфере Земли содержится 0,033% CO_2, что соответствует примерно 2350—2570 млрд. т, а в океане в 50 раз больше. Между атмосферой и океаном, атмосферой и биосферой непрерывно происходит обмен CO_2. В современную эпоху на фотосинтез растений расходуется из атмосферы около 100 млрд. т CO_2 в год и столько же примерно его выделяется в атмосферу в процессе дыхания живых организмов. Поступление CO_2 из недр Земли за счет вулканизма составляет, по-видимому, в среднем немногим более 0,1 млрд. т/год, что на 1,5—2 порядка меньше антропогенного поступления CO_2 в атмосферу. В самой литосфере содержится около 2·10^8 млрд. т углерода, основная часть которого связана в карбонатных породах.

Скорость обмена CO_2 в естественном цикле составляет в системе атмосфера—земная биосфера около 20 лет, а в системе земная биосфера—атмосфера около 20—40 лет. Соответственно в системе атмосфера—океан и океан-атмосфера полный период обмена около 5 лет.

Характерной особенностью обмена CO_2 между океаном и атмосферой является зависимость этого обмена от температуры воды. В результате в высоких широтах поток CO_2 направлен из атмосферы в океан, а в низких — из океана в атмосферу. По различным оценкам изменение температуры в деятельном слое океана толщиной 50 м на 1°С вызывает изменение концентрации CO_2 в атмосфере на 0,4% или даже больше.

В истории Земли были периоды, когда содержание CO_2 было существенно больше, чем теперь. Так, по некоторым данным, около 250 млн. лет назад концентрация CO_2 составляла 7,5%, в фанерозое (570 млн. лет назад) — не более 0,3%. Предполагают, что около 1 млн. лет назад в отдельный период концентрация CO_2 была в 2 раза выше современной. Что касается нынешней эпохи, то большинство исследователей сходятся в том, что сейчас содержание CO_2 в атмосфере невелико.

Такова в общих чертах роль геофизических факторов естественного происхождения в формировании климата.

Циркуляционные факторы изменения климата

В этом разделе речь пойдет о внутриатмосферных факторах, регулирующих климатический режим и его изменчивость через общую циркуляцию атмосферы. Результатом взаимодействия внутриатмосферных факторов и внешних климатообразующих сил является формирование общей циркуляции атмосферы, которая в разные климатические эпохи менялась.

При анализе уравнения баланса термодинамической энергии мы отмечали, что циркуляционный механизм (Eцирк) характеризует перераспределение энергии на сфере как в горизонтальной плоскости, так и по вертикали. Этот механизм может вызвать весьма существенные климатические аномалии определенного вида в одних районах и совершенно иные — в других. При этом суммарная для сферы термодинамическая энергия может и не меняться.

Обратимся теперь к некоторым фактическим данным, иллюстрирующим роль циркуляционных факторов в изменении климата. Как уже упоминалось, зима 1657/58 г. была одной из самых холодных в районе Швеция—Дания. Средняя температура составляла около —1°С, хотя в обычные годы она была на 4° выше. Холодные зимы в этом регионе наблюдались в 1739/40, 1762/63, 1783/84, 1788/89, 1794/95, 1798/99, 1822/23, 1829/30, 1837/38, 1890/91, 1928/29 и 1941/42 гг. Часть зим приходится на малый ледниковый период, две последние же — на период потепления климата. Аномально холодная зима 1941/42 г. отмечалась в период максимума потепления климата в северном полушарии. И таких примеров, когда в отдельных регионах при общем потеплении имели место экстремально холодные условия, а при похолодании — теплые, можно привести немало. Анализ восстановленных температур по данным о кольцах деревьев в Калифорнии указывает на общее потепление климата в конце малого ледникового периода, между серединой XVII и началом XX в.

Довольно детально циркуляционные факторы климата прошлого были исследованы Лэмбом. Он подчеркивает, что для Англии за последние 290 лет квазипериодические процессы с частотой 20—25 и 45—55 лет играют существенную роль в изменении климата. Он показал, что циркуляционные условия аномальных климатических периодов, как правило, различались.

Анализ барико-циркуляционного режима в Европе показывает, что самые мягкие зимы соответствуют периоду западных и юго-западных ветров (1920—1929 гг.), теплые летние сезоны характеризуются хорошо выраженными антициклоническими типами циркуляции над Западной и Центральной Европой (1940—1949, 1976 гг.).

Десятилетия с более холодными зимами соответствуют периодам с относительно слабой циркуляцией атмосферы. Холодные летние периоды (1690—1699 и 1840—1849 гг.) также указывают на роль циркуляционных факторов в формировании подобного климатического режима. В эти периоды были смещены к югу области высокого давления и отмечалось господство ветров с северной составляющей. В конце XVIII — начале XX в. среднее положение центра Исландского минимума сместилось в северном направлении на 1,5—3° широты, обеспечив тем самым преобладание таких циркуляционных условий, которые способствуют потеплению климата в Арктике;

В периоды интенсивной атмосферной циркуляции, захватывающей Арктику, уменьшается площадь паковых льдов, льды взламываются и выносятся в соседние районы. При спокойной погоде, особенно в центре Арктики, происходит рост и накопление льда.

Частые восточные и северо-восточные ветры при наличии антициклонического режима циркуляции в Арктике приводят к формированию холодных климатических условий в Европе. Суровые зимы с господствующими восточными ветрами отмечались в 1560—1569, 1690—1699, 1820—1829, 1890—1899 гг.

В период 1930—1939 и 1940—1949 гг. над северной частью Европы преобладали антициклоны. В результате благодаря господствующим южным ветрам в западной Арктике образовались обширные пространства воды, свободной ото льда.

Имеются данные, что примерно с середины XIX в. до 1900-х годов средняя интенсивность западных ветров в южном полушарии, а также интенсивность западной циркуляции в северном полушарии возрастали. В этот период отмечались существенные колебания осадков, причем эти колебания носили ярко выраженный региональный характер.

В последние десятилетия на фоне некоторого похолодания климата резко возросли необычные условия погоды, оказывающие более ощутимое влияние на деятельность человека. В качестве примеров аномальных климатических условий можно упомянуть зиму 1962/63 г., которая была самой холодной в Англии (после 1740 г.), и зиму 1963/64 г., самую сухую в Англии (после 1743 г.), принесшую морозы и на берег Персидского залива. Суровейшая зима 1965/66 г. привела к замерзанию Балтийского моря, впервые льды Северного Ледовитого океана достигли Мурманска. Очень холодная зима 1978/79 г. стояла над европейской территорией СССР. В то же время зимы 1973—1975 гг. были очень теплыми. Балтийское море вообще не замерзало, а в Копенгагене до конца января цвели розы.

Увеличение дождей в экваториальной зоне сопровождается повышением уровня озер. В зонах вблизи 10—20° с. ш. и 12—20° ю. ш. наблюдается уменьшение осадков, приносимых муссонной циркуляцией, что сопровождается жесточайшими засухами.

Одной из характерных черт изменения общей циркуляции атмосферы, начиная с периода наиболее интенсивной зональной циркуляции в первой половине XX в., является степень сходства областей аномально высокого и низкого давления во все времена года (теплые и холодные). Это указывает на развитие новых циркуляционных условий, отличных от тех, которые были в прошлом. Сейчас трудно сказать, вызвана ли эта особенность причинами естественного характера или антропогенного. Скорее всего это объясняется комплексом указанных факторов.

Ниже мы постараемся показать, что если для изменения общего теплового режима планеты антропогенных источников, включая CO_2, еще недостаточно, то для региональных воздействий на погоду и климат антропогенные факторы уже сейчас, а тем более в будущем, могут стать определяющими. Однако эта задача перекликается с проблемой общей циркуляции атмосферы и анализом факторов, ее определяющих. Без построения строгой физико-математической теории и создания необходимой системы наблюдений решить эту проблему вряд ли будет легко. Тем не менее именно в общей циркуляции ключ к пониманию динамики климата. Без знания последней невозможен ее прогноз, крайне необходимый для планирования и управления различными сторонами человеческой деятельности.

Климат и хозяйственная деятельность

Климат и сельское хозяйство

Попытаемся в общем виде рассмотреть те представления, которые существуют при оценке влияния климата на основные стороны деятельности человека.

По-видимому, ни один вид хозяйственной деятельности не подвержен влиянию климата в такой степени, как сельское хозяйство. Имеются основания предполагать, что эта зависимость сохраняется и обострится еще больше в будущем. В то же время по мере роста интенсификации сельскохозяйственного производства, что стало насущной необходимостью для человека, возрастает и обратное воздействие сельскохозяйственного производства на климат.

Таблица 5. Прирост населения в различных районах мира (на 1972 г.)*

Континент

Среднегодовой прирост, млн

Континент

Среднегодовой прирост, млн

Азия

51,0

Европа

3,3

Африка

9,4

Северная Америка

1,8

Южная Америка

8,6

Океания

0,4

Всего:

69,0

Всего:

5,5

* По данным Ambio, 1974, vol. 3, N 3/4, p. 109—113.

В табл. 5 приведены некоторые демографические данные, характеризующие географическое распределение населения земного шара. Очевидно, что проблема увеличения продовольственной, сырьевой, топливно-энергетической базы, водоснабжения, промышленного производства и др. в связи с ростом населения становится первоочередной. При этом следует иметь в виду, что из нескольких миллионов видов растений лишь около 30 (более 10 млн. т продуктов в год) могут рассматриваться как источники продовольственной базы. Что касается животного мира, то здесь только 7 видов являются поставщиками более 0,5 млн. т мяса в год.

Основной продовольственной культурой, определяющей состояние продовольственной базы в целом, считается зерно. В настоящее время (по данным на 1977 г.) мировое производство его составляет 1319,7 млн. т в год.

Как следует из табл. 5, прирост населения в мире по данным на 1972 г. составил около 75 млн. человек в год. По скромным оценкам в среднем 1 т зерна достаточно для поддержания жизни трех человек. При этой норме прирост производства зерна может составить около 25 млн. т в год. Но по мере увеличения населения это число должно быть выше. Однако в ряде стран умеренного климата, где зерно — не только основная продовольственная культура для человека, но и кормовая культура для скота, норма потребления зерна в среднем на душу населения больше. Так, к примеру, в СССР она составляет около 1 т на человека (во многих странах, например Бангладеш и др., не более 170—180 кг на человека).

Считается, что для развитого общества норма потребления зерна должна составлять около 800 кг в год на человека. В этой связи и годовой прирост производства зерна на планируемое увеличение населения должен быть больше, следовательно, 25 млн. т в год — оценка по нижнему пределу.

Таблица 6. Общая характеристика производственного мирового потенциала

Континент

ОПР

ПСЗ

ППБИ

МПБИ

Америка Северная

2 420

628,6

320,0

15 443

Америка Южная

1780

616,5

333,6

25 224

Австралия

860

225,7

74,2

5 297

Африка

3 030

761,2

306,5

24 162

Азия

4 390

1083,4

433,5

24 966

Европа

1050

398,7

233,1

8 298

Антарктида

1 310

0

0

0

Всего

14 840

3714,1

1700,9

103 380

Континент

ПОЗ

ПППП

МПИ

МПЗИ

Америка Северная

37,1

337,5

16 374

7 072

Америка Южная

17,9

340,7

25 710

11 106

Австралия

5,3

76,1

5 462

2 358

Африка

19,7

317,5

25 115

10 845

Азия

314,1

581,6

33 058

14 281

Европа

75,9

247,1

9 653

4 168

Антарктида

0

0

0

0

Всего

460,0

1900,5

115 372

49 830

Обозначения:

ОПР — общая площадь суши, 10^6 га;

ПСЗ — потенциальные сельскохозяйственные земли, 10^6 га;

ППБИ — предполагаемая площадь производства без использования ирригации, 10^6 га;

МПБИ — максимально возможное производство сухого вещества без ирригации, 10^6 т/год;

ПОЗ — потенциально возможные для орошения сельскохозяйственные земли, 10^6 га;

ПППП — предполагаемая площадь потенциального сельскохозяйственного производства с учетом ирригации, 10^6 га;

МПИ — максимально возможное производство сухого вещества с учетом ирригации, 10^6 т/год;

МПЗИ — эквивалент минимального производства зерна при освоении потенциальных земель с учетом ирригации (10^6 т/год).

Процесс роста производства зерна может идти двумя путями: за счет освоения и распахивания новых земель, а также повышения урожайности. Потенциально возможности для этого существуют. Однако обеспечение роста продовольственной базы неминуемо сталкивается, с одной стороны, с зависимостью урожайности и общего производства от климата, с другой — с воздействием хозяйственной деятельности и самого процесса освоения новых земель и расширения производства на окружающую среду и климат.

В табл. 6 приведены данные Боринга, Ван Химмста и Сторинга, характеризующие производственный потенциал различных районов мира в пересчете на зерновой эквивалент с учетом качества почв, климатических условий и условий фотосинтеза.

Если считать, что в настоящее время производится 1,3 млрд. т зерна в год, то средняя урожайность должна составить 1 т/га. При таких условиях возможный дополнительный потенциал для увеличения сбора зерна в мире без роста урожайности составит за счет освоения новых земель около 1 млрд. т/год. Этого достаточно для того, чтобы обеспечить продовольствием дополнительно порядка 1—3 млрд. человек. Предполагаемый же рост населения существенно больше. По этой причине все пути увеличения урожайности должны быть приняты во внимание, включая и оптимальное использование климатического потенциала различных стран.

Однако по данным Всемирной организации по продовольствию (ФАО) ситуация в мире такова, что в ряде стран, особенно в освободившихся от колониального ига, да и в развитых капиталистических странах, имеет место недоедание. По данным этой организации нехватка продовольствия в мире составляет 230 млрд. кал. в год (37 млн. т пшеницы).

Для устранения недостатков в питании и обеспечения пищей растущего населения необходимо увеличить производство зерна уже не на 25, а на 65—70 млн. т в год или частично покрыть эту нехватку другими видами продовольствия, либо подняв урожайность этих видов культур, либо расширив пахотные земли. Если производство зерна будет увеличиваться не за счет повышения урожайности, а только за счет освоения новых территорий, то, во-первых, этих мер может оказаться недостаточно, а во-вторых, данный процесс может отразиться на характере подстилающей поверхности, газовом составе атмосферы, углеродном цикле, влагообороте и др.

Рис. 14. Мировое производство зерна за 1960—1977 гг. (по данным ФАО).

1 — фактические данные; 2 — линия тренда

Рассмотрим теперь урожайность и ее зависимость от климата. На рис. 14, 15 приведены данные ФАО о мировом производстве зерна и по группам стран. На фоне роста урожайности и общего производства зерна отчетливо видны некоторые «провалы» и «всплески», которые связаны в основном с климатическими условиями. Отмечаются и устойчивые урожаи, в меньшей мере зависящие от климатических условий. Таким образом, чтобы ответить на вопрос, насколько можно повысить урожайность и общее производство зерна в будущем, следует уверенно ответить на два вопроса:

достигла ли урожайность предельного уровня, и если нет, то как должна быть усовершенствована система сельского хозяйства в будущем для повышения урожайности;

был ли резкий рост урожайности в 50—60-х годах результатом лишь повышения культуры производства и уровня организационной работы или он был частично связан с благоприятными климатическими условиями?

Первый вопрос скорее всего касается специалистов сельскохозяйственного производства. Не вдаваясь в его обсуждение, мы, однако, отметим, что за последние 100—200 лет урожайность в среднем возросла в 2—3 раза. Но энергозатраты за это время на производство 1 т зерна существенно возросли. По этой причине дальнейший рост урожайности не может не вызвать роста энергозатрат, а следовательно, и новой экологической нагрузки на окружающую среду.

Рис. 15. Характеристика годового производства зерна в странах мира (без СССР), по данным ФАО.

Таблица 7. Колебания мирового производства зерновых, млн. т

Год

Все хлебные злаки

Пшеница плюс кормовое зерно

Год

Все хлебные злаки

Пшеница плюс кормовое зерно

1966

26,1

27,7

1972

-41,4

-35,7

1967

19,7

16,4

1973

6,0

3,7

1968

31,2

28,0

1974

-11,7

-11,3

1969

-13,7

-16,3

1975

5,5

-0,4

1970

-39,1

-40,0

1976

53,5

55,8

1971

17,4

20,1

1977

24,9

26,4

Второй вопрос требует внимания климатологов. Так, в литературе имеется указание на то, что более прохладные и более дождливые условия отмеченных двух десятилетий (50—60-е годы) способствовали повышению средней урожайности зерновых, хотя и в эти годы были колебания урожайности (1964—1966 гг.). В связи с этим мероприятия по повышению урожайности должны планироваться с учетом возможных изменений климатических условий.

Годовые колебания производства зерновых культур, обусловленные колебаниями климата, могут составлять 1—10% и более по отношению к линии среднего тренда. Так, в период засухи 1972 г. мировые запасы зерна сократились на 33 млн. т. В целом неблагоприятные климатические условия способствовали уменьшению производства продовольствия в 1964—1966 и 1972—1974 гг.

Так, колебания климата серьезно сказываются на экономике стран умеренной зоны, которые, располагая половиной всех посевных площадей, производят около 2/3 мирового количества зерновых и на 75% обеспечивают экспорт пшеницы. Представления о междугодовых колебаниях производства зерновых дает табл. 7.

Как видим, именно на годы с неблагоприятными климатическими условиями падают отрицательные значения зернового баланса.

По данным таких зернопроизводящих стран, как Канада, США, СССР, Китай, Франция, Австралия, Аргентина, ФРГ, Великобритания и Испания, с 1960 по 1977 г. площадь посевов пшеницы возросла на 6,3%, а производства зерна — на 48%. Однако имеются основания предполагать, что, помимо совершенствования технологии производства, некоторую роль в повышении урожайности играли и климатические условия послевоенных лет и что наступивший период неустойчивости климата будет препятствовать этому росту.

Неслучайно поэтому некоторые специалисты в США считают, что в грядущем десятилетии научно-технический «взрыв» в сельском хозяйстве произойдет не в области биологии и техники, а в области совершенствования путей получения и эффективного использования информации о климате, т. е. в области культуры земледелия, основанной на оптимальном использовании климатической информации.

Анализ колебаний урожая зерновых в 25 зернопроизводящих районах мира в 1950—1973 гг. показал, что раз в три года можно ожидать такие климатические условия, которые вызовут изменения в сборе мирового урожая более чем на 27 млн. т в год относительно линии тренда. В связи с этим определенный интерес представляет выполненный в США комплекс исследований, цель которого — рассмотреть вероятные сценарии климата до 2000 г., оценить зависимость производства зерна в основных зернопроизводящих странах мира от климата и в конечном итоге проанализировать последствия реализации того или иного сценария.

Первая задача решалась путем опроса ведущих экспертов-климатологов мира о возможных изменениях климата к 2000 г. Было определено пять наиболее вероятных сценариев будущего климата: первый с вероятностью 0,1 предусматривает сильное похолодание климата с изменением средних температур до —1,4° С; второй с вероятностью 0,25 — умеренное похолодание климата с изменением средней температуры до —0,3° С; третий с вероятностью 0,3 — неизмененный климат или очень слабое (до 0,04° С) его потепление; четвертый с вероятностью 0,25 — умеренное потепление климата до 0,6° С; пятый с вероятностью 0,1 — сильное потепление климата до 1,8° С. Аналогичные оценки изменений температуры применительно к каждому сценарию эксперты дали и для различных субрегионов мира.

Другая группа экспертов в области сельскохозяйственного производства проанализировала, как те или иные комбинации отклонений суммы осадков и средних температур за вегетационный период от нормальных условий повлияют на урожай зерновых. Для 15 комбинаций «страна — вид зерна» были рассмотрены отклонения за базовый период от средних значений температуры, осадков (в %), урожая.

За базовый период принимали несколько десятилетий (от одного до шести), за которые для данной культуры и данной страны имелась необходимая информация. Если, к примеру, для отклонений температуры ΔT (°С) и осадков ΔR (%) эксперт определил урожайность 80% относительно лет со средними условиями погоды, он проставлял в анкете величину относительного урожая 80 и т.д. По этим данным были вычислены функции распределения, позволившие установить вероятность того или иного урожая p. В свою очередь, данному урожаю соответствует определенная комбинация ΔT и ΔR.

Рис. 16 иллюстрирует влияние отклонений температуры и осадков от средних значений для базового периода на урожай. Изолинии характеризуют урожайность в процентах от средней. Границы полигонов, имеющих неправильную форму, указывают на наиболее вероятные диапазоны изменений температуры и осадков для данных районов. Как видно из рисунков, вероятность попадания в данный интервал климатических условий составляет от 95 до 96%. Крестиками с цифрами отмечены максимальные урожаи в процентах от среднего. Так, например, для аргентинской кукурузы было отмечено два максимальных урожая (128%). Стрелками показаны величины среднеквадратических отклонений от средних значений (1σ) для ΔT и ΔR.

Из рисунка видно, что для большинства районов и диапазон изменений, и величина σ для осадков в относительных величинах больше, чем для температуры. Из этого следует, что сборы урожая в большей степени зависят от осадков, нежели от температуры.

Влияние климатических условий таково, что при экстремальных климатических условиях урожайность может падать от 50—60% от средних условий, а для некоторых случаев (аргентинская кукуруза) — до 45%. Максимальные урожаи достигают 113—145 и даже 156% (австралийская пшеница) от средних. В диапазоне отклонений климатических условий от средних значений урожайность может колебаться в пределах 10—20%.

В настоящее время существуют более эффективные методы оценок, основанные на использовании физико-математических моделей «погода—урожай». Тем не менее приведенные оценки дают правильную качественную картину, характеризующую весьма сильную зависимость сельскохозяйственного производства от климатических условий. Так, для кукурузы в Аргентине и США переход к сценарию сильного похолодания вызовет увеличение урожайности на 7—8%, а к сценарию потепления климата — понижение урожая на 3—4%. Для риса в Индии и Китае любой сценарий (похолодание или потепление) дает незначительное понижение урожаев. Примерно такая же картина и для соевых бобов в Бразилии и США. Урожай яровой пшеницы в Канаде понизится примерно на 10% в случае резкого похолодания климата и увеличится на 6—7% при сильном потеплении. Для озимой пшеницы в Аргентине, Австралии, Индии и США картина получается обратная. Сценарии похолодания климата дают рост урожая до 3—5%, а потепления — такие же примерно падения урожаев. Соответственно эксперты оценили, что за счет повышения технологии производства урожаи кукурузы, риса и соевых бобов увеличатся к 2000 г. на 25—50%, а яровой и озимой пшеницы — на 11—40%.

Рис. 16. Зависимость урожайности от климатических условий (температура и осадки).

а — аргентинская кукуруза; б — австралийская пшеница

Из приведенных данных следует, что рост производства зерна благодаря повышению технологии производства существенно превзойдет возможные потери за счет самого неблагоприятного климатического сценария. Однако этого роста урожайности явно недостаточно, так как ожидается, что для большинства основных зернопроизводящих стран рост производства зерна за счет совершенствования технологии составит не более 23—30%, что в пересчете на зерно даст дополнительно всего около 300—400 млн. т зерна. Этого достаточно, чтобы прокормить около 1—1,5 млрд. человек (исходя из нормы не 800, а 300 кг на человека). Предполагаемое же увеличение населения земного шара будет существенно больше, порядка 3—4 млрд. человек.

В этой связи проблема оптимального использования климатического потенциала для повышения урожаев будет иметь решающее значение. К этому, однако, следует добавить, что на фоне изменения средних климатических условий, приводящих к колебаниям урожая в пределах 10—20%, влияние экстремальных климатических условий может превышать эту цифру в 2—3 раза и достигать 30-50%.

При анализе текущего климата мы обратили внимание на увеличение повторяемости необычных климатических экстремумов. Анализ воздействия антропогенных факторов на климат, который проведен в следующем разделе, показывает, что вероятность появления климатических экстремумов возрастает.

Таблица 8. Изменчивость урожаев в 2000 г. для четырех сценариев климата

Полушарие

Вид зерна — страна

Сценарии

Сильное похолодание, p = 0,1

умеренное похолодание, p = 0,25

умеренное потепление, p = 0,25

сильное потепление, p = 0,1

Северное

Яровая пшеница (Канада)

-

-

+

++

Яровая пшеница (США)

--

-

+

++

Кукуруза (США)

---

-

++

++

Соевые бобы (США)

---

-

++

++

Озимая пшеница (США)

--

-

+

+

Озимая пшеница (Китай)

--

-

+

++

Южное

Кукуруза (Аргентина)

--

-

+

+

Озимая пшеница (Аргентина)

--

-

+

+

Озимая пшеница (Австралия)

--

-

+

+

Северное

Рис (Индия)

+

+

+

-

Рис (Китай)

-

-

+

+

Озимая пшеница (Индия)

-

-

+

+

Южное

Соевые бобы (Бразилия)

+

+

+

+

Обозначения:увеличение (+) и уменьшение (-) изменчивости годового производства урожая относительно базового периода без учета изменения технологии; ++++(----) — очень большие изменения, до 24% и более: +++(---) большие изменения, в среднем 16—24%; ++(--) — умеренные изменения, в среднем 8—16%; +(-) — небольшие изменения.

Для иллюстрации в табл. 8 приводятся ожидаемые вариации в урожаях, которые могут быть вызваны климатической изменчивостью. Как видно, за счет климатической изменчивости колебания урожайности могут достичь не 6—9, а до 24%, т. е. быть сопоставимыми с ростом урожайности за счет повышения технологии производства.

В настоящее время на площади около 200 млн. га земель производятся ирригационные мероприятия, при этом достигаются устойчивые высокие урожаи. Так, в ряде стран Западной Европы урожайность зерна на поливных землях в 3—4 раза выше, чем на неполивных. Особое значение эти мероприятия имеют для тропиков и субтропиков, где распределение осадков неравномерно и очень высока интенсивность испарения, а период максимальной инсоляции часто совпадает с периодом минимальных осадков. Для иллюстрации можно сослаться на исследования, проведенные в Индии. Колебания урожайности сельскохозяйственных культур здесь большей частью объясняются климатом. Однако ирригация может ослабить это влияние. Так, с 1915 по 1955 г. в Индии рос урожай пшеницы с 0,6 до 1,4 т/га. До 1940 г. увеличивалось и количество осадков. Но после 1940 г. оно стало резко уменьшаться, а урожайность тем не менее продолжала расти, что объясняется мерами, принятыми в области ирригации.

Как известно, на урожаи влияют и вредители. Ряд голодных лет был связан с эпидемиями. Так, голод в Ирландии в 1840 г. вызван эпидемией картофельной гнили. Потери пшеницы в США в 1917 г. явились результатом эпидемии стеблевой ржавчины. Голод в Бенгалии (Индия) в 1943 г. был связан с болезнью риса (коричневые пятна). В середине 40-х годов в США из-за грибка, вызывающего викторианскую болезнь растений, погиб овес. В 1970—1971 гг. по всей территории США распространилась эпидемия кукурузной болезни. Установлено, что большинство из этих эпидемий зависит от климатических условий, так как возбудители болезней могут размножаться и развиваться при определенных климатических условиях.

Климатические условия влияют на продуктивность животноводства, причем последствия многих климатических аномалий (например, засух) сказываются на животноводстве спустя несколько лет.

Все это вместе взятое еще более обостряет проблему взаимодействия климата и сельскохозяйственного производства и делает ее все более актуальной, а затраты на изучение климата — рентабельными.

Климат и рыбное хозяйство

Богатства океана, занимающего около трех четвертей поверхности земного шара, — важный источник продовольственных ресурсов, в частности рыбной продукции.

Согласно данным ФАО, в последние годы мировое производство рыбы резко упало. Так, в 30-х годах рост в среднем составлял почти 7%, в 60-х — менее 6%, а в 70-х — уже менее 1% в год. Главная причина сокращения производства рыбной продукции кроется в ликвидации рыбных промыслов, которые использовались для производства рыбной муки и рыбьего жира. В 1976 г. улов анчоуса в юго-восточной части Тихого океана равнялся 4 млн. т, в то время как в 1970 г. — 12 млн. т. Сократились промыслы атлантической, скандинавской сельди, трески и других сортов рыб. В 1970 г. был достигнут пик в добыче рыбы — на заводы для обработки было доставлено 26,5 млн. т. В 1973 г. улов сократился до 18,5 млн. т.

Теоретические расчеты показывают, что общее количество мировой рыбной биомассы, доступной для улова, — 640 млн. т. Ресурсы только одного криля колеблются между 750 млн. и 1,35 млрд. т при возможном ежегодном его улове в южном полушарии 100—150 млн. т, сейчас же он составляет лишь около 20 тыс. т. Таким образом, потенциал рыбного производства таит огромные резервы, а рост производства за счет повышения технологии рыбного промысла может иметь решающее значение.

Изменения воспроизводства рыб тех или иных видов, миграция рыбных косяков зависят от климата. Так, периоду последнего потепления климата, связанного, как уже отмечалось выше, с усилением зональной циркуляции, соответствовали перемещения некоторых крупных пород рыб к северу в системе океанических течений, зависящих от атмосферной циркуляции. Наиболее примечательным и в какой-то мере драматическим примером этой миграции в период потепления явились увеличение и спад уловов трески у западных берегов Гренландии. Так, по данным лаборатории по рыболовству Великобритании в 1908—1910 гг. в прибрежных водах этого района практически не было трески, в 1912 г. ее выловили 24 тыс. т, к 30-м годам — 70 тыс. т, в 50—60-х годах — 450 тыс. т.

В последние годы лов трески запрещен в связи с практическим ее исчезновением у берегов Западной Гренландии. Объясняется это главным образом изменившимися температурными и циркуляционными условиями в океане в результате изменения режима общей циркуляции атмосферы (ослабление зонального переноса) и начавшегося похолодания климата. Численность норвежской сельди, японской и адриатической сардины увеличивается в периоды потепления климата, шведской сельди — становится больше при похолодании.

Характерно, что колебания климата не имеют большой амплитуды, в то время как амплитуда колебаний рыбного промысла велика. На фоне сравнительно длиннопериодных колебаний климата и соответствующих им колебаний рыбной продуктивности наблюдаются и более короткопериодные изменения продуктивности рыбного производства. Пример тому — явление Эль-Ниньо у западных берегов Южной Америки. Оно связано с подъемом глубинных холодных вод, вызванным сложным взаимодействием океанических и атмосферных процессов. После Эль-Ниньо 1957—1958 гг. популяция птиц, поедавших анчоус, улетела, и анчоус был восстановлен. Однако после Эль-Ниньо 1965 г. численность анчоуса сократилась с 18 млн. до 4 млн. т, а после 1972—1973 гг. она сократилась до 1 млн. т. Таким образом, само Эль-Ниньо. — результат климатического влияния. Но оно, в свою очередь, сказывается на зависимости между хищником (птицы) и его жертвой (анчоус) с периодичностью от 6 до 10 лет.

Этот пример указывает на возможность весьма сложного нелинейного взаимодействия между климатическими аномалиями и рыбным производством со сдвигом во времени. Однако существуют и прямые связи. Так, размножение личинных рыб увеличивается в теплой воде и задерживается в холодной. В дальнейшем на этот эффект накладывается влияние солнечной радиации, направление и скорость ветра. Тем не менее для уверенных прогнозов влияния климатических факторов на рыбный промысел в открытом океане данных еще недостаточно, а попытка ихтиологов установить соотношения между численностью различных возрастов рыбы и климатическими факторами большого успеха пока не принесла. Во всяком случае, здесь нельзя привести таких простых зависимостей объема рыбного промысла от климатических условий, как для сельского хозяйства или производства и распределения энергии и др.

Более четко установлена связь между изменениями климатических условий и рыболовством во внутренних водах. Так, для большинства пород рыб повышение температуры воды и продолжительности теплого периода способствует быстрому росту рыбы. Многие виды вообще не размножаются, если вода не достигает определенной температуры. Климатические факторы, регулирующие качество воды, могут выступать в роли физиологических стимуляторов, особенно в период размножения рыбы. Большинство популяций речных рыб зависит от разлива рек в весенний период, когда рыбы размножаются и получают обильный корм. Сами же половодья практически обусловлены климатом. Характер зависимости продуктивности рыбного промысла во внутренних водоемах и реках от климатических условий достаточно сложен, но эта связь существует. Например, сахельская засуха отразилась не только на производстве зерна и поголовье скота, но и на рыбном промысле.

Водный бассейн Сахельской зоны в основном включает реки Сенегал, Нигер, Логоне, озера Чад, Шири. Общий улов рыбы составил здесь 220 тыс. т в год. Однако с 1962 по 1973 г. из-за непрерывного дефицита осадков площадь Чада уменьшилась с 22 до 6 тыс. км^2. В результате улов рыбы в озере с 34 840 т в 1974—1975 гг. упал до 13 422 т в 1976—1977 гг. Последствия сказались и на реках Сенегал и Нигер: в первой улов рыбы сократился с 30 тыс. т в 1967 г. до 12 тыс. т в 1973 г., а во втором — с 9,5 тыс. т в 1967 г. до 3,6 тыс. т в 1974 г. К 1975 г. количество воды увеличилось, улов в этих реках вновь возрос до 25 тыс. и 7,6 тыс. т соответственно.

Подъем уровня озера Мверу в Замбии на 6 м в 1962—1964 гг. привел к увеличению объема рыбного промысла в 4 раза. В настоящее время улов рыбы в этом озере составляет 15% общего улова рыбы в Замбии. Но в истории этой страны были периоды, когда озеро полностью пересыхало и происходила массовая гибель рыбы, гиппопотамов, крокодилов. Такие изменения были целиком связаны с климатическими условиями.

Различные климатические изменения выступают как основной фактор рыбной популяции во всех водоемах за исключением крупных, где это влияние несколько меньше. В тех же случаях, когда на численность рыб воздействуют другие факторы, например неограниченное развитие рыболовства или загрязнение вод, даже незначительные изменения климата могут иметь серьезные последствия для структуры видов рыбного сообщества и в конечном итоге для характеристики рыбных популяций. Развитие рыболовства во внутренних водах имеет большое будущее, но планирование этого развития и само развитие, по-видимому, невозможно вести без учета влияния климата.

Климат и водное хозяйство

Трудно переоценить влияние воды на все виды хозяйственной деятельности и на самого человека. Вода — основной источник жизни на Земле, а проблема влагооборота — центральная проблема климатологии. Влагооборот включает следующие процессы: испарение влаги с поверхности суши и особенно с поверхности океана, конденсацию водяного пара и его превращение в осадки, вызванное неупорядоченными и упорядоченными вертикальными движениями в атмосфере и конденсацией влаги, выпадение влаги и ее возвращение в океан через реки и подземный сток. Этот круговорот воды в природе происходит непрерывно.

По данным Атласа мирового водного баланса (1974 г.), под действием солнечной энергии ежегодно с поверхности Мирового океана испаряется около 505 тыс. км^3 воды. Из этого количества около 458 тыс. км^3 попадает обратно в океан в виде осадков, 47 тыс. км^3 переносится в системе атмосферной циркуляции на сушу и выпадает там в виде осадков. Кроме того, с поверхности суши, озер, рек через растительный покров испаряется еще около 72 тыс. км^3 воды. В общей сложности в виде осадков над сушей выпадает около 119 тыс. км^3 воды. Избыток осадков над испарением над сушей величиной 47 тыс. км^3 возвращается обратно в Мировой океан через речной сток.

Цикл влагооборота (испарение—осадки—сток) замкнут. Однако замкнутость эта относительна. Небольшие коррективы вносят инфильтрация влаги, идущая на пополнение подземных грунтовых вод, и человеческая деятельность, связанная с добычей и использованием подземных грунтовых вод. Отклонения от замкнутости в этом цикле могут быть связаны также с накапливанием влаги, выпадающей в Антарктиде, Гренландии в виде снега и льда. В обозримом будущем отток воды из Антарктиды и Гренландии в виде айсбергов и накапливание твердых осадков, вероятно, будут компенсировать друг друга. Однако для оценки длительных тенденций изменений климата эти статьи прихода—расхода должны быть приняты во внимание.

В ледниковую эпоху уровень Мирового океана был, как известно, на 85 м ниже, а влага из океана была перекачена в ледники посредством влагооборота. Любое таяние ледников приведет к повышению уровня Мирового океана[3]. Масштабы данных процессов в прошлом составляли столетия и тысячелетия. Значит, в ближайшем будущем около 40 тыс. км^3 пресной воды — это тот устойчивый естественный резерв, не считая континентальных льдов типа Антарктиды и Гренландии, которым человечество будет располагать как источником пресной воды.

Необходимое потребление человеком воды в будущем оценивается от 900 до 1400 м^3 в год. Если согласно прогнозу население земного шара на рубеже 2000 г. составит около 8 млрд. человек, то на душу населения придется около 5 тыс. м^3 пресной воды, что примерно в 4—5 раз больше приведенной нормы. Однако вода распределена крайне неравномерно. Есть районы, где ее не хватает уже сейчас, это — зоны повышенной испаряемости. Именно здесь потребуются ирригационные работы. Простейшие оценки показывают, что для производства 1 т зерна или риса на поливных землях необходимо соответственно около 1—3 тыс. т воды. Исходя из нормы 1 т зерна на трех человек, для населения в 8,1 млрд. человек нужно производить 2,7 млрд. т в год, по нормам же развитых стран (800 кг в год на человека) потребуется около 6,5 млрд. т зерна в год, что в 5 раз выше, чем сейчас. Полагая, до некоторой степени оптимистически, что около 40% этого количества будет производиться на орошаемых землях, специалисты подсчитали, что таких земель должно быть порядка 650—660 млн. га, в настоящее время их около 200 млн. га. Потенциальное количество земель, пригодных для орошения, оценивается в 470 млн. га. Если считать среднюю продуктивность орошаемых земель порядка 4 т зерна с 1 га (предполагаемая продуктивность неорошаемых земель к этому времени 1,8 т с 1 га), то при расходе 2200 м^3 воды на 1 т зерна потребуется к 2000—2015 гг. изымать из стока 5850 км^3 в год. Не меньше 90%, если не изменится система орошения, пойдет на испарение. Сюда следует добавить, что на промышленные цели израсходуется около 4100 км^3 воды, исходя из нормы 500 м^3 в год на человека[4]. Всего, таким образом, из стока нужно будет изымать около 10 тыс. км^3 воды в год, что составит около 25% годового стока.

Рассмотрим теперь, как климатические изменения влияют на влагооборот вообще и на сток. В гидрологии существует такое понятие, как соотношение между средней годовой потребностью в воде для данного района и необходимой емкостью водохранилища в процентах от среднего годового стока. Связь эта нелинейная. Так, при годовой потребности в 60% необходимая емкость водохранилища может составлять 20—30%, и здесь обычно не возникает серьезных проблем при расчете. Однако при годовой потребности 70—80% и более необходимая емкость водохранилища может достигать 100% и более. А это существенно меняет весь подход к проектированию и эксплуатации водохранилищ, особенно если речь идет о крупных.

Достаточно привести такой пример. В Бразилии на Рио-Гранде имеется каскад электростанций, в верхней части которого, в Фурнасе, расположено большое водохранилище емкостью 15 млн. м^3, площадь водосбора около 54 тыс. км^2. При использовании всей воды водохранилища можно выработать 22 770 МВт/мес энергии (почти 50% всей производимой энергии в районе). Однако зависимость расчетов от климатических данных такова, что при потребной выработке электроэнергии с использованием 80% среднего годового стока различные модели расчетов дают необходимую емкость водохранилищ от 48 до 84%. В первом случае в строительстве других электростанций и водохранилищ нет необходимости, во втором — есть, и это будет связано с большими экономическими затратами.

Для некоторых районов США, например, при одних и тех же осадках порядка 750 мм годовой сток будет меняться в 4 раза при изменении температуры примерно на 20° С. При понижении температуры сильно уменьшается испарение и увеличивается сток. Потенциально возможное испарение (эватранспирация) для влажных районов при средней годовой температуре (~4—5° С) составляет 500 мм, а при температуре около 27° С — уже около 1500 мм.

Колебания климатических условий требуют при проектировании и эксплуатации водохранилищ оптимального использования трех типов климатической информации: длительных рядов инструментальных измерений температуры, осадков, испарения (потенциальная эватранспирация); палеоклиматической информации; прогнозов будущих изменений климата с учетом как естественных, так и антропогенных факторов.

При строительстве крупных ирригационных сооружений крайне важно учитывать изменения климата. Известно, что во многих странах поливное земледелие — решающий фактор экономики. Поэтому знание прошлого климата, а также прогнозы его будущих изменений, в особенности осадков, температуры, испаряемости, всегда будут иметь огромное значение при проектировании сооружений. При этом потребность в данных о прошлом климатическом режиме и стоке часто возникает в необжитых районах, где рядов наблюдений нет или они ограниченны.

Важное значение имеет климат и для районов, где используется грунтовая вода из подземных скважин. Например, в Калифорнии (США) источники подземных вод составляют около 40%. В 1977 г. в связи с засухой было пробурено 10 тыс. новых скважин. Но из-за засухи скорость выкачивания подземных вод превышала скорость их восстановления за счет осадков. В результате фермеры бурили скважины все глубже. В 1977—1978 гг. скважины бурились на 270 футов (почти 80 м) глубже, чем до 1977 г. Стоимость воды здесь возросла почти вдвое.

Все эти примеры наглядно свидетельствуют о необходимости оптимального учета различных видов климатической информации при планировании и эксплуатации водохозяйственных сооружений, реализации водохозяйственных мероприятий.

Климат и леса

Леса — важный источник сырья и продовольствия, а также органическая связь биосферы и всей климатической системы. Они очень чувствительны к изменениям климата, о чем легко можно судить по кольцам срезов деревьев. В свою очередь, ощутимые изменения лесного покрова отражаются на климате в региональном или глобальном масштабах.

Как известно, из 510 млн. км^2 поверхности земного шара Мировой океан занимает 361 млн. км^2 (71%), а суша 149 млн. км^2 (29%). Поверхность суши, которая на 120 млн. км^2 покрыта растительностью, по типам подстилающей поверхности распределяется следующим образом.

Полярные районы занимают площадь 15 млн. км^2 (10% поверхности суши), тундра, болота, водоемы и реки — 30 млн. км^2 (21 %), земная растительность — 24 млн. км^2 (16%), засушливые пустыни — 9 млн. км^2 (6%), культивируемые земли — 14 млн. км^2 (9%), лесистая местность — 7 млн. км^2 (5%). Леса занимают площадь 50 млн. км^2, или 33% поверхности суши. Земли более чем одной трети поверхности суши (37%) малопродуктивны или вовсе непродуктивны. Среди них тундра, водная поверхность и др. (21 %), пустыни (6 %), полярные районы (10 %).

В результате фотосинтеза и роста различных типов растительности годовое производство биомассы в пересчете на сухую массу составляет для всего земного шара 155·10^9 т в год: 55·10^9 т приходится на океан и 100·10^9 т — на сушу. Из этого количества леса дают основную продукцию, составляющую около 65·10^9 т в год при средней продуктивности леса 1,3·10^3 т/км^2 биомассы в год. Леса, следовательно, — самая продуктивная органическая система. Продуктивность лесов в 2—3 раза выше продуктивности других типов растительности суши и почти в 10 раз больше продуктивности океана.

Леса ответственны за газовый обмен, в частности за углеродный и кислородный циклы. Если принять годовой прирост древесины равным порядка 65·10^9 т в год, то общее количество ее примерно в 30 раз больше, т. е. 2·10^12 т. Поскольку на 1 кг древесины приходится 0,35—0,5 кг С, общее содержание его в лесах составляет от 700·10^9 — 1000·10^9 т. Считается, что для производства единицы массы сухого вещества нужно затратить 1,83 единиц массы CO_2. При этом в атмосферу выделяется около 1,32 единиц массы O_2.

Всего, таким образом, леса поглощают из атмосферы около 119·10^9 т CO_2 и выделяют в атмосферу 88·10^9 т в год O_2. (Масса атмосферы — около 5,2·10^15 т. В ней находится около 1,3·10^15 т O_2 и 2,57·10^12 CO_2.)

Около 53% мировых запасов леса составляют тропические леса. Их вклад в мировую продукцию сухого вещества — около 75%. Главный лесной континент — Южная Америка (площадь тропических лесов 11·10^6 км^2, или 55% площади всех тропических лесов).

Большие лесные массивы находятся в северной части умеренной зоны северного полушария. В табл. 9 приведено более детальное распределение лесов.

Средний запас древесины зависит от типа леса. В сухих субтропических лесах Южной Америки он составляет не более 40 м^3/га, а во влажных тропических лесах 200—300 м^3/га и более. Промышленная продукция леса по данным ФАО на площади 2,8·10^9 га — около 1,45·10^9 м^3 в год. Таким образом, промышленное производство леса не превышает 1,5—2% годового прироста древесины. Из этой продукции около 59% идет в эксплуатацию и в другие виды промышленности и 41% используется как топливо.

Использование леса как топлива эквивалентно реализации энергии в (17—21)·10^3 Дж на 1 г сухого вещества. Таким образом, в среднем фиксация энергии в древесной биомассе в год составляет порядка 1,2·10^21 Дж.

Таблица 9. Распределение лесов, % площади широтной зоны

Широта центра зоны, град

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Северное полушарие

28,9

7,9

7,4

6,7

10,6

33,8

45,4

4,9

—

Южное полушарие

36,8

22,8

6,4

6,1

3,0

0,3

—

—

—

Леса влияют на тепловой баланс нашей планеты, влагооборот, речной сток, динамику атмосферы, ее газовый и аэрозольный состав и др. Коэффициент поглощения солнечной радиации деревьями очень велик, около 67 Дж/м^2 (почва, лишенная растительности, поглощает 33 Дж/м^2). Потенциальные испарения над лесом составляют 850 мм/год, а над почвой, лишенной растительности, — 425 мм/год. Степень покрытости лесом воздействует на водный и энергетический баланс планеты. В свою очередь, изменение составляющих энергетического и водного баланса сказывается на продуктивности леса. Потенциальная продуктивность лесов зависит от температуры самого теплого месяца, годового количества осадков, продолжительности вегетационного периода, внутригодовых колебаний температуры, испарения, радиационного баланса и др. В странах холодного климата повышение температуры способствует ускоренному росту деревьев, в то же время небольшие повышения испаряемости практически не влияют на него. В странах теплого климата рост деревьев не зависит от температуры, однако при подъеме температуры увеличивается испаряемость, в результате чего продуктивность леса уменьшается.

Климатические флюктуации также отражаются на росте деревьев, Достаточно сказать, что такая наука, как дендроклиматология, опирается на закономерности роста деревьев (фиксируемые на срезах по кольцам деревьев) в зависимости от климатических условий. Это позволяет достаточно надежно восстанавливать климат прошлого.

Известно, что линии лесов в горах тесно связаны с климатом, а их положение с высотой меняется при изменениях климата. Линия лесов в горах зависит от широты, высоты, места и климатических условий. В тропиках (в Андах, Гималаях) она возвышается на 5 тыс. м над уровнем моря, в полярных районах находится вблизи уровня моря. Потепления (похолодания) на 0,5—0,6° С вызывают повышение (понижение) линии лесов примерно на 100 м. И такие явления отмечались в прошлом.

Климат и строительство

Влияние климата при строительстве объектов чрезвычайно велико, особенно в странах с резко выраженной внутригодовой климатической изменчивостью, в умеренных, полярных и субполярных районах. Технические условия и стоимость проектирования зданий и сооружений, проведения земляных работ, виды применяемых конструкций, эксплуатация и т. д. весьма сильно зависят от климата. Техника и аппаратура, предназначенные для одних климатических условий, выходят из строя при работе в других. Сейчас еще только делаются попытки оценить, во что обходится, к примеру, изменение температуры на 1° и осадков на 10% для различных видов деятельности. Исследования, проведенные в США, показывают, что понижение температуры на 1° привело бы к дополнительным расходам на жилищное строительство и одежду порядка 10 млрд. долларов в год, а ущерб здоровью людей при этом оценивался бы в сумму 47,72 млрд. долларов.

По мере расширения масштабов человеческой деятельности неизмеримо возрастут масштабы и сложность строительных работ, их зависимость от климатических условий. Прежде всего остановимся на проектировании. Одна из задач, возникающих на этой стадии, заключается в разработке методов эффективного использования климатической информации, с тем чтобы не допустить неоправданного завышения стоимости объектов, с одной стороны, и недостаточной прочности (или теплоустойчивости и др.) — с другой. При ошибках любого знака, кроме отмеченных потерь, в течение длительного времени будет иметь место также перерасход денежных средств.

Вторая проблема связана с проектированием ограждающих конструкций, отопительных систем, систем кондиционирования, вентиляции и др., работа которых в решающей мере определяется климатическими условиями. Как известно, на продолжительность строительных работ воздействуют экстремальные условия погоды, средние температуры, скорость ветра, осадки и др. Это — третья проблема. Многие технологические циклы строительства (например, бетонные работы, дорожные покрытия, работа кранов, транспорта и др.) очень сильно зависят от климата.

Четвертая проблема — строительство линий электропередач и их эксплуатация с учетом ветровых и гололедных нагрузок. Главные материальные потери при неблагоприятных климатических и погодных условиях — это восстановление линий электропередач, убытки хозяйств, которые зависят от функционирования этих линий.

Пятая проблема — учет ветровых, гололедных, снеговых нагрузок на сооружения и конструкции общего и специального типа, в особенности на сооружения высотой 40 м и более (здания, башни, опоры, дымовые трубы, телевизионные башни и др.). Завышение этих нагрузок приводит к сильному и часто неоправданному удорожанию стоимости строительства, занижение — к вероятности аварий.

Мы перечислили главные аспекты влияния климата на проектирование и строительство в умеренных и полярных районах. В странах тропического климата возникает своя специфика, связанная со строительством дамб, защитой от тропических циклонов и ураганов, от коррозии и др.

Климат и проблемы транспорта и морского хозяйства

Несмотря на бурное развитие всех видов транспорта, их зависимость от климатических условий еще не преодолена. Известно, например, что за последние 15—20 лет прямые убытки от возвратов самолетов вследствие погодных условий довольно велики. Косвенные же убытки, связанные с нарушением регулярности работы воздушного, как, впрочем, и любого другого вида транспорта, никто по-настоящему не подсчитывал, но они не меньше, а возможно, и превышают прямые убытки.

Согласно американским источникам, только использование оптимальных маршрутов судов, разработанных с учетом климатических данных о полях ветра и волнения по акваториям Атлантического и Тихого океанов, позволило сократить среднюю продолжительность рейса на 10 часов, что дает экономию 10 млн. долларов в год.

Эксплуатация шельфовой зоны морей, которая стала насущной необходимостью для человечества, в значительной мере определяется климатическим режимом этой зоны. Здесь, как и при освоении новых территорий, изучение климата должно предшествовать началу работ на шельфе.

Климат и энергия

Со времени изобретения первой паровой машины в XVIII столетии, использовавшей в качестве топлива дрова и уголь, человек получил мощную энергетическую базу для развития индустриального общества. Вслед за паровой машиной появились двигатель внутреннего сгорания, электрический генератор и ядерный реактор.

Энергоресурсы условно можно классифицировать на три типа: невозобновляемые, возобновляемые, ядерную и термоядерную энергию.

К невозобновляемым энергоресурсам, которые вносят основной вклад в энергетику, относится ископаемое топливо, т. е. остатки веществ растительного происхождения, преобразовавшиеся со временем в уголь, нефть и природный газ. Сложные процессы естественного происхождения, способствовавшие формированию видов топлива, длились миллионы и десятки миллионов лет. Пополнить быстро истощаемые запасы ископаемого топлива, по-видимому, невозможно, а истощение их в ближайшие 100—150 лет неминуемо. К невозобновляемому типу энергоресурсов относятся также горючие сланцы — осадочные горные породы, содержащие углеводороды, из которых путем перегонки можно получить жидкое топливо, близкое по составу к нефти. Однако в настоящее время этот способ добычи нефти нерентабелен.

К возобновляемым энергоресурсам относится солнечная энергия. Она используется как непосредственно для нагревания воды, отопления, выработки электричества, так и в преобразованном виде (энергия ветра, гидроэнергия, энергия океанских волн, морских течений, перепада температур между поверхностным и глубинным океаном). Особый вид — энергия Солнца, преобразованная в электрическую. Известно, что образующуюся в результате фотосинтеза биомассу можно переработать в горючие газы и жидкости. Возобновляемый вид — и геотермальная энергия, базирующаяся на использовании внутреннего тепла Земли в районах, где глубинные воды выходят на поверхность в виде горячих источников и гейзеров.

Ядерная энергетика базируется на расщеплении (делении) атомов тяжелых радиоактивных элементов с выделением тепла (ядерная реакция) и на синтезе (соединении) ядер легких атомов (термоядерная реакция), тоже сопровождаемом значительным выделением энергии.

Энергетическая база также подвержена воздействию климата. Режимы освещенности, термический и ветровой влияют на потребление энергии и ее перераспределение по экономическим районам, особенно в странах с резко меняющимися климатическими условиями. По мере ввода в строй капитальных мощностей резко возрастает стоимость дефицита тепла, которая по некоторым оценкам в среднем для мира может достигать не менее нескольких миллиардов рублей в год.

Что касается новых видов энергии и в особенности возобновляемых энергоресурсов, то развитие этой отрасли в решающей мере будет зависеть от климатических условий даже при самом благоприятном развитии технологического процесса. В настоящее время роль возобновляемых видов энергии в общем энергетическом балансе пренебрежимо мала, но к концу столетия они будут давать около 25% энергии.

Уже сейчас существует много автономных гелиоустановок для городов и сельских местностей. Фотогальванические солнечные элементы, преобразующие непосредственно свет в электрическую энергию, весьма перспективны (стоимость вырабатываемой ими электроэнергии упала с астрономической цифры 500 долларов за 1 Вт мощности до 13,5 долларов и продолжает падать).

Большие возможности таит в себе и ветроэнергетика. В США строится крупная ветроэнергетическая установка мощностью 1,5 млн. Вт. В ряде стран (Индия и др.) успешно разрабатывается производство биогаза (метана). Бразилия начала производить из сахарного тростника и маниоки этиловый спирт, чтобы заменить им импортный бензин. Налаживается производство из отходов древесины пиролизного древесного угля.

Эксплуатация не всех источников энергии будет зависеть от климата. Тем не менее развитие новых видов энергетической базы резко повысило интерес к проблеме метеорологии и энергии. Так, по инициативе ВМО в 1979 г. был проведен международный симпозиум, посвященный метеорологическим проблемам развития солнечной энергии. В конце 1979 г. в Женеве состоялось международное совещание экспертов по проблеме энергии ветра.

Одним из недостатков энергии Солнца и ветра является малая плотность энергии на единицу площади. В районах, где из-за большой концентрации производства здания плохо приспособлены для солнечной и ветровой энергетики, ориентироваться на новые виды энергии нецелесообразно. В странах и районах, где население рассредоточено, ориентация на возобновляемые источники энергии вполне себя оправдывает как с экономической, так и с социальной и экологической точек зрения.

Развитие энергетики, основанной на возобновляемых источниках, по-видимому, неизбежно, но именно эти источники в наибольшей мере зависят от климатических условий. Так, для разработки и эксплуатации большинства гелиоустановок требуются данные о прямой и рассеянной радиации, об эффективном излучении, спектральном солнечном излучении. Крайне важно для этих установок знать внутрисуточную структуру поля радиации, а также полей ветра, температуры, облачности и др. Необходимо разработать климатические критерии, обеспечивающие благоприятные условия для эффективной работы солнечных установок различного типа, изучить внутрисуточную структуру составляющих радиационного и теплового баланса для поверхностей различной ориентации и широтных зон, произвести районирование экономических областей отдельных стран и регионов мира по обеспечению солнечными ресурсами применительно к различным типам солнечных установок.

Со стороны ветроэнергетики предъявляется целый ряд требований. Известно, что потенциальные климатические ветроэнергоресурсы пропорциональны плотности воздуха и кубу скорости ветра. Поэтому крайне важно выбрать место установки ветродвигателей. Кроме того, ни один ветродвигатель не в состоянии полностью использовать потенциальные ветроэнергоресурсы, так как он может работать между нижним пределом скорости ветра (скоростью пуска) и верхним пределом, т. е. скоростью ветра, при которой двигатель способен выйти из строя. Без знания климатического режима планирование ветроэнергетики и эксплуатация ветроэнергоустановок не могут быть эффективными.

Биоклиматология человека

Человек постоянно испытывает воздействие факторов окружающей среды. К ним относятся тепловые, шумовые, световые, радиационные, загрязнение окружающей среды, эмоциональные нагрузки, влияние различных физических полей и явлений и др.

Однако наиболее существенны факторы, определяющие тепловое состояние человека, в частности испарение, теплообмен и радиационные притоки, целиком зависящие от климатических условий. На основе учета этой зависимости возникло новое направление исследований, называемое биоклиматологией; последняя делится на общую и частную.

Общая биоклиматология занимается изучением влияния климата, погоды, гелиогеофизических, геомагнитных, атмосферно-электрических и других факторов на самочувствие и здоровье человека. Частная биоклиматология исследует влияние микроклимата различных природных и городских ландшафтов, а также помещений на самочувствие и условия проживания человека.

Анализ статистических данных и уравнения теплового баланса позволяет выделить климатические условия, оптимальные для проживания человека. Основной ограничивающий фактор — температура. Верхний предел возможных для проживания условий (Ťmax) составляет около 55° С, нижний (Ťmin) — порядка —60° С. Зоной климатического комфорта считается довольно узкий интервал температур порядка 20—25° С, который несколько различен в странах с разным влажностным и ветровым режимом. Проживание при температуре ниже и выше этих величин связано уже с определенными дополнительными условиями (утепление или охлаждение).

На рис. 17 приведен график, характеризующий распределение населения мира в диаграмме среднегодовых значений Ťmin и Ťmax. Заштрихованный район указывает диапазон температур, в которых проживает 60% населения. Он находится между Ťmax порядка от 30—35° до 35— 40° С и Ťmin от —10° до 15° С. В зоне, обозначенной горизонтальной штриховкой, проживает около 30% населения. Эта зона лежит в пределах Ťmax между 20—25° С и 45—50° С, а Ťmin между —50÷—55° С и 20—25° С.

Рис. 17. Распределение населения земного шара в зависимости от климатических условий

В экстремальных климатических условиях проживает всего около 10% населения. По данным Всемирной организации здравоохранения и Всемирной продовольственной организации наиболее благоприятный климатический эталон соответствует среднегодовой температуре воздуха 10° С. Уменьшение этой температуры требует увеличения калорийности пищи порядка 3% на каждые 10° С понижения температуры. При повышении среднегодовой температуры калорийность снизится на 5%. Проведенные специальные исследования показали, что в различных климатических условиях требуемая калорийность пищи может меняться в существенно больших пределах. Естественно, что на калорийность влияют и другие климатические факторы. Но эти вопросы еще достаточно не изучены. Тем не менее ясно, что изучение и районирование биотермических условий жизнедеятельности человека — весьма актуальная задача, особенно для стран с холодным или жарким климатом.

Воздействие климата на условия проживания человека и его самочувствие ярко проявляется в благоприятном влиянии факторов климатического лечения. В связи с этим курортология и климатотерапия стали одним из закономерных и эффективных арсеналов средств современной медицины в лечении заболеваний.

Однако это направление может успешно развиваться при условии научных обоснований влияния климата на здоровье человека. Влияние многих климатических факторов, таких, как явления, связанные с солнечной активностью, атмосферным электричеством, резкими изменениями погоды и др., до конца еще не выяснено. Исследования показали, что для здорового организма возможность приспосабливания (адаптации) к меняющимся климатическим условиям весьма высокая. В связи с этим зависимость здоровья практически здорового человека от климатических условий не так велика. Однако больные, люди пожилого возраста и дети чутко реагируют на перемены климата.

В ряде стран обнаружена четко выраженная сезонность в количестве смертей. Так, в США минимум смертности для Нью-Йорка, Лос-Анджелеса и Чикаго падает на летние месяцы, а максимум — на зимние. При этом амплитуда составляет порядка 15—25%. Однако в прошлом столетии картина была обратная. Пик смертности 1867—1880 гг. отмечался летом. По-видимому, следует различать смертность в зависимости от тех или иных заболеваний.

Так, минимум смертности от сосудисто-сердечных заболеваний в северном полушарии падает на летние месяцы. В южном полушарии в это время наблюдается максимум смертности. Специально проведенные исследования в США показали, однако, наличие определенной зависимости распределения смертности от климатических условий. Так, смертность ниже в районах США с диапазоном среднегодовых температур между 15,6 и 26,6° С. В более холодных и более жарких районах смертность повышалась. Заметное влияние на заболеваемость и смертность оказывают климатическая изменчивость и резкие колебания погоды.

В последние годы показано влияние сезонной изменчивости и различных климатических условий на возникновение и распространение самых разнообразных вирусных заболеваний. Целый ряд вирусов может развиваться и размножаться только при определенных климатических условиях.

Если в ряде стран (США, Япония) резко снижается смертность от инфекционных заболеваний, то в них же резко увеличивается смертность от респираторных заболеваний, связанных с качеством окружающей среды. В городе Нешвилл (США) было установлено, что при загрязнении атмосферного воздуха двуокисью серы до 0,149 мг/м^3 процент обострения бронхиальной астмы среди взрослого населения составил 8,1%. При повышении концентрации в диапазоне 0,15—0,349 мг/м^3 — 12%, а в районах с концентрацией выше 0,75 мг/м^3 этот показатель возрос до 43,8%.

Здесь мы рассмотрели лишь в самых общих чертах возможное влияние климатических условий на здоровье и условия проживания человека. Проблема эта имеет глубокое социально-экономическое значение.

Антропогенное воздействие на климат

В предыдущей главе мы проанализировали зависимость самых различных сторон деятельности человека от климата. Вместе с тем дальнейшее развитие хозяйственной деятельности приводит ко все возрастающему влиянию человека на окружающую среду и климат. Другими словами, обретают силу антропогенные факторы. Следует, по-видимому, различать два типа воздействия на климат: непреднамеренное — в результате хозяйственной деятельности и намеренное — с целью изменения климата в нужном человеку направлении.

Непреднамеренное воздействие человеческой деятельности на климат началось уже давно. Осваивая новые территории, вырубая и выжигая леса, распахивая земли, засаживая территории различными видами растительности, человек неосознанно менял характер подстилающей поверхности, ее альбедо и тем самым способствовал изменению теплового баланса системы Земля—атмосфера.

В настоящее время создаются новые водохранилища и каналы, изменяются русла крупных рек, осушаются болота, продолжают вырубаться леса и др. На характере подстилающей поверхности сказывается эрозия почв. Все это влияет не только на альбедо, но и на газовый обмен с атмосферой, влаго- и теплообмен атмосферы и подстилающей поверхности.

Среди химических газов, меняющих газовый состав атмосферы, особая роль отводится CO_2, который, поступая в атмосферу, создает тепличный эффект. При возрастающей скорости поступления газа в ближайшие 100 лет его воздействие на климат может стать ощутимым.

В атмосферу поступают и фотохимически активные малые примеси: фреоны, фтористые, бромистые и хлорные соединения, которые разрушают озонный слой и влияют на тепловой режим планеты. Целый ряд химически активных малых примесей, таких, как окислы азота, те же фреоны и др., обладает свойствами поглощать солнечную радиацию и тем самым воздействовать на тепловой режим атмосферы, либо уменьшая метеорологическую солнечную постоянную, либо увеличивая действие тепличного эффекта.

В связи с ростом населения и объема производства, развитием энергетики возрастает поступление в атмосферу тепловых выбросов. Оно уже сейчас ощутимо в крупных городах и промышленных центрах. Вполне естественно, что в дальнейшем этот процесс усилится. Отсюда крайне важно знать, как тепловые выбросы повлияют на погоду и климат.

Можно указать еще несколько видов человеческой деятельности, которые могут отразиться на климате. К ним относятся: загрязнение океана нефтяными продуктами, нарушающее тепло- и влагообмен между атмосферой и океаном, воздействие на облака с целью стимулирования осадков, сжигание топлива, увеличивающее выброс в атмосферу водяного пара, действие оросительных систем, повышающее испарение и др.

Пагубное воздействие на климат могут оказать испытания ядерного оружия, способствующие образованию и накапливанию в атмосфере аэрозоля, окислов азота, радиоуглерода и других компонентов, разрушающих озонный слой, и др. В настоящее время ни теоретическая база, ни уровень технических возможностей не позволяют ставить задачу намеренного воздействия на климат. Однако в будущем эта задача может оказаться посильной для человечества.

Влияние топливно-энергетического комплекса на климат

Несомненно, развитие основных отраслей экономики в значительной мере будет обусловлено развитием топливно-энергетического комплекса, функционирование которого, с одной стороны, зависит от климатических условий, а с другой — влияет на окружающую среду и климат. Существует по крайней мере несколько видов воздействия топливно-энергетического комплекса на климат.

Прежде всего это выбросы в атмосферу аэрозолей, из которых наибольшее значение имеют сажа и продукты сгорания в виде соединений серы. Второй вид — поступление в атмосферу радиационно-активных малых газовых компонентов в результате сжигания химического топлива. Сюда относятся углекислый газ и окислы азота, влияющие на углеродный и азотный циклы в системе атмосфера—океан—биосфера—почвы суши. Следующий вид — воздействие на подстилающую поверхность.

Наиболее важным видом воздействия топливно-энергетического комплекса на погоду и климат некоторые авторы считают влияние тепловых выбросов непосредственно в атмосферу и океаны. При любых оценках влияния топливно-энергетического комплекса на погоду и климат важно иметь правильное представление о тенденциях развития топливно-энергетической базы в мире.

На рис. 18 приведен график, иллюстрирующий суммарное потребление энергии в мире. В среднем оно составляет 2% в год. Эта цифра принципиально важна для оценки тенденций будущего роста энергетических мощностей, поскольку некоторые исследователи явно завышают процент до 4, а то и до 6.

Основным источником топлива в настоящее время является каменный уголь. По данным международного Института системного анализа на 1974 г. мировые запасы угля всех сортов, от антрацита с теплотворной способностью 8000 ккал/кг до бедных углей с теплотворной способностью 3500 ккал/кг или менее, составили 1,0754·10^13 т, что эквивалентно запасам 8,4·10^11 т угля с теплотворной способностью 7000 ккал/кг.

Академики В. А. Кириллин и М. А. Стырикович общие запасы условного топлива, включая нефть и газ, оценивают в 1,29·10^13 т. Считается, что на 80% условное топливо состоит из каменного угля.

Рис. 18. Рост производства энергии в мире по данным энергетического проекта международного Института системного анализа.

1 — средний рост потребления энергии; 2 — фактический

Рис. 19. Характеристика предполагаемого роста различных источников топлива в мире

В 1975 г. по материалам Академии наук США запасы энергетических ресурсов исчислялись так: жидкая нефть, натуральный газ и уголь соответственно 10,55·10^21, 7,60·10^21, 276,2·10^21 Дж (в сумме 294,35·10^21 Дж), т. е. на долю угля, нефти и газа приходится соответственно 94,2, 3,5 и 2,3% общей суммы.

Все это позволяет сделать следующие выводы:

основными продуктами сжигания топлива в будущем будут продукты сжигания угля;

добыча топлива и его сжигание будут осуществляться в нескольких крупных регионах мира и неравномерно распределятся на поверхности Земли. Эти два обстоятельства крайне важны при оценке воздействия топливно-энергетического комплекса на климат.

Наиболее вероятное годовое потребление энергии в мире в 1985, 2000 и 2025 гг. эксперты оценивают соответственно 329·10^18, 567·10^18 и 1238·10^18 Дж.

Более детальный анализ указывает на следующую динамику развития топливно-энергетического комплекса. Если потребление дерева в качестве источника топлива в начале XIX в. составляло 90%, то теперь оно снизилось до 10%. Удельный же вес угля сейчас близок к 50%, а нефти и газа — к 30%. На долю гидроэнергетики падает не более 10—12%.

Ожидаемое распределение источников энергии приведено на рис. 19. Очевидно, что вклад нефти и газа в ближайшие 30—50 лет будет существенным. В результате возрастет роль угля, возобновляемых источников энергии (Солнце, ветер, геотермальное тепло и др.). Роль гидроэнергетики, по-видимому, останется на прежнем уровне.

С этих позиций, а также с позиций учета предполагаемого роста населения и потребления энергии на душу населения следует оценить тенденции роста энергетических мощностей в мире и возможные климатические изменения, вызываемые этим ростом.

В настоящее время по уровню потребления энергии можно выделить три группы стран (табл. 10).

Как видим, в большинстве стран — низкий уровень потребления энергии. Но именно в них наиболее интенсивно растет население. В связи с этим проблема обеспечения продовольствием, водой, сырьем, промышленными и другими товарами будет зависеть от состояния топливно-энергетической базы.

Уже сейчас можно попытаться оценить влияние энергетических нагрузок на климат, считая, что большая часть произведенной энергии перейдет в тепло и будет выброшена либо целиком в атмосферу, либо частично в атмосферу, а частично в воды суши и океана.

Некоторые исследователи утверждают, что в ближайшие десятилетия будет достигнут тепловой барьер и климат резко потеплеет. Чтобы заметно повысить среднюю температуру атмосферы, и то в региональном масштабе, нужно затратить энергию не менее 300—500 ТВт. При этом тепловая нагрузка в среднем по полушарию составит не более 0,1 Вт/м^2 по сравнению с энергией в 350 Вт/м^2, приходящей на верхнюю границу атмосферы от Солнца. Если же равномерно распределить тепловую нагрузку в 100 ТВт по земному шару, то в среднем она составит всего 0,02 Вт/м^2, а при реальных тепловых нагрузках — тысячные доли. Из уравнения теплового баланса для сферы вытекает, что этот вклад пренебрежимо мал и практически не повлияет на среднюю глобальную температуру.

Таблица 10. Среднее потребление энергии в мире (на 1970 г.)

% к общему числу стран

Секторы экономики и потребляемая ими энергия

Среднее потребление энергии на душу населения

промышленность

транспорт

бытовые нужды + сельское хозяйство

%

кВт/чел

%

кВт/чел

%

кВт/чел

1. Высокий уровень потребления энергии, 7 кВт/чел

3

42

4,2

22

2,2

36

3,6

10,0

2. Средний уровень потребления энергии, 2-7 кВт/чел

22

56

2,5

14

0,6

30

1,3

4,4

3. Низкий уровень потребления энергии, менее 2 кВт/чел

75

47

0,5

29

0,3

24

0,25

1,05

Хорошо известно, что уже сейчас тепловые нагрузки концентрируются крайне неравномерно. Так, в Манхеттене (США) средние тепловые нагрузки достигли 150 Вт/м^2. В таких городах, как Будапешт и др., они составляют порядка 30—40 Вт/м^2. Это приводит к образованию островов тепла. Температура воздуха в центре на 3—4°, а в холодное полугодие на 5—6° С выше, чем в окружающих районах. Однако имеются уже целые районы, например территория Японии, Рурский регион, Восток США и др., где тепловые нагрузки составляют 5—6 Вт/м^2 на площади, размеры которой сопоставимы с масштабами синоптических возмущений.

При анализе климатообразующих факторов мы подчеркивали, что если для подогрева атмосферы необходимы колоссальные источники энергии в десятки и сотни ватт на квадратный метр над всей поверхностью планеты, то для генерации кинетической энергии и воздействия таким путем на динамический режим атмосферы (на ее циркуляцию) достаточно энергии в 2—3 Вт/м^2 на ограниченной территории, сопоставимой по площади с масштабами синоптических возмущений. В результате средняя глобальная температура не изменится, но может произойти перераспределение энергии вследствие изменения режима общей циркуляции атмосферы. Как уже говорилось, развитие энергетической базы идет именно по пути концентрации источников тепловых выбросов в ограниченных регионах.

Первые численные эксперименты с целью оценки влияния тепловых выбросов на погоду и климат были выполнены Д. Вашингтоном в США на базе модели общей циркуляции атмосферы Национального центра атмосферных исследований в Боулдери (Колорадо). Первоначально Д. Вашингтон равномерно распределил тепловую нагрузку, оценив ее в 24 Вт/м^2, по территории всей суши и районов, покрытых льдом[5]. При этом средняя глобальная поверхностная температура повысилась на 1—2°, а в районе Канады и некоторых других районах высоких широт даже на 8° С.

В дальнейших экспериментах, выполненных в разных странах, в том числе и в СССР, источники тепла распределялись в конкретных регионах. Например, общий выход энергии в 300 ТВт на площади около 400 тыс. км^2 в двух районах, к юго-западу от Ирландии и в районе Японии, изменил режим погоды на всей сфере. Средняя тепловая нагрузка при этом на указанной площади составляла 375 Вт/м^2. При уменьшении этой нагрузки вдвое (суммарная 150 ТВт) климатический эффект был меньше, но и он оказался существенным.

В численных экспериментах автора с моделью общей циркуляции ГГО тепловая нагрузка принималась на площади порядка 10^6 км^2 в районе Востока США в центре равной 300 Вт/м^2 с уменьшением к границам района до нуля. Средняя тепловая нагрузка для всего района при этом равнялась 100—150 Вт/м^2, а общая нагрузка порядка 125 ТВт. Результаты моделирования режима погоды за 50 сут., в течение которых удерживался заданный источник тепла, позволили сформулировать следующие выводы.

1. В районе тепловых выбросов появился мощный и непрерывно существующий остров тепла с температурой в центре на 12° С выше, чем за пределами района.

2. Изменение режима погоды при наличии тепловых выбросов по сравнению с ее режимом без теплового воздействия было весьма существенным в ряде районов Евроазиатского и других континентов, другими словами, эффекты воздействия через полтора месяца распространились практически по всему северному полушарию.

3. В тропической зоне сформировались новые области интенсивных ливневых осадков, которых не было в контрольном численном эксперименте без воздействия источников тепла.

4. Средняя глобальная температура за счет непосредственного теплового выброса при принятом источнике в 125 ТВт не должна была повыситься. Тем не менее по данным расчетов она несколько повысилась, что связано с увеличением тепличного эффекта, вызванного повышением содержания водяного пара. Это указывает на возможность появления вторичных эффектов и важность их учета.

Однако во всех этих экспериментах антропогенные тепловые выбросы завышались минимум на порядок. Принимаемые в моделях тепловые нагрузки могут быть достигнуты не ранее середины или конца следующего столетия. При возможных тепловых выбросах в ближайшее десятилетие, по-видимому, никаких глобальных изменений не произойдет, но региональные и локальные эффекты будут ощутимы. Наиболее реальным в перспективе представляется не потепление климата, а изменение циркуляционного режима атмосферы и увеличение повторяемости климатических аномалий.

Для оценки влияния развивающегося топливно-энергетического комплекса на подстилающую поверхность следует проанализировать характер добычи топлива.

В настоящее время уголь добывается вблизи поверхности, хотя данный способ не соответствует прогнозным оценкам запасов этого источника топлива.

При добыче 1 млн. т угля при глубине залегания пластов 1—2 м разрушается около 5 км^2 земель, а при глубине залегания 12 м — в 6—8 раз меньше. При глубине разработки 45—100 м на каждый миллион тонн угля разрушается всего около 0,1 км^2 земли. Подсчитано, что в США на 1965 г. открытые разработки занимали 124 тыс. км^2 плюс 1300 км^2, занятые под подъездные пути. При вероятном увеличении доли глубинных разработок угля со временем, очевидно, будет разрушаться меньше земель, чем сейчас.

Таким образом, развитие топливно-энергетического комплекса, по-видимому, будет связано с изъятием из обращения значительных площадей, изменением альбедо и свойств шероховатости нескольких сотен тысяч квадратных километров земель. Этот эффект следует рассматривать с учетом других путей антропогенного воздействия на подстилающую поверхность.

Вполне вероятно, что опасность загрязнения атмосферы существенно активизирует использование энергии Солнца и ветра. В настоящее время вся энергия, производимая в мире, составляет менее 1% генерируемой в атмосфере кинетической энергии и менее 1/10 000 части энергии, поступающей в атмосферу от Солнца. Если предположить, что в будущем 25% общего количества энергии будет производиться за счет Солнца, то при общем производстве энергии, скажем, в 100 ТВт доля солнечной энергии составит 25 ТВт, т. е. в 4 раза меньше поступающей к нам от Солнца. И тем не менее изъятие такого количества энергии из естественного цикла превращения энергии в атмосфере при определенных условиях может сказаться на климате, скорее всего в региональном масштабе. Этот вопрос необходимо исследовать с помощью методов математического моделирования.

Такова в общих чертах современная научная оценка возможных воздействий топливно-энергетического комплекса на погоду и климат.

Влияние антропогенного роста CO_2 на климат

Эта проблема в настоящее время — одна из центральных и наиболее важных при оценке естественного цикла CO_2 в системе океан—атмосфера—биосфера в условиях антропогенного воздействия.

В результате сжигания топлива в атмосферу ежегодно поступает около 5 млрд. т углерода. Чтобы изменить эту ситуацию, потребовалось бы коренным образом перестроить технологию использования энергетических мощностей и источников топлива, что, вероятно, трудно осуществить быстро и легко, поскольку проблема эта глобальная и связана со всей структурой мировой экономики. На углеродном цикле, помимо сжигания топлива, сказывается и воздействие человека на биосферу и океан. Все это серьезно усложняет проблему. К тому же еще не ясно, приведет ли увеличение CO_2 к неблагоприятным последствиям для человека.

Как говорилось, общие запасы топлива оцениваются около 1,3·10^13 т условного топлива (около (5—8)·10^12 т чистого С). При сжигании угля, нефти и газа на 10^12 Дж в атмосферу выделяется соответственно 87, 71 и 51 т CO_2.

Фактические данные указывают, что с начала индустриального развития общества, с 1860 по 1975 г. концентрация CO_2 увеличилась с 290 до 333 ppm, что в пересчете на углерод с 617,2 до 702,4 Гт[6]. При коэффициенте перехода от C к CO_2 3,664 это соответствует увеличению содержания CO_2 в атмосфере с 2440 до 2574 Гт (в дальнейшем мы будем оговаривать цифры, относящиеся к C или CO_2).

Всего за индустриальный период в атмосферу поступило свыше 240 Гт C (около 95 Гт за счет вырубки и сжигания лесов и 146 Гт непосредственно за счет сжигания ископаемого топлива). В то же время увеличение C в атмосфере оценивается в среднем порядка 85,2 Гт. Другими словами, менее половины CO_2, поступившего в атмосферу за счет сжигания топлива, оставалось в атмосфере. Оставшаяся часть поглощалась океаном и биосферой. Более подробно эта картина иллюстрируется табл. 11. Если в 1960 г. годовой выброс C за счет сжигания ископаемого топлива составил, по данным различных авторов, 2,61—2,67 Гт/год, то в 1975 г. уже 4,8—5,0 Гт/год. В 1960 г. на долю угля, нефти и газа соответственно приходилось 56,2; 31,4 и 10,8% поступающего в атмосферу C. В 1975 г. соотношение между этими источниками было иным и составило 37,7; 44,1; 16,2 %[7]. Однако приведенную динамику ни в коем случае нельзя экстраполировать на будущее, так как со временем особенно в конце текущего и в следующем столетии, роль угля вновь возрастет.

Таблица 11. Сопоставление между индустриальными выбросами CO_2 и его действительным увеличением в атмосфере

Годы

Индустриальный выброс CO_2, ppm

Увеличение CO_2 в атмосфере

Мауна-Лоа (Гавайские острова)

Южный полюс

Количество CO_2, остающееся в атмосфере, %

ст. Мауна-Лоа

ст. Южный полюс

1960

1,25

0,89

0,72

71

58

1961

1,24

0,68

0,65

55

52

1962

1,30

0,86

0,61

66

47

1963

1,37

0,46

0,61

34

45

1964

1,46

0,60

0,62

41

42

1965

1,52

0,62

0,67

41

44

1966

1,59

0,67

0,74

42

47

1967

1,63

0,78

0,84

48

52

1968

1,73

0,88

0,98

51

57

1969

1,82

1,89

1,13

104

62

1970

1,96

1,32

1,32

67

67

1971

2,02

1,04

—

51

—

Среднее 54% ± 15%

Рассматриваемая задача осложняется еще и тем, что имеются и другие источники антропогенного поступления CO_2 в атмосферу: сжигание лесов, промышленной древесины и ее отходов, культивация земель, минеральные источники и т.д. За счет этого поступает дополнительно от 2 до 5 Гт C в год, а в сумме поток антропогенного C в атмосферу дает 7—10 Гт C в год. Всего в атмосфере остается 25—30% антропогенного C, на долю же океана и биосферы приходится около 70%[8].

Существует еще один антропогенный источник C — биосферного происхождения (воздействие на почву, растительность и др.). До середины нашего столетия за счет этого источника С поступало больше, чем от сжигания ископаемого топлива. Позже рост CO_2 за счет сжигания ископаемого топлива стал преобладать. В настоящее время по данным радиоуглеродного анализа колец деревьев отношение C, поступившего за счет сжигания ископаемого топлива, к биосферному источнику антропогенного происхождения составляет 2:1.

Рис. 21. Результаты моделирования предполагаемого роста CO_2 с учетом антропогенных источников в системе атмосфера—биосфера—океан.

а — скорость выброса антропогенного C; б — содержание C в атмосфере без воздействия на леса; в — то же, при условии ежегодной вырубки 1 % южных лесов

Рис. 20. Интенсивность антропогенного роста CO_2 в атмосфере

Определить антропогенное влияние на общее содержание CO_2 в атмосфере невозможно, если не исследовать в целом естественный цикл C в системе океан—атмосфера—биосфера при наличии двух источников — сжигания ископаемого топлива и воздействия на биосферу.

Прежде всего нужно охарактеризовать динамику во времени антропогенного поступления CO_2 в атмосферу. Сделать это можно при знании роста добычи топлива, технологии очистки продуктов сжигания и процесса воздействия на биосферу, что само по себе пока еще не поддается точному прогнозу. Однако, принимая во внимание темпы роста населения и скорость роста добычи топлива, можно оценить роль антропогенных источников или, по крайней мере, диапазон изменений этих источников.

На рис. 20 приведен график, характеризующий скорость поступления CO_2 в атмосферу при различной интенсивности антропогенных источников. Расчеты показывают, что изменение темпов роста от 6,53 (R_0 = 0,0653) до 1,53% (R_0 = 0,0153) сдвигает время наступления максимальной концентрации с середины следующего столетия к середине XXIV в. Сжигание всего разведанного химического топлива привело бы к увеличению максимальной концентрации CO_2 в атмосфере, которая в 8—11 раз превысит концентрацию доиндустриального периода. Влияние океана и биосферы уменьшает эту концентрацию.

Определенное количество CO_2, которое будет оставаться в атмосфере, и динамика этого процесса могут быть оценены на основе результатов математического моделирования углеродного цикла, которое осуществляется с помощью так называемых блочных (линейных, нелинейных, комбинированных) математических моделей. Наиболее оптимальны 5—6-блочные модели с указанными выше двумя антропогенными источниками. Атмосферу в этих моделях чаще всего рассматривают как единый резервуар. В ряде современных моделей атмосферу подразделяют на два резервуара, два блока с различными свойствами — тропосферу и стратосферу. Для атмосферы характерно хранение C в виде различных соединений (главное CO_2).

Земная биосфера поглощает CO_2 в процессе синтеза и хранит C в стволах деревьев, почве, перегное, листве и др. В современных моделях биосферу подразделяют на короткоживущую биоту с характерным временем перемешивания около 2,5 лет (листья, трава и др.) и долгоживущую с характерным временем перемешивания порядка 60 лет. В биосфере содержится около 835 Гт C, хотя по различным оценкам данная цифра несколько колеблется. Около 90% C сосредоточено в лесах.

Роль океана в цикле CO_2, по мнению большинства исследователей, исключительна велика, поскольку он является основным источником C и хранителем излишков индустриального CO_2. Обычно океан разделяют на два слоя: верхний, хорошо перемешанный толщиной порядка 75 м (деятельный океан), в котором содержится 600—750 Гт C (т. е. примерно столько же, сколько и в атмосфере)[9], и глубинный, медленно перемешивающийся, в нем около 40 тыс. Гт C, т. е. примерно в 50 раз больше, чем в атмосфере и деятельном слое. Часть C глубинного океана находится в виде бикарбонатных ионов и около 1 тыс. Гт в виде растворенного органического вещества[10]. Общее содержание C в почве колеблется от 1 тыс. до 3 тыс. Гт. Это объясняется различными оценками содержания торфа.

Между атмосферой, биосферой и океаном существует непрерывный обмен CO_2, причем скорость его зависит от климатического режима. Так, скорость обмена CO_2 между атмосферой и деятельным слоем океана обусловлена температурой воды. В результате в высоких широтах поток CO_2 направлен в основном из атмосферы в океан, а в южных районах из океана в атмосферу. Наличие загрязняющих океан пленок нефти может уменьшить этот обмен.

Время полного обмена между глубинным океаном и его деятельным слоем порядка 300 лет, между деятельным слоем и глубинным океаном 4—6 лет. Между атмосферой и биосферой и биосферой и атмосферой время обмена соответственно 33 и 40 лет, а между атмосферой и деятельным океаном 5—6 лет[11].

Результаты математического моделирования углеродного цикла с моделями различной сложности зависят от типа и параметров модели, скоростей обмена и т.д. Однако общая качественная картина получается сходной. Результаты моделирования с одной из последних и наиболее полных моделей углеродного цикла, учитывающей влияние биосферы, иллюстрирует рис. 21. На рис. 21б, в приведены результаты моделирования при различных значениях параметра биологического роста (β), характеризующего скорость поглощения антропогенного CO_2 биосферой. Чем больше β, тем больше антропогенного CO_2 переходит в биосферу. После того как концентрация антропогенного C в атмосфере достигнет максимума, что происходит вслед за максимальным его выбросом, в атмосфере начинается спад концентрации. В пределе концентрация стремится к величине (порядка 10—20%), не намного больше имевшей место в доиндустриальный период в атмосфере. Однако максимальная концентрация C (CO_2) в атмосфере будет в 5,5—7 раз выше, чем в предындустриальный период.

Равновесие наступает в результате перекачки антропогенного C в океан и биосферу к концу XXIII в. При этом CO_2 увеличится в океане и во всех биосферных резервуарах (в рассматриваемой модели имелось 14 резервуаров, из них 8 биосферных). Основным поглотителем CO_2 является все же океан. При этом между 2060 и 2260 г. в глубинном океане CO_2 накапливается постоянно. Максимальная концентрация в глубинном океане и деятельном его слое достигает 41 021—42 456 Гт (в начальный период 38 420 Гт) в зависимости от β, т. е. от той доли антропогенного CO_2, которую берет на себя биосфера.

К 2000 г. масса C в атмосфере достигнет 798,1—892,2 Гт в зависимости от параметров модели. Увеличение по сравнению с 1960 г. составляет 21—30%, что, возможно, несколько завышено, поскольку на 1975 г. при некоторых параметрах модель дает завышенные значения CO_2 в атмосфере. Тем не менее к концу XX в. увеличение CO_2 в атмосфере на 20—25%, по-видимому, реально. Двойная концентрация CO_2 по данным этих экспериментов может быть достигнута в середине XXI в. или позже в зависимости от темпов антропогенного поступления CO_2.

Время достижения максимальной (от четырех- до семи-восьмикратной) концентрации при разных параметрах модели колеблется для атмосферы между 2135 и 2195 г., для глубинного океана — между 2285 и 2345 г., а для деятельного слоя океана — между 2155 и 2170 г.

Приведенные оценки относятся к числу наиболее реалистичных. Однако рассматривая влияние антропогенного роста CO_2 на климат, обратим внимание на дву-, трехкратное увеличение CO_2. Дело в том, что для биосферы и человека многократное увеличение CO_2 не представляет никакой опасности, а во многих отношениях, главным образом с точки зрения ускорения роста растений, оно даже выгодно. По существующим оценкам двукратное увеличение антропогенного CO_2 может вызвать рост деревьев в течение следующих 200 лет.

Полосы поглощения углекислым газом тепловой радиации обладают пределом возможного поглощения. В связи с этим тепличный эффект (подъем температуры в нижней тропосфере) по мере роста концентрации CO_2 после его двукратного увеличения замедляется и при возрастании концентрации более чем в 2—3 раза тепличный эффект проявляет себя примерно так же, как и при дву-, трехкратном увеличении CO_2. Поэтому влияние роста CO_2 обычно оценивают при дву-, трехкратном увеличении его в атмосфере, т. е. к середине или к концу следующего столетия (по мнению некоторых специалистов, для начала следующего столетия эта оценка явно завышена).

На рис. 22 приведены результаты численных экспериментов, выполненных в США. Как видим, рост концентрации CO_2 более чем в 2 раза меняет результаты, при четырехкратном увеличении эффект заметен, но далее он ослабевает.

Практически все численные эксперименты указывают на рост температуры в нижней тропосфере и охлаждение атмосферы в верхней тропосфере и стратосфере. Вследствие этого увеличиваются вертикальный температурный градиент, неустойчивость атмосферы, конвективные движения, облачность и осадки. В результате возникающей здесь обратной связи (увеличение альбедо и отраженной радиации) роль тепличного эффекта уменьшается. Подъем температуры в полярных районах может достигать 8—10° С (в средних и низких широтах 1—2° С).

По оценкам различных моделей средняя для полушария величина повышения температуры за счет тепличного эффекта от 0,7—0,8 до 9,6° С у поверхности. Наиболее реальны, по-видимому, оценки тепличного эффекта в среднем для полушария у поверхности в 2—2,5° С при двукратном увеличении CO_2.

Однако некоторые исследователи показали, что чистое увеличение температуры при удвоении концентрации CO_2 составляет всего 0,25° С. Остальной же рост температуры обязан побочному тепличному эффекту, связанному с повышением испарения и увеличением содержания в атмосфере водяного пара, который обладает сам тепличным эффектом.

Какие же последствия могут быть вызваны увеличением CO_2? Прежде всего — это возможное изменение режима осадков и испарения, потепление климата, наиболее сильное в высоких широтах, отступление снеговой линии, таяние ледников, нестабильность ледяного покрова, нарушение циркуляции атмосферы и океана, частые засухи.

На ряде отраслей народного хозяйства многие из этих изменений не обязательно скажутся отрицательно, для лесов и сельского хозяйства, наоборот, вероятен даже положительный эффект. Однако при потеплении климата и океана может увеличиваться поток CO_2 в атмосферу. В этом случае может усилиться тепличный эффект, растаят континентальные льды, повысится уровень океана, будут затоплены прибрежные районы и др. Так, Болин считает, что при потеплении климата уровень океана начнет повышаться на 1 мм в год (за 100 лет на 10 см). По данным Гриббина, повышение уровня океана вследствие таяния льда в Антарктике составит 5 м за 300 лет. Эти оценки слишком приближенные. Тем не менее в любом случае, если научные исследования подтвердят вероятность того, что воздействие на биосферу и сжигание ископаемого топлива представят серьезную угрозу окружающей среде и климату, перед человечеством возникнет ряд серьезных проблем. Главная из них — замена ископаемого топлива альтернативными энергетическими источниками. Среди них основное место будут занимать ядерная, солнечная и ветровая энергия, энергия океана, геотермальное тепло. Большинство из этих источников энергии зависит от климата.

Рис. 22. Результаты модельных расчетов по изменению температуры в атмосфере при двукратном (а) и четырехкратном (б) увеличении CO_2 в атмосфере

Имеются, однако, основания предполагать, что проблема CO_2 при всей ее важности может оказаться и преувеличенной, а скорее всего даже не единственной при рассмотрении тепличного эффекта. Действительно, за 100 лет, с 1860 по 1960 г., количество CO_2 в атмосфере возросло на 12—13%, но климат за это время не потеплел, а в последние десятилетия даже похолодал.

Помимо CO_2 и другие малые примеси, например фреоны (хладоны), обладают тепличным эффектом. Фреоны — одна из разновидностей фторхлоруглеродных соединений. Они поступают в атмосферу вследствие их применения в разного рода промышленных и бытовых установках (рефрижераторы, холодильники, системы кондиционирования воздуха и др.) и при производстве товаров широкого потребления (аэрозольные упаковки — распылители парфюмерных и косметических товаров, инсектицидных препаратов, лаков, красок и т. п.).

В настоящее время около 85—87% общего производства фреонов попадает в атмосферу. Поскольку время жизни Ф-11 и Ф-12 соответственно 50 и 70 лет, они накапливаются в атмосфере, и в этом их главная опасность. По имеющимся оценкам в атмосферу с 1958 по 1975 г. выброшено около 2,9·10^6 т Ф-11 и 4,4·10^6 т Ф-12. При этом доля США составила соответственно 42 и 50%, а доля СССР всего 13 и 4,8%.

Фреоны оказывают двоякое действие на атмосферу. С одной стороны, они разрушают озонный слой и вызывают вследствие этого неблагоприятные биологические эффекты, с другой — подобно CO_2 и некоторым другим малым примесям) (например, N_2O, СН_4, CCl_2F_2, NH_3, водяному пару и др.), обладают тепличным эффектом.

Таблица 12. Сравнение возможных изменений концентрации фреонов и CO_2 в будущем и связанные с этим изменения температуры у поверхности для двух вариантов будущего роста фреонов

Год

Концентрация фреонов в атмосфере при уровне производства на 1973 г.

Концентрация фреонов при росте производства 10% в год

Оценка эффекта CO_2, основанная на модели Манабе

Концентрация, ppm

Изменение t у поверхности, °С

Концентрация, ppm

Изменение t у поверхности, °С

Предполагаемая концентрация CO_2, ppm

Изменение t у поверхности, °С

Ф-11

Ф-12

Ф-11

Ф-12

1975

0,09

0,21

0,06

0,09

0,21

0,06

330

0,00

1980

0,15

0,29

0,09

0,17

0,32

0,09

340

0,10

1990

0,25

0,44

0,10

0,50

0,80

0,30

360

0,30

2000

0,32

0,58

0,20

1,40

2,1

0,70

390

0,50

Интенсивность полос поглощения инфракрасной радиации Ф-11 почти в 5 раз, а Ф-12 почти в 4 раз больше, чем интенсивность поглощения инфракрасной радиации группой полос CO_2. Только из-за малой концентрации фреонов по сравнению с CO_2 их эффект пока незаметен. На 1975 г. концентрация Ф-11 и Ф-12 в атмосфере составила соответственно 0,09 и 0,21 ppb (ppb — единица измерения, которая в 1000 раз меньше ppm). Расчеты показывают, что, если рост производства этих фреонов будет составлять соответственно 10 и 5% в год, через 100 лет их концентрация увеличится в 25441 и 310 раз. Если даже выпуск фреонов в атмосферу будет соответствовать нынешнему уровню, через 100 лет количество их в атмосфере возрастет в 120 раз. При сокращении выброса фреонов на 5% в год концентрация их через 100 лет увеличится всего в 2,2 раза.

Возможные изменения температуры при различных темпах роста фреонов, а также их сравнение с тепличным эффектом приведены в табл. 12.

Из данных таблицы, которые, безусловно, нуждаются в уточнениях, особенно в части поглощательных свойств фреонов, видно, что эффект влияния фреонов должен усиливать влияние тепличного эффекта за счет CO_2. Тот факт, что этого пока не наблюдается, объясняется как малой концентрацией этих газов, так и влиянием других малых примесей, которые оказывают эффект, обратный тепличному. Поэтому существует необходимость совокупной оценки влияния всех малых примесей, в том числе обладающих способностью поглощать не только инфракрасную, но и ультрафиолетовую радиацию и компенсировать влияние тепличного эффекта.

В первую очередь сюда следует отнести азотный цикл в атмосфере в связи со сжиганием топлива, ядерными взрывами, внесением азотных удобрений и др. Образующиеся азотные соединения играют важную роль в фотохимии озона и поглощении коротковолновой солнечной радиации. Далее идет серный цикл. Выбросы в атмосферу серных соединений в результате деятельности человека почти целиком представляют двуокись серы. S окисляется в H_2SO_4 и в конечном итоге переходит в аэрозоль. Последний влияет на климат главным образом через стратосферный мелкодисперсный аэрозоль, состоящий из соединений S. Кроме того, образующаяся при соединении двуокиси серы с водой H_2SO_4 попадает в облака и осадки, а через них в почву, окисляя ее, и в водоемы, влияя на рыбный промысел.

Все эти факты заслуживают самого внимательного анализа при оценке воздействия малых компонентов на климат и в целом на окружающую среду.

Влияние антропогенного аэрозоля на климат

В связи с расширением хозяйственной деятельности человека поступление в атмосферу аэрозоля антропогенного происхождения существенно возросло. Учитывая темпы роста энергетики, можно ожидать, что к 2025 г. в атмосферу за счет сжигания угля и нефти поступит 1361,7 млн. т окислов серы, причем основным вкладчиком будет уголь (принимая во внимание, что содержание серы в нефти для различных географических районов колеблется от 0,14 до 2,22%, а в угле — от 0,71 до 3,19%). Наблюдения показывают, что концентрация аэрозоля в урбанизированных районах мира в среднем около 100 мг/м^3. В 1960—1972 гг. в неурбанизированных районах средняя концентрация составляла около 20 мг/м^3.

Проблема атмосферного аэрозоля антропогенного происхождения исключительно актуальна. Прежде всего это связано с его вредным медико-биологическим воздействием на окружающую среду. Мы остановимся лишь на влиянии антропогенного аэрозоля на климат. В этой проблеме важное значение приобретают следующие вопросы:

закономерности распределения аэрозолей по вертикали во времени в различных географических районах в зависимости от мощности и характеристики источников аэрозоля;

горизонтальный дальний перенос аэрозоля;

трансформация и химические превращения аэрозоля в атмосфере;

механизмы прямого влияния аэрозоля на радиационный баланс коротковолновой и длинноволновой радиации в атмосфере и количественная оценка этих механизмов;

воздействие этих механизмов (при наличии других) на климат.

В тропосфере сосредоточена в основном крупнодисперсная фракция аэрозоля, которая вымывается осадками, быстро оседает и в среднем находится во взвешенном состоянии от нескольких дней до недель, максимум месяцев. В стратосфере преобладает мелкодисперсный аэрозоль. Вследствие большой устойчивости стратосферы он может сохраняться от нескольких месяцев до 1—2 лет.

Некоторые компоненты аэрозоля, такие, как S, могут, окисляясь, превращаться в CaSO_4, а затем, соединяясь с влагой, образовывать мелкодисперсный аэрозоль, состоящий из мельчайших капелек H_2SO_4. Именно стратосферный аэрозоль представляет наибольший интерес для оценки климатических изменений.

Известно, что над тропиками в стратосфере на высотах 15—20 км и несколько выше постоянно существует естественный аэрозольный слой со средним радиусом частиц порядка 0,3 мкм, состоящий в основном из соединений S. Источник естественного аэрозоля здесь — вулканическая деятельность.

Нормальный слой стратосферного аэрозоля составляет массу (Mc) порядка 0,2 млн. т. Количество же водяного пара в стратосфере оценивается в 2,6 млн. т, и этого количества вполне достаточно для поддержания реакции CaSO_4 с влагой.

В настоящее время массу аэрозоля (М) принято оценивать по уменьшению приходящей прямой коротковолновой солнечной радиации (ΔT, %): для тропосферы Mт = 5·ΔT млн. т; для стратосферы Mc = 1·1ΔT млн. т. Для нормального стратосферного слоя ΔT составляет примерно 0,2%. Эта величина была вычислена теоретически с допущением, что средний радиус частиц составит 0,3 мкм, и подтверждена экспериментально путем прямых измерений оптической прозрачности атмосферы во время извержения вулкана Агунг в 1963 г. и в предшествующий период.

В нормальном состоянии рассматриваемый слой не имеет сколько-нибудь существенного значения для климата. Для сравнения укажем, что в одном из самых чистых районов земного шара, на станции Мауна-Лоа на Гавайских островах, на высоте 3 км при ясном небе величина ΔT в 10 раз больше и составляет 2%, а масса всего аэрозоля порядка 10 млн. т. При крупных извержениях (например, вулкана Кракатау) ΔT достигает 20%. Общая масса вносимого в тропосферу аэрозоля (Мт) при этом оценивается в 100 млн. т, а в стратосферу (Мс) ~ 20 млн. т.

Мы отмечали, что в атмосферу попадает количество S, которое в пересчете на CaSO_4 дает величину, сопоставимую с самыми мощными вулканическими извержениями. В будущем же за счет сжигания топлива ожидается поступление CaSO_4, который на порядок может превышать эту величину (около 1360 млн. т/год). При этом не совсем ясно, какая часть вносимого аэрозоля будет мелкодисперсной фракцией, попадающей в стратосферу, и как долго она будет там находиться. Но даже если десятая часть приведенной величины превратится в мелкодисперсную фракцию стратосферного аэрозоля, его влияние будет сопоставимо с влиянием крупных вулканических извержений.

Каково же суммарное воздействие стратосферного аэрозоля? Это зависит от его поглощающих и рассеивающих свойств, которые не до конца изучены. Дело в том, что мелкодисперсный аэрозоль рассеивает коротковолновую радиацию и тем самым увеличивает альбедо атмосферы. Это приводит к эффекту охлаждения атмосферы. Многие исследователи объясняют прошлые похолодания климата стратосферным аэрозолем вулканических извержений. В то же время отмечено, что при извержении вулкана Агунг в 1963 г. температура стратосферы поднялась на 3°, что указывает на существенное поглощение радиации аэрозолем, а не только на ее рассеивание.

Высказывались предложения уменьшить приходящую солнечную радиацию, внося в стратосферу S и сжигая ее там. По мнению авторов такого проекта, для того чтобы изменить ΔT на 1% (суммарная радиация при этом изменится примерно на 0,3%), необходимо образовать в стратосфере 0,6 млн. т аэрозоля (капель H_2SO_4) в расчете на одно северное полушарие. При этом в стратосфере должно быть около 0,4 млн. т H_2S, количество которого должно быть обеспечено путем; сжигания 0,2 млн. т S. Считая, что во взвешенном состоянии аэрозоль пребывает около двух лет, а не один год, нужно сжечь около 0,1 млн. т за год, что фактически возможно. (Однако имеются теоретические расчеты, показывающие, что количество потребной для достижения такого эффекта S занижено примерно на порядок.) Но вряд ли в этом есть и будет необходимость, поскольку и без того поступление аэрозоля в стратосферу превысит указанную величину.

В одной из последних работ американского климатолога Брайсона и др. на основе численных экспериментов с одной из разновидностей теплобалансовой модели показано, что одновременный учет роста CO_2 и увеличения аэрозоля дает суммарный эффект уменьшения средней температуры атмосферы. В этом случае тепличный эффект CO_2 перекрывается обратным воздействием аэрозоля.

В то же время имеются и другие оценки. Так, по данным английского климатолога Мейсена, расчеты, произведенные с наиболее современной 13-уровенной моделью, включающей тропосферу и стратосферу, привели к противоположным результатам. Включение стратосферного слоя пыли, достаточного для задержания 4% приходящей солнечной радиации, дало локальное потепление в стратосфере до 10° С вследствие поглощения радиации пылью. Но на уровне Земли заметного эффекта не наблюдалось. Автор считает, что на основании этого вряд ли можно утверждать, что более холодные эпохи климата в прошлом были вызваны извержениями вулканов. По-видимому, и роль аэрозоля в будущем не совсем ясна.

Так или иначе, но аэрозольный эффект не может рассматриваться изолированно от других факторов, влияющих на климат. Нельзя, в частности, не указать, что аэрозоль в тропосфере может влиять на микроструктуру облачности и осадки. Через облачность возможно изменение условий прохождения радиации в атмосфере и климата.

В стратосфере и особенно в верхней тропосфере (вблизи тропопаузы) за счет полетов самолетов увеличивается количество водяного пара. Так, при сжигании 1 кг топлива образуется около 1,2—1,4 кг водяного пара. При использовании водородного топлива на каждый килограмм сгораемого топлива будет образовываться около 8 кг водяного пара. При ожидаемом увеличении полетов самолетов к 2000 г. количество дополнительно вводимой влаги в стратосфере составит около 0,26 млн. т, т. е. около 10% количества влаги в стратосфере. Вносимая влага становится ядрами конденсации, на которые «перекачивается» вследствие разностей упругостей насыщения водяного пара надо льдом и водой влага из атмосферы. При определенных благоприятных условиях образуется перистая облачность (ее аналог — облачные следы за самолетами).

Таким образом, облачный аэрозоль антропогенного происхождения может воздействовать если не на глобальный, то на региональный климат. Так или иначе, проблема аэрозоля, и в особенности антропогенного, — одна из ключевых в современной теории климата.

Воздействие на подстилающую поверхность и климат

Человечество уже давно начало воздействовать на подстилающую поверхность, существенно меняя ее альбедо. Начался этот процесс на заре человеческой цивилизации. Первоначально он проявлялся в вырубке и выжигании лесов для высвобождения земли под пахоту и угодья. Так, площадь культивированных земель возросла с 500 млн. га (5·10^6 км^2) в 1860 г. до 1,37 млрд. га (13,7·10^6 км^2) в 1970 г.

Как следует из табл. 6, предполагаемая площадь потенциального сельскохозяйственного производства без использования ирригации составляет 17 млн. км^2, к этому следует добавить около 4,7 млн. км^2 потенциально орошаемых земель. Предполагаемый рост населения приведет, таким образом, к освоению около 22 млн. км^2 земель под сельскохозяйственные угодья. Альбедо этих территорий существенно изменится.

Разрушительные операции в лесу, оголение достаточно больших площадей меняют энергетический, водный и биохимический циклы. Ликвидация лесного покрова и оголение почв ведут к осушению атмосферы. Уже в ближайшие 20—30 лет использование земли в тропиках коснется территории примерно (1,2—1,5)·10^9 га, или около 12—15 млн. км^2.

Теоретические расчеты показывают, что при полной ликвидации лесного покрова на земном шаре среднее годовое альбедо повысилось бы примерно на 0,6%. В случае уничтожения лесов параметр шероховатости уменьшился бы с 14,9 до 3 см. Это изменило бы поверхностное торможение, уменьшило угол отклонения ветра от изобар, что повлияло бы на поле давления, вертикальные токи и общую циркуляцию атмосферы в целом.

Большое влияние на альбедо и шероховатость оказывает строительство водохранилищ, городов, дорог, развитие энергетического комплекса и т.д. Пожалуй, единственный способ оценить возможное влияние на климат воздействия на подстилающую поверхность — это численные эксперименты с моделями общей циркуляции атмосферы и климата. Результаты их, в частности, показали, что пустыни, расположенные в основном в субтропической зоне, имеют очень высокое альбедо — около 35%. По этой причине они отражают большее количество коротковолновой солнечной радиации, чем окружающие районы. Кроме того, поскольку пустыни сильно нагреты, они теряют уходящую длинноволновую радиацию, которая из-за незначительного содержания водяного пара мало задерживается атмосферой. По этой же причине пустыни типа Сахары, Гоби и др. являются такими же зонами потери энергии, как и полярные районы. Данная особенность пустынь, четко зафиксированная с метеорологических спутников, приводит либо к ослаблению возникающих под влиянием каких-то других причин восходящих движений, либо к формированию нисходящих вертикальных движений и еще большему удалению воздуха от состояния насыщения. Из этого следует, что с уничтожением растительности в прилегающих к пустыням районах увеличится альбедо и они приблизятся к пустынным (такой же качественный эффект дает и уничтожение тропических лесов). Далее начинает действовать механизм «иссушения» за счет нисходящих вертикальных движений. Перенаселение указанных зон, чрезмерное использование пастбищ и обработка земли также могут изменить альбедо, режим осадков. В связи с этим сейчас подвергаются переоценке причины гибели цивилизации в некоторых районах Африки и других аридных зонах около 4 тыс. лет назад. Предполагается, что этот процесс уже тогда был связан с человеческой деятельностью.

Так выглядит картина качественно. Количественный эксперимент был проделан для объяснения конкретной засухи в Сахели. Благодаря осадкам, выпадающим во внутритропической зоне конвергенции, этот район Африки относится к числу плодородных. Северная граница зоны конвергенции располагается вблизи 18° с. ш. летом и 10° с. ш. зимой, зоны песков на 32° с. ш. Таким образом, пояс песков лежит между 18° и 32° с. ш. летом и 10°—32° с. ш. зимой. В зоне 10—18° с. ш. растительность зимой обычно сохраняется. Достаточно зоне конвергенции сместиться на несколько градусов широты к югу, как северная часть этого района оказывается в условиях жесточайшей засухи.

За последние несколько тысяч лет смена влажных и сухих периодов происходила здесь с периодичностью 700—800 лет. В последние несколько столетий засухи в Сахели повторялись в среднем один раз в 30 лет. Однако в конце 60-х — начале 70-х годов засухи в Сахели следовали несколько лет подряд. Сахельская засуха представляет яркий пример катастрофического изменения климатических условий крупного района.

Основываясь на приведенном выше качественном механизме, американский ученый Чарни высказал гипотезу, что исчезновение растительности в результате хозяйственной деятельности, в частности вытаптывание ее при выпасе скота, вблизи 18° с. ш. и несколько севернее могло привести к увеличению здесь альбедо и развитию нисходящих вертикальных движений, препятствующих реализации конвективных, а тем более фронтальных осадков.

Численный эксперимент с простейшей моделью показал, что изменение альбедо с 14 до 35% севернее 18° с. ш. действительно привело к формированию в зоне 10°—18° с. ш. нисходящих вертикальных движений. Эксперимент с полной моделью общей циркуляции атмосферы показал также, что в июле-августе количество осадков вблизи и севернее 18° с. ш. при названном выше изменении альбедо уменьшилось почти вдвое. Самое существенное заключалось в том, что область максимальных ливневых осадков, связанная с внутритропической зоной конвергенции, сместилась к югу и расположилась примерно в зоне 10°—18° с. ш., в то время как при альбедо, равном 14%, оно располагалось в зоне 10°—26° с. ш. Активная же зона дождей при увеличении альбедо сместилась к югу на 4—6° широты, что действительно наблюдалось в период сахельских засух и характерно для климата этого района последних лет.

Можно привести и другие примеры. Так, выполненные автором совместно с Л. К. Ефимовой численные эксперименты показали, что увлажнение пустынных районов за счет искусственного орошения приведет к обратной картине — уменьшится альбедо и увеличится интенсивность восходящих вертикальных движений. В результате климатические условия станут благоприятнее и пустыни отступят.

Подобные же эксперименты были проведены в Англии. Выводы согласуются с приведенными выше: если данный район сделать влажным, то в нем создаются условия для дальнейшего поддержания такого состояния.

Приведенные примеры воздействия на подстилающую поверхность не единственные. Обсуждается проблема образования нефтяных пленок на поверхности океана и их влияние на испарение влаги и климат.

Общее производство нефти в мире составляет 2,5—3 млрд. т, что равносильно объему 4—5 км^3. Объем же океана 1,4 млрд. км^3, так что при хорошем перемешивании небольшой объем нефти, пролитой в океане, должен бы раствориться в нем. Площадь океана около 370 млн. км^2, поэтому потребовался бы годовой объем производства нефти, чтобы покрыть океан пленкой толщиной в 1 мм. При реальной утечке нефти около 0,1 %, или 2,5—3 млн. т в год, пленка может образоваться лишь на ограниченной территории.

Эксперименты показали, что 10—20 % разлитой нефти перемешиваются с более глубинными слоями за 24 часа, а нефтяные пятна в плохую погоду исчезают в течение нескольких суток. Несомненно, биологическое и экологическое воздействие разлитой нефти в океане крайне неблагоприятно. Что касается климатических эффектов, то они, по-видимому, не так велики, как казалось, и будут носить региональный характер.

В настоящее время рассматривается проблема влияния на альбедо льда разлитой по его поверхности нефти. Это очень важный вопрос, поскольку устойчивое изменение альбедо льда в летние месяцы способствует уменьшению равновесной толщины льда до 60%. Нефть же, пролитая надо льдом, несомненно, меняет его альбедо. Кроме того, она легко диффундирует в ледяном покрове и долго в нем сохраняется.

В данном разделе дается лишь самое общее представление о результатах воздействия на климат деятельности человека. Тем не менее и приведенных примеров достаточно, чтобы подчеркнуть важность этой проблемы.

Литература

Арге Р. К. Климат и экономическая деятельность. — В кн.: Всемир. конф. по климату. Женева: ВМО, 1979, с. 385—406.

Баумгартнер А. Изменчивость климата и лесное хозяйство. — В кн.: Всемир. конф. по климату. Женева: ВМО, 1979, с. 345—353.

Борисенков Е. П. О климате и задачах ПИГАП — климат. — Метеорология и гидрология, 1975, № 1, с. 3—15.

Борисенков Е. П. Климат и его изменения. — Новое в жизни науки и техники. Сер. Физика, 1976. № 6. 64 с.

Борисенков Е. П. Изучение климата и его прикладные аспекты. — Метеорология и гидрология, 1981, № 6, с. 32—48.

Борисенков Е. П., Пасецкий В. М. Рокот забытых бурь. — Наука и жизнь, 1981, № 10, с. 97—103.

Всемирная конференция по климату: Конф. экспертов «Климат и человечество». Женева: ВМО, 1979, 406 с.

Декларация Всемирной конференции по климату. — Метеорология и гидрология, 1979, № 7, с. 8—11.

Естественные и антропогенные изменения климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 147 с. (Тр. ГГО; Вып. 438).

Заварина М. Ф. Строительная климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 312 с.

Израэль Ю. А., Седунов Ю. С. Всемирная конференция по климату. — Метеорология и гидрология, 1979, № 7, с. 5—7.

Кайрюкштис Л. А. Дендрохронология на службе индикации фоновой изменчивости климата в СССР: Докл. на сов.-амер. симпоз. «Влияние солнечной активности на климат». Каунас: Изд-во АН ЛитССР, 1981. 101 с.

Копанев И. Д. Климатология — народному хозяйству. — В кн.: Современные фундаментальные и прикладные исследования Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова: Юбил. сб. Л.: Гидрометеоиздат, 1977, с. 134—141.

Кушниг Д. К. Изменение климата и морское рыболовство — В кн.: Всемир. конф. по климату. Женева: ВМО, 1979, с. 354—368.

Мокквиг Д. Д. Климатическая изменчивость и сельское хозяйство в районах умеренного климата. — В кн.: Всемир. конф. по климату. Женева: ВМО, 1979, с. 273—284.

Монин А. С. Вращение Земли и климат. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 112 с.

Монин А. С., Шишков Ю. А. История климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 407 с.

Непреднамеренное воздействие на климат: Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 260 с.

Сваминоткоп М. С. Глобальные аспекты производства продовольствия. — В кн.: Всемир. конф. по климату. Женева: ВМО, 1979, с. 242—272.

Уэлкоим Р. Л. Влияние климатических изменений на рыболовство во внутренних водах. — В кн.: Всемир. конф. по климату. Женева: ВМО, 1979, с. 362—369.

Федоров Е. К. Изменения климата и стратегия человечества. — Метеорология и гидрология, 1979, № 7, с. 12—24.

Физические основы теории климата и его моделирования: Тр. Междунар. науч. конф. ВМО—МСНС—ЮНЕП, Стокгольм, 29 июня — 10 августа 1974 г. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 269 с.

Физические основы климата и его изменений: Национальная программа СССР ПИГАП — климат. М.: Сов. комис. ПИГАП Междувед. геофиз. ком. при Президиуме АН СССР, 1977. 147 с.

Шараф Ш. Г., Будникова Н. А. О вековых изменениях орбиты Земли, влияющих на климаты геологического прошлого. — Бюл. Ин-та теорет. астрономии АН СССР, 1967, т. 11, № 4, с. 231—261.

A new sun: The solar results from Skylab / Ed. Eddy J. A. Wash. D. C.: NASA, 1979. 198 p.

Abstracts of International Conference on Climate History, 1979, July 8—14. Norwich, 1979.

Ambio. 1974, vol. 3, N 3/4. 120 p.

Borisenkov E. P., Paseisky V. M. Extreme meteorological phenomena according to Russian historical sources of the 10th to 19th centuries. — In: Abstr. of Intern. Conf. on Climate and History, 1979, July 8—14. Vorwich, 1979, p. 11—12.

Borisenkov E. P., Tsvetkov A. V., Agaponov S. V. On some peculiarities of insolation changes in past and future: Prepr. for Symp. of IAMAP. Hamburg, 1981. Aug. 13 p.

Bryson R. A., Ross I. E. Climatic variation and implications for food production. — World Develop., 1977, vol. 5, N 5—7, p. 507—518.

Climate, climatic change and water supply / Nat. Acad. Sci., Panel on Water and Climate. Wash. D. C., 1977. 132 p.

Climatic change to the year 2000: A survey of expert opinion. Wash. D. C., 1978, Febr. 109 p.

Crop yields and climate change: the year 2000: Progress Rep. Fort Lesley, J. M. NAIR. Wash. D. C., 1978, Aug. 55 p.

Energy and Climate / Nat. Acad. Sci. Wash. D. C., 1977: 158 p.

Flohn N. History and intransitivity of climate. — GARP Publications Ser., 1975, N 16, p. 106-118.

Gates W. L. Modeling the ice — age climate. — Science, 1976, March, vol. 191, p. 1131—1144.

Haflle W. et al. Second Status Report of the NASA Project on Energy Systems, 1975: Res. Rep. R. R. — 76—1 / Intern. Inst, for Applied Systems Analysis. Laxenburg, Austria, 1976. 249 p.

Herman J. R., Goldberg R. A. Sun, Weather and Climate. Wash. D. C.: NASA, 1978, SP—246. 360 p.

Imbrie J., Imbrie J. Z. Modeling the climatic response to orbital variations. — Science, 1980, Febr., vol. 207, N 4434.

Kellog W. Effects of human activites on global climate. — Technical Note WMO, 1977, N 486. 47 p.

Kukla G. J., Angell J. K., Namias J. et al. New data on climatic trends. — Nature, 1977, vol. 270, p. 573—580.

Lamb H. H. Climate: present, past and future. L.: Methuen, 1972, Vol. 1; 1977. Vol. 2. 348 p.

Lamb H. H. The development of climate, man’s history and future. Norwich: Univ. of East Anglia, 1975. 33 p.

Landsberg H. E. Past climates from unexploited written sources. — J. Interdiscipl. History, 1981, p. 631—642.

Mitchell J. M. History and mechanics of climate. B. etc.: Spring.—Verl., 1980.

National Climate Program: Five—Year Plan. 1980, July. Wash., 96 p.

The surface of the ice — ago earth. — Science, 1976, vol. 191, N 4232, p. 1131—1137.

Stuiver М., Quay P. D. Changes in atmospheric carbon-44-atributed to a variable sun. — Science, 1980, jan., vol. 207. p. 11—19.

Wilson R. C., Gulkis S., Janssen M. et al. Observations of solar irradiance variability. — Science, 1981, Febr., vol. 211, p. 700—702.

World Climate Conference. A Conference of Experts on Climate and Mankind: Declaration and supporting documents. Geneva, 1979, Febr, 50 p.

Примечания

1

Более детальный анализ орбитальных факторов приведет к выявлению более коротких периодов.

2

Более подробный анализ показывает, что в 1612 г. солнечных пятен было около 50, затем был пропуск в наблюдениях до 1642 г. с эпизодическими наблюдениями около 1625 г.

3

Подводные террасы на шельфе до сих пор являются живыми свидетелями границ суши и океана в период ледниковой эпохи.

4

Эта норма соответствует уровню расхода воды на промышленные цели в одной из развитых стран мира — Швеции.

5

Это соответствует суммарной тепловой нагрузке в 3—4 тыс. ТВт, что слишком далеко от реальности.

6

ppm (parts per million) — объемная концентрация содержания углекислого газа. Для всей массы атмосферы в среднем 1 Гт (10^9 т) эквивалентна 0,4698 ppm.

7

1,6% в 1960 г. и 2,1% в 1975 г. приходится на цементную промышленность.

8

Реками в океан выносится 0,368 Гт C, из них 0,205 Гт попадает в реки из атмосферы.

9

Встречаются и другие оценки содержания C в деятельном слое океана — в 2—3 раза выше приведенных, при этом глубина деятельного слоя принимается не 75, а 250—300 м.

10

В неорганических осадочных месторождениях и органических осадочных отложениях Земли содержится соответственно 3·10^7 и 0,66·10^7 Гт C. Он находится в связанном состоянии и не участвует в углеродном цикле рассматриваемых масштабов времени.

11

Временем полного обмена считается время, которое потребовалось бы для перехода всего C из одного резервуара в другой.

Content

Е. П. Борисенков
Климат и деятельность человека

От автора

Введение

История климата Земли

Естественные факторы изменения климата

Климат и хозяйственная деятельность

Антропогенное воздействие на климат

Литература

Примечания