Причины глобального потепления. 3

Климатологи из крупнейших мировых  исследовательских центров, собрав доступные архивы метеоданных из разных уголков земного шара, обработали их и привели по возможности к единой шкале. Получилось четыре ряда глобальных температур, начинающихся со второй половины XIX века. На них видны два отчетливых эпизода глобального потепления. Один из них приходится на период с 1910 по 1940 год. За это время средняя температура на Земле выросла на 0,3— 0,4°C. Затем в течение 30 лет температура не росла и, возможно, даже немного снизилась. А с 1970 года начался новый эпизод потепления, который продолжается до сих пор. За это время температура повысилась еще на 0,6— 0,8°C. Таким образом, в целом за XX век средняя глобальная температура приземного воздуха на Земле выросла примерно на один градус. Это довольно много, поскольку даже при выходе из ледникового периода потепление обычно составляет всего 4—5°C.

Климатические системы изменяются как в результате естественных внутренних процессов, так и в ответ на внешние воздействия, как антропогенные, так и не антропогенные. Среди основных внешних воздействий выделяют:

• Вариации радиуса и вытянутости земной орбиты. Расстояние от Земли до Солнца изменяется не только на масштабах времен порядка 100 миллионов лет, но и с периодом около 20 тысяч лет. При этом уровень летней инсоляции полушарий регулярно варьируется почти на 10% из-за удаления от Солнца. 
• Колебания наклона земной оси. Наклон земной оси к плоскости орбиты составляет 23,5° и испытывает колебания величиной 1° за десятки и сотни тысяч лет. Эти изменения влияют на температурный контраст между высокими и низкими широтами. 
• Флуктуации интенсивности космических лучей. Космические лучи ионизируют атомы в атмосфере Земли. Ионы служат центрами конденсации водяного пара и способствуют образованию облаков, что повышает альбедо Земли. Интенсивность космических лучей меняется при движении Солнечной системы по Галактике. 
• Изменение светимости Солнца. Сейчас количество энергии, поступающей от Солнца, колеблется очень незначительно (примерно на 0,1%). Между тем нельзя исключить более значительных колебаний на длительных отрезках времени. 
• Переполюсовка земного магнитного поля. Характерный масштаб — порядка четверти миллиона лет. Правда, последняя переполюсовка произошла 780 тысяч лет назад. В момент смены полярности атмосфера в меньшей мере защищена от действия солнечного ветра и космических лучей. 
• Парниковые газы в атмосфере. Удерживают инфракрасное излучение Земли, препятствуя его уходу в космос. 
• Изменения ландшафтов. От характера земной поверхности и растительности на ней зависит количество рассеиваемого излучения и в конечном счете альбедо Земли. В частности, существенное влияние на ландшафт оказывают сельское хозяйство и урбанизация. 
• Падения астероидов, крупные вулканические извержения, ядерные взрывы на поверхности Земли. Выброс аэрозолей в стратосферу уменьшает количество солнечной энергии, поступающей на Землю, а пыль в тропосфере увеличивает облачность — так называемый эффект «ядерной зимы». Продолжительность — от нескольких месяцев до десятков лет.

2.1. Выбросы парниковых газов

Рисунок 1. Выделение углерода в атмосферу в результате деятельности человека с 1800 года по 2007 в миллиардах тонн.

Парниковый эффект был обнаружен Жозефом Фурье в 1824 году и впервые был количественно исследован Сванте Аррениусом в 1896. Это процесс, при котором поглощение и испускание инфракрасного излучения атмосферными газами вызывает нагрев атмосферы и поверхности планеты.

На Земле основными парниковыми газами являются: водяной пар (ответственен примерно за 36-70 % парникового эффекта, без учёта облаков), углекислый газ (CO₂) (9-26 %), метан (CH₄) (4-9 %) и озон (3-7 %). Атмосферные концентрации CO₂ и CH₄ увеличились на 31 % и 149 % соответственно по сравнению с началом промышленной революции в середине XVIII века. Согласно отдельным исследованиям, такие уровни концентрации достигнуты впервые за последние 650 тысяч лет — период, для которого были получены достоверные данные из образцов полярного льда.

Около половины всех парниковых газов, получаемых в ходе хозяйственной деятельности человечества, остаются в атмосфере. Около трёх четвертей всех антропогенных выбросов парниковых газов за последние 20 лет стали результатом добычи и сжигания нефти, природного газа и угля. Казалось бы, нет ничего более естественного, чем увязать глобальное потепление с ростом концентрации углекислого газа в атмосфере, а этот рост — со сжиганием ископаемого топлива. При таком объяснении звенья выстраиваются в одну цепь, да еще и сразу становится понятно, что надо делать — сокращать выбросы CO₂, а значит, отказываться от использования угля, нефти и газа.

Рисунок 2. Выбросы парниковых газов странами, наиболее активно сжигающими нефть, 2000 году.

При торговле квотами на выброс парниковых газов цена за тонну СО₂ составляет от 10 до 20 евро. При сжигании угля, нефти и газа в атмосферу сегодня выбрасывается около 20 млрд. тонн углекислого газа в год

Именно этого и требует Киотский протокол, подписанный в 1997 году. Но если при его подготовке ситуация казалась вполне ясной, то к моменту  вступления его в силу, в 2005 году, сомнения в научной обоснованности предлагаемых в нем мер стали  общим местом в высказываниях  климатологов. Оказывается, пока нельзя уверенно утверждать, что наблюдаемые  изменения действительно связаны  с деятельностью человека. Вполне возможно, что, принимая на себя вину за глобальное потепление, правительства  вместо поиска истины идут по пути самооговора, к которому их активно склоняют экологи. Люди, не имея достоверных данных о  том, что повышение уровня CO₂ в атмосфере носит техногенный характер, тем не менее, готовы принять на себя весьма обременительные обязательства по сокращению его выбросов.

Большая часть остальных выбросов вызвана изменениями ландшафта, в первую очередь вырубкой лесов. В пользу теории антропогенного вклада в современное изменение климата в результате выделения парниковых газов могут свидетельствовать и те факты, что наблюдаемое потепление приводит, прежде всего, к увеличению средних температур в высоких (приполярных) широтах, к повышению средних температур в зимний период в средних широтах и к уменьшению ночного выхолаживания. А также является фактом то, что быстрое нагревание слоёв тропосферы происходит на фоне не очень быстрого охлаждения слоёв стратосферы.

Результаты последних исследований подкрепляют теорию о том, что  причиной глобального потепления является человеческая деятельность. Исследование с участием ученых из Шотландии, Канады и Австралии показало, что вероятность  естественных, а не антропогенных  причин изменения климата на планете  составляет не более 5 %.

Согласно тому же исследованию, с 1980 года средняя температура воздуха  на планете поднялась на 0.5 градуса  по Цельсию, и Земля продолжает нагреваться  примерно на 0.16 градуса за десятилетие.

2.2. Изменение солнечной активности.

Были предложены разнообразные гипотезы, объясняющие изменения температуры Земли соответствующими изменениями солнечной активности.

В третьем отчёте МГЭИК утверждается, что солнечная и вулканическая  активность может объяснить половину температурных изменений до 1950 года, но их общий эффект после этого  был примерно равен нулю. В частности, влияние парникового эффекта  с 1750 года, по оценке МГЭИК, в 8 раз выше влияния изменения солнечной  активности.

Более поздние работы уточняли оценки влияния солнечной активности на потепление после 1950. Тем не менее, выводы остались примерно теми же: «Лучшие  оценки вклада солнечной активности в потепление лежат в пределах от 16 % до 36 % вклада парникового эффекта»¹.

Однако, существует ряд работ, предполагающих существование механизмов, усиливающих  эффект солнечной активности, которые  не учитываются в современных  моделях, или что важность солнечной  активности в сравнении с другими  факторами недооценивается. Такие  утверждения оспариваются, но являются активным направлением исследований. Выводы, которые будут получены в  результате этой дискуссии, могут сыграть  ключевую роль в вопросе о том, в какой степени человечество ответственно за изменение климата, и в какой — естественные факторы.

Есть множество иных объяснений возможного текущего повышения средней  температуры земной поверхности, без  привлечения роли промышленных парниковых газов, в том числе:

• Наблюдаемое потепление находится в пределах естественной изменчивости климата и не нуждается в отдельном объяснении
• Потепление является результатом выхода из холодного Малого ледникового периода
• Потепление наблюдается слишком непродолжительное время, поэтому нельзя достаточно уверенно сказать, происходит ли оно вообще.

Следует учитывать, что кроме влияния  антропогенных факторов, климат на нашей планете, безусловно, зависит от многих процессов, происходящих в системе Земля — Солнце — Космос. Кроме случайных, но многократных за историю Земли и катастрофических по своим последствиям столкновений с крупными астероидами и кометами, земная атмосфера испытывает и периодически повторяющиеся воздействия планетарного и космического происхождения. Можно выделить четыре группы таких циклов.

 «Сверхдлинные» — по 150−300 миллионов лет — характеризуются самыми значительными изменениями климата на Земле. Они, вероятнее всего, связаны с периодом обращения Солнца вокруг центра масс нашей Галактики и прохождениями Солнечной системы через области Млечного пути с различной плотностью газо-пылевого вещества, которое в зависимости от своего состава, может как экранировать излучение Солнца, так и усиливать на нём интенсивность термоядерных реакций.

«Длинные» циклы, связанные с тектоникой литосферных плит и интенсивностью вулканической деятельности. Они надёжно установлены в палеогеологической летописи, но нерегулярны по периоду и длятся от нескольких до десятков миллионов лет.

«Короткие» периоды, так называемые «Циклы Миланковича», продолжительностью 93 000, 41 000 и 25 750 лет, вызванные периодическими колебаниями перигелия² земной орбиты и ориентации оси вращения Земли, определяемой явлениями нутации и прецессии³. Из этих двух астрономических явлений на общую инсоляцию поверхности в первую очередь влияет периодическое изменение величины угла наклона оси вращения Земли к плоскости её орбиты, то есть нутация.

И, наконец, последняя категория, условно  называется «ультракороткими» периодами. Они связаны с ритмами солнечной активности, среди которых предполагается наличие периодов продолжительностью 6000, 2300, 210 и 87 лет, кроме, безусловно существующих 22-х и 11-ти летних циклов активности Солнца.

Суперпозиция различных по своей природе и по продолжительности периодов изменения интенсивности солнечной радиации, достигающей нашей планеты, в сочетании с тепловой инерцией океанов, движением материков, вулканической активностью, а возможно, и влиянием обратных реакций всей земной биосферы, как целого, — и определяет среднюю температуру земной поверхности и распределение климатических зон в различные геологические эпохи. Этот сложный комплекс множества знакопеременных геофизических и космических факторов воздействия на земной климат, может, по мнению некоторых, обуславливать и наблюдаемое в наше время потепление. Человек в настоящее время не в силах влиять на процессы таких масштабов.

Глобальное потепление вовсе не означает потепление везде и в любое время. В частности, в какой-либо местности может увеличиться средняя температура лета и уменьшиться средняя температура зимы, то есть климат станет более континентальным. Глобальное потепление можно выявить, только усреднив температуру по всем географическим локациям и всем сезонам.

Согласно одной из гипотез, глобальное потепление приведёт к остановке  или серьёзному ослаблению Гольфстрима⁴. Это вызовет существенное падение средней температуры в Европе (при этом температура в других регионах повысится, но не обязательно во всех), так как Гольфстрим прогревает континент за счёт переноса тёплой воды из тропиков.

Согласно гипотезе климатологов М. Юинга и У. Донна, в криоэре существует колебательный процесс, в котором оледенение (ледниковый период) порождается потеплением климата, а дегляциация (выход из ледникового периода) — похолоданием. Это связанно с тем, что в Кайнозое, являющемся криоэрой, при оттаивании ледяных полярных шапок увеличивается количество осадков в высоких широтах, что зимой приводит к локальному повышению альбедо. В дальнейшем происходит снижение температуры глубинных районов континентов северного полушария с последующим образованием ледников. При замерзании ледяных полярных шапок ледники в глубинных районах континентов северного полушария, не получая достаточно подпитки в виде осадков, начинают оттаивать.

4. Ледниковые летописи.

Множество архивных источников содержат информацию о том, что в XVI— XVIII веках  Европа пережила так называемый малый  ледниковый период. В Лондоне зимой  замерзала Темза, в Центральной  Европе значительно увеличились  горные ледники, а в России отмечались особенно суровые зимы. Эти сведения получили более надежное подтверждение, когда во Франции были обработаны записи о датах начала сбора винограда. Записи охватывают период с середины XIV века, и по ним можно с хорошей  точностью определить среднюю температуру  летом. Более универсальный метод, позволяющий заглянуть в прошлое  на столетия, а в некоторых случаях  и на тысячелетия, основан на анализе  годовых колец, которые в теплые годы у деревьев толще, чем в холодные.

На масштабах до 20 тысяч лет, охватывающих последнее оледенение, определить климат отдельных территорий можно по пыльце растений, которую  находят в осадочных породах  на мелководье. Конечно, таким способом численные значения температуры  не вычислишь, но зато можно проследить за процессами изменения климата  на большой территории и за долгое время. И уже совсем в далекое  прошлое позволяют заглянуть  ледовые керны, которые добывают в ледниках Антарктиды и Гренландии. Например, из скважины, пройденной на Земле  Королевы Мод и на антарктическом куполе Конкордия, удалось добыть лед возрастом около 900 тысяч лет. Главную ценность для климатологов представляют вмороженные в лед крошечные пузырьки воздуха. По соотношению изотопов кислорода 16O и 18O в древнем воздухе можно определить среднюю температуру в соответствующую эпоху. Эта методика основана на том факте, что молекулы, в состав которых входит менее тяжелый изотоп 16O, легче улетают с поверхности океанов в атмосферу, а значит, изотопный состав воздуха зависит от температуры верхних слоев воды. Кроме того, пузырьки несут информацию о химическом составе атмосферы.

За миллионно летним рубежом ледники уже не могут помочь палеоклиматологам. На помощь приходят морские осадочные породы. По содержащимся в них окаменелым остаткам, а также по изотопному составу можно судить о средней температуре воды на поверхности океана, отодвинув тем самым известный климатический горизонт на десятки миллионов лет в прошлое.

А дальше исследования становятся неотделимыми от палеонтологических работ. Фактически климат угадывают по данным о животных, обитавших в те далекие времена. Точность таких реконструкций невысокая, но все же некоторые факты определяются довольно уверенно. Например, известно, что кораллы погибают, если температура  воды надолго опускается ниже 18°С. А  динозавры, будучи хладнокровными животными, обитали только в зоне положительных  температур. И если их скелеты находят  в Антарктиде, значит, там был  в свое время достаточно мягкий климат. (Правда, и сама Антарктида не находилась тогда на Южном полюсе.) Опираясь на подобные факты, палеонтологи пришли к заключению, что на протяжении последних 2,5 миллиарда лет теплые и холодные эпохи чередовались, причем на долю теплых приходится более 80% времени.

Таким образом, сами по себе смены  климата — для Земли естественны. Причем в некоторых случаях такие  пертурбации происходят довольно быстро. Например, выход из последнего ледникового  периода длился порядка тысячи лет (но на отступление ледников ушло в  несколько раз больше времени). И  все же нынешнее потепление определенно  ставит рекорды скорости. Чтобы температура менялась на градус всего за столетие, это беспрецедентный случай. По крайней мере, в ледниковых «летописях» ничего подобного не обнаруживается.