книги из ГПНТБ / Непреднамеренные воздействия на климат. Результаты исследования влияния человека на климат [коллектив. моногр

купола над субарктическими городами зимой при слабом ветре не­ велика— обычно не больше 100 м. Над субтропическим оазисом, наоборот, слой перемешивания распространяется по вертикали на несколько километров и диффузия водяного пара вверх столь ин­ тенсивна, что, несмотря на быстрое испарение, в оазисе обычно не наблюдается сколько-нибудь значительного повышения влаж­ ности воздуха. Нужно, кроме того, напомнить, что относительная влажность на уровне борта корабля у островов Вест-Индия в сред­ нем около 85% (а не 100%), хотя до измерения воздух находился над поверхностью океана в течение многих дней. Этот эффект имеет место не только благодаря турбулентному перемешиванию воз­ духа под пассатной инверсией, но и вследствие сопротивления влагообмену в пограничном слое у самого раздела воздух—вода. Так как у поверхности океана турбулентность несколько ослаблена, обмен насыщенного водяным паром воздуха с ненасыщенным в слое толщиной несколько миллиметров затормаживается. Подоб­ ные сопротивления в пограничном слое наблюдаются и над сушей; они замедляют обмен влагой, малыми частицами, С 02 и другими газовыми примесями. Именно так, например, растительность пере­ стает быть обильным источником водяного пара и стоком для ССЬ, когда устьица закрыты.

Обратимся теперь к явлениям регионального масштаба (при­ близительно 1000 км). Модели рассеяния в атмосфере, предназ­ наченные для анализа влияния искусственных региональных ано­ малий еще недостаточно хорошо сформулированы даже для мас­ штаба времени в несколько дней и для специально отобранных типов погоды [19]. Вероятно, наиболее важным фактором является то, что в региональном масштабе влияние распространяется вы­ соко в тропосферу, в область, которая не очень хорошо освещена наблюдениями за теми параметрами, которые требуются для клас­ сических уравнений диффузии. По спутниковым фотографиям мы можем наблюдать перемещение дымки из восточной части США в Центральную Атлантику и перемещение пыли из Западной Аф­ рики в район Карибского моря. Однако вертикальные размеры этих облаков дымки и пыли еще не исследовались. Поэтому в боль­ шинстве региональных исследований предполагается, что тропо­ сфера хорошо перемешана, хотя составители моделей признают, что существуют резкие нарушения в масштабе времени в несколько дней в умеренных зонах и в масштабе времени в несколько недель в зоне пассатов. Модели диффузии примесей для городов в прин­ ципе можно было бы приспособить для использования в региональ­ ном масштабе, но для их успешной реализации требуется намного больше информации о свойствах тропосферного «купола», чем име­ ется теперь. Особенно ценной была бы информация, получаемая путем регулярных наблюдений с самолетов.

Мы подразумеваем, что человек изменяет климат в микромас­ штабе и в масштабе городов. Поэтому мы будем учитывать влия­ ние человека на региональный климат и также будем рассматри­ вать воздействие региональных аномалий на глобальный климат.

138

Какие размеры должен иметь город-гигант или ледник, чтобы они могли повлиять на общую циркуляцию атмосферы? Есть вопросы, связанные с глобальным климатом, на которые не так просто от­ ветить, но мы полагаем, что их все же следует ставить.

Наконец, мы даем довольно общую рекомендацию. Те, кто хо­ чет проследить за тенденциями изменения климата, могут без труда получить данные отдельных метеорологических станций. Однако каждому исследователю приходится самому вычислять региональ­ ные и глобальные пространственные средние. Это требует времени. Вследствие того что способы определения пространственных сред­ них довольно субъективны, сравнение результатов, полученных разными учеными, затруднено.

7.1.2. Рекомендация

Мы рекомендуем предложить соответствующей международной организации: 1) рассмотреть пути стандартизации методов вычис­ ления региональных средних сезонных величин температуры у зем­ ной поверхности, осадков и радиации (или облачности) и 2) затем обеспечить вычисление этих средних. Мы полагаем, что осредненные по площади значения метеорологических элементов у поверх­ ности являются хорошими показателями изменения климата, хотя мы признаем, что такие осредненные величины не всегда одина­ ково отражают истину вследствие изменения местных условий и различной плотности регулярной сетки точек.

7.2. СНЕЖНЫЙ И ЛЕДЯНОЙ ПОКРОВ

Климатологические оценки альбедо поверхностей даны в таб­ лице 7.1. [6]. Они показывают, что при вмешательстве человека

Таблица 7.1

Климатологические оценки альбедо поверхностей [6]

Вид поверхности Альбедо

139

в изменение снежного и ледяного покрова нарушается радиацион­ ный баланс, а вместе с ним и тепловой баланс подстилающей по­ верхности. Установлено, что распыление сажи на поверхности льда или снега значительно ускоряет весеннее таяние в небольшой экспе­ риментальной области, особенно в полярных широтах, вследствие значительного понижения альбедо [1]. Вероятно, морской лед Арк­ тики можно было бы полностью уничтожить путем распыления сажи с самолетов в течение одного или нескольких теплых периодов, когда радиационный баланс атмосферы относительно благоприя­ тен. Однако неясно, восстановится ли лед немедленно в последую­ щие зимы (см. также п. 6.7). Здесь мы обсудим этот вопрос с ме­ теорологической точки зрения, оставив океанологический аспект для п. 7.3.1.

С одной стороны, адвекция холода с соседних континентов сильно увеличила бы потери тепла на конвекцию и испарение и породила бы снежные шквалы, вследствие чего возросло бы коли­ чество осадков и расширилась бы область замерзания. С другой стороны, образовавшаяся в результате этих процессов облачность ослабила бы длинноволновое излучение поверхности, устранив принципиальную причину похолодания.

Состояние морского льда Арктики является важным фактором, определяющим климат всего северного полушария, потому что зимний, достаточно устойчивый полярный антициклон обусловли­ вает почти постоянное существование соответствующего звена об­ щей циркуляции.1Простые теоретические оценки [11], подтвержден­ ные эмпирическими данными [13], указывают на возможность сме­ щения к северу субтропического пояса повышенного давления в случае уменьшения контраста температуры между экватором и полюсом. В субарктической и умеренной зонах человек постоянно увеличивает свое воздействие на ледяной покров больших озер, внутренних морей и заливов. Серьезное воздействие оказывает осаждение сажи из близлежащих индустриальных районов; кроме того, немалую роль играет использование ледоколов. В результате деятельности человека ускоряется весеннее таяние и задержива­ ется осеннее замерзание. Но зимой открытые полыньи могут в значительной мере способствовать более быстрому охлаждению воды и таким образом вызывать утолщение окружающего льда. Однако мы считаем, что, хотя ледоколы могут несколько воздейст­ вовать на местный климат, влияние штормов, которые сдвигают лед, образуют в нем трещины, по крайней мере на один порядок величины больше, чем влияние человека. Мы еще вернемся к арк­ тическому льду в п. 7.3.

Уборка снега в городах и осаждение сажи на чистый снег в пар­ ках и садах существенно влияют на климат городского «теплового острова». Как в масштабах обычного города, так и в масштабах

1 При отсутствии льда антициклон может вообще не образоваться. Лед — один из факторов, способствующих образованию антициклона и его дальнейшему сохранению.

140

города-гиганта радиационный баланс и поле температуры поверх­ ности изменяются под воздействием человека приблизительно на одни сутки после каждого нового выпадения снега. Вне городов наблюдается значительное различие в радиационном балансе за­ снеженных лесов и покрытых снегом лугов. Зимой, поскольку при­ ходящая солнечная радиация невелика, влияние этого различия на климат слабое. Но весной снег задерживается в лесах и лес может оставаться холоднее безлесной области в течение нескольких не­ дель.

В средних широтах главное влияние поверхности на общую циркуляцию осуществляется через адвекцию холодного воздуха над прибрежными водами восточнее Азии и Северной Америки. Мы предполагаем, что аномалия снежного покрова, распространя­ ющаяся на половину какого-либо континента либо за счет искус­ ственного изменения поверхности покрова, либо за счет необычной последовательности погодных условий, может влиять на общую циркуляцию атмосферы, причем время, в течение которого осуще­ ствляется влияние, имеет тот же порядок величины, что и время существования аномалии. Мы полагаем, однако, что это возмуще­ ние будет преходящим, без заметного влияния на климат. Среднее положение у поверхности Земли летнего арктического фронта со­ ответствует северной границе лесов, причем растительность, веро­ ятно, интегрирует влияния всех климатических элементов, но с от­ ставанием примерно на одно столетие [14, 3]. Можно строить гипотезы о влиянии естественного или искусственного изменения подстилающей поверхности (вследствие лесных пожаров или вы­ рубки леса) на положение границы лесов, но мы полагаем, что это влияние будет несущественным, если не считать влияния на микро­ климат. Вместе с тем мы рекомендуем поощрять экоклиматологические исследования во всех климатических зонах мира.

7.3. ОКЕАНЫ

Как неоднократно упоминалось выше (например, в пп. 5.3 и 6.8), океан оказывает большое влияние на климат. Он аккумули­ рует и переносит тепло и является главным источником водяного пара для атмосферы. Человек в процессе своей деятельности также воздействует на океан.

7.3.1. Уничтожение арктического морского льда

Как указывалось в п. 7.2, арктический морской лед можно лик­ видировать, уменьшив его альбедо путем запыления или какимилибо другими искусственными средствами [9]. В первом случае есть некоторые сомнения относительно сохранения «открытости» океана после освобождения его от льда. Однако весьма вероятно, что арктический ледяной покров находится в очень неустойчивом состоянии и что небольшие изменения любого из факторов, влия­

141

ющих на океан, могли бы привести к существенным изменениям площади ледяного покрова. К этим факторам относятся: измене­ ние в переносе атлантической воды в Арктический бассейн, изме­ нение величины стока рек и распределения его во времени и осо­ бенно изменение общего температурного режима в высоких ши­ ротах. Согласно некоторым оценкам, вполне возможно, что рост температуры, связанный с ожидаемым в следующем столетии по­ ступлением тепла и СО2 в атмосферу от искусственных источни­ ков, приведет к летнему таянию арктического льда (см. п. 6.7).

Средняя продолжительность жизни арктического морского льда меньше 10 лет, и возможно, что освобождение Северного Ледови­ того океана от льда произойдет довольно быстро — в течение не­ скольких лет.

Мы еще не в состоянии предсказать, что может произойти после полного таяния арктического морского льда. Можно ожи­ дать, что океан навсегда останется открытым, за исключением мелких прибрежных районов, где зимой лед будет образовываться,

Критическим фактором в определении относительной вероят­ ности двух сторон этой альтернативы является плотностная струк­ тура результирующего состояния океана. При температуре около 0°С плотность морской воды очень мало зависит от температуры и определяется главным образом соленостью. Соленость Северного Ледовитого океана зависит от относительного влияния соленых, сравнительно теплых вод Атлантики, поступающих через Норвеж­

океан стекают реки Северной Америки и Азии, эта ситуация, веро­ ятнее всего, сохранится независимо от того, что вызовет уменьше­ ние ледяного покрова Арктики.

Таким образом, Северный Ледовитый океан и в дальнейшем будет иметь относительно малую соленость верхнего слоя воды. Толщина этого слоя будет решающим фактором в определении природы ледового режима. Верхний слой толщиной всего в не­ сколько десятков метров может иметь недостаточную теплоемкость для аккумуляции того количества тепла, которое необходимо для предотвращения замерзания зимой. Однако если бы ветры оказа­ лись достаточно сильными, чтобы перемешивать воды верхнего слоя с водами на глубине значительно больше 100 м, то никакого замерзания не произошло бы. Без полной модели и лучшего, чем в настоящее время, знания процессов перемешивания в океане трудно определить, какая из ситуаций будет преобладать. На севе­ ро-востоке Тихого океана, в другой океанической области с низкой поверхностной соленостью, воды перемешиваются до глубины бо­ лее 150 м (в отношении солености), но режим здесь существенно иной, поэтому никаких обобщений делать нельзя. (По сравнению

142

с Арктикой в северо-восточную часть Тихого океана поступает очень соленая вода, и, что, вероятно, более важно, температура этой воды достигает 6° С, т. е. океан оказывается достаточно теплым для существенного термического воздействия на плот­ ность.) 1

Если ледяной покров зимой будет восстанавливаться, то его влияние на климат может быть довольно небольшим по сравнению с современным влиянием, когда океан постоянно покрыт льдом. Если большая часть поверхности будет свободна от льда весь год, то могут произойти существенные региональные климатические из­ менения, которые в свою очередь окажут влияние на климат всего земного шара. Это влияние, вероятно, было бы вредным в одних районах и полезным в других. Только очень тщательные и полные теоретические исследования, сопровождаемые наблюдениями и экспериментами, предназначенными для уточнения механизмов и установленных параметров, позволят оценить положительные и от­ рицательные стороны освобождения Арктики от льда.

Одна из наиболее серьезных проблем связана с будущим льдов Гренландии. Они содержат так много воды, что их таяние по­ высило бы уровень Мирового океана примерно на 7 м. Такой рост уровня океана имел бы катастрофические последствия для многих береговых районов мира. Для Венеции, например, таяние всего 5% льдов Гренландии означало бы огромное бедствие.

Морской лед и снежный покров на низменностях создают поло­ жительный механизм обратной связи из-за очень большого альбедо; ледники на больших высотах, подобные Гренландскому ледниковому щиту, также способствуют образованию механизма обратной связи, но иного характера. При таянии уменьшается толщина ледяного щита. Поверхность льда опускается и вступает в соприкосновение с несколько более теплым воздухом, поэтому дальнейшее уменьшение объема льда становится более вероятным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Позитивные механизмы обратной связи делают режим арктиче­ ского морского льда и континентальных ледяных щитов очень чув­ ствительным к изменениям климата. Очевидно, что льды должны быть чувствительными и к искусственным воздействиям. Предна­ меренное уничтожение арктического морского льда, вероятно, могло бы быть успешным. Вполне возможно, что повышение гло­ бальной температуры примерно на 1°С, которое может произойти

вXXI столетии в результате введения человеком в атмосферу СОг

итепла, само по себе приведет к таянию арктического льда. Последствия ликвидации льда в Арктике трудно правильно

оценить, но их воздействие на региональный и глобальный климат

ина низменные береговые районы может быть весьма ощутимым.

1См. ежегодник «Oceanographic Data Reports» корабля погоды Р, издавае­ мый Рыбопромысловой исследовательской организацией Канады.

143

РЕКОМЕНДАЦИЯ

Мы рекомендуем заключить международное соглашение для предупреждения крупномасштабных (непосредственно затрагиваю­ щих площадь более 1 млн. км2) экспериментов, связанных с по­ стоянным или длительным искусственным изменением климата до тех пор, пока ученые всего мира не придут к согласованным выводам о последствиях такого изменения.

Из этой рекомендации не следует, что маломасштабные экспе­ рименты (на площади значительно меньше 1 млн. км2), сопряжен­ ные с искусственным изменением климата, производить нельзя. Такие эксперименты могут служить лучшим средством получения данных, необходимых для проверки теоретических моделей, кото­ рые должны быть построены, если мы хотим достигнуть уже упоми­ навшейся согласованности выводов.

7.3.2. Технические предложения по искусственным воздействиям на океан

Время от времени поступают предложения, осуществление ко­ торых прямо или косвенно оказало бы воздействие на океан. Те из них, которые могли бы определенным образом повлиять на климат, обсуждаются ниже.

ИСКУССТВЕННЫЙ ПОДЪЕМ ГЛУБИННЫХ ВОД

Как указывалось в главе 4, биологическая продуктивность во многих частях океана ограничена недостатком питательных ве­ ществ в поверхностных водах. Истощение питательных веществ затрагивает только сравнительно тонкий слой летнего ветрового перемешивания. Перемешивание в пределах слоя зимней верти­ кальной циркуляции могло бы приблизительно утроить снабжение минеральным веществом, доступным фитопланктону. Поднятие вод с глубины термоклина обеспечило бы неограниченную по­ ставку питательных веществ. Искусственное поднятие глубинных вод могло бы существенно повысить продуктивность океана.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

Механическое перемешивание океанической воды в слое от по­ верхности до зимнего термоклина (толщина которого изменчива, но в среднем составляет около 150 м) могло бы привести в сред­ них широтах к понижению поверхностной температуры к концу лета примерно на 4° С. Зимой же наблюдалось бы небольшое повы­ шение поверхностной температуры (вероятно, не более чем на 1°С; однако это повышение зависело бы от ряда сложных обстоятельств, которые меняются от места к месту). В результате изменился бы перенос тепла океаническими течениями. Такое перемешивание можно было бы производить на площадях, малых по сравнению

144

с общей площадью океана, но больших по сравнению с районами естественного подъема глубинных вод, путем использования волно­ вой энергии.

Эффекты создания небольших районов искусственного подъема глубинных вод с точки зрения воздействия на местный климат были бы довольно большими и, вероятно, способствовали бы фор­ мированию низколежащей летней инверсии и летнего тумана. Как испарение, так и поток реального тепла увеличивались бы зимдй. Существующие численные модели поведения атмосферы, вероятно, вполне пригодны для выяснения последствий такого рода искус­ ственного изменения температуры поверхности моря.

Волновой энергии недостаточно для перемешивания воды на очень больших пространствах океана, но крупномасштабное пере­ мешивание с помощью других источников энергии в будущем, вероятно, можно было бы осуществить. Если бы искусственным перемешиванием можно было охватить значительную часть океана, это привело бы к весьма ощутимым изменениям климата. Если бы такие изменения оказались неблагоприятными, можно было бы прекратить воздействие на поверхность, и в течение двух лет последствия такого воздействия ликвидировались бы. Следует от­ метить, что неустойчивость климата Земли могла бы обусловить климатические изменения далеко от района поднятия глубинных вод; при этом могли бы возникнуть нежелательные изменения, избавиться от которых, возможно, было бы нелегко.

ТЕРМИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

Всевозможные энергетические установки (включая ядерные ре­ акторы) отдают в атмосферу большое количество тепла. Для их охлаждения можно было бы использовать холодные глубинные воды океана. Последние можно рассматривать как самый большой в мире сток тепла. Глубинные воды, использованные таким обра­ зом, нагревались бы и, возвращаясь в океан, занимали бы уровень ближе к поверхности. Можно было бы сделать так, чтобы нагре­ тая вода располагалась на поверхности, где она возьмет на себя дополнительную функцию снабжения поверхностных вод питатель­ ными веществами.

Глобальная выработка энергии скоро достигнет 1,25-ІО13 Вт. Если большая часть этой энергии будет производиться стационар­ ными тепловыми станциями, то от них потребуется отводить зна­ чительную часть тепла. Предположим, что количество этого избы­ точного тепла составит 2,5 - 1012 Вт, или Ѵюоо долю тепла, которое сейчас переносится океанами меридионально. За год избыточным теплом можно нагреть ІО18 г воды от 5 до 25° С. Примерно столько же воды переносится большим океаническим течением, например Гольфстримом, приблизительно за 4 ч. Таким образом, сток избы­ точного тепла в океан весьма мало повлияет на него. Вместе с тем это тепло останется на Земле. В конце концов его присутствие так или иначе скажется на глобальном тепловом балансе.

ТРАНСПОРТИРОВКА ЛЬДА ИЗ АНТАРКТИКИ

Мы предполагаем, что водоснабжение таких крупных областей, как, например, Австралия, в значительной степени можно обеспе­ чить путем буксировки «плотов» из антарктического льда. Эконо­ мическая сторона этой операции, как и некоторых других процес­ сов, например опреснения, пока неясна, но в мире, где начинают беспокоиться о последствиях производства энергии, эта идея может показаться привлекательной. Передвижка льдов объемом порядка ІО12 м3 в год была бы возможна (ІО12 м3 льда соответствует слою воды толщиной 1 м на площади 1000 км2, или половине годового стока реки Миссисипи).

Предположим, что смещенная масса льда заменяется поверх­ ностной водой с температурой около 20° С. Это соответствует переносу около 1,25ІО13 Вт энергии, т. е. меньше 1% естественного океанического переноса тепла. Таким образом были бы получены огромные региональные эффекты, но глобальное влияние на пере­ нос тепла было бы незначительным. Дополнительно орошенная область оказала бы влияние на альбедо Земли. Побочный эффект орошения был бы, по-видимому, важнее, чем перенос дополнитель­ ного тепла.

7.3.3. Поверхностно-активные вещества

Поверхность раздела между атмосферой и морской водой явля­ ется местом накопления поверхностно-активных веществ, образую­ щихся в результате как искусственных, так и естественных про­ цессов. Пятна естественного происхождения состоят из органиче­ ских веществ с большим молекулярным весом; сюда относятся жирные кислоты и спирты. Маслянистые пленки толщиной от 0,08 до 0,1 мкм образуются в результате слива нефти с кораблей или бурильных установок [25]. Возможно, что и другие продукты есте­ ственного происхождения, так же как синтетические органические материалы, участвуют в образовании поверхностных пленок.

Поверхностно-активные вещества могут аккумулировать такие неполяризованные органические субстанции, как галогенные гидро­ карбонаты, в том числе ДДТ или производные цетилового спирта, еще больше изменяя химические и физические свойства поверхно­ сти раздела воздух—море. Конвергенция, всегда существующая у поверхности моря, имеет тенденцию ускорять формирование по­ верхностных пленок. Масляные пятна трансформируются в комочки размером в несколько миллиметров, которые сохраняются в море в течение ряда месяцев [25]; очень много их наблюдается в районе Саргассова моря. Эти комочки весьма неприятны на вид; воз­ можно, они имеют какое-то биологическое значение, но их влияние на атмосферу ничтожно или вовсе отсутствует.

С другой стороны, пленки оказывают некоторое влияние. Вблизи источника нефти поверхностные пленки в океане, будучи достаточно толстыми, создают барьер для испарения и потока тепла. Вообще же они уменьшают интенсивность как очень корот-

146

ких поверхностных волн, так и турбулентного движения в верхнем слое воды толщиной в несколько сантиметров. Поскольку средний наклон поверхности в значительной степени определяется этими короткими волнами, статистические характеристики наклона сильно зависят от масляных пятен. (Именно изменение наклона делает пятна видимыми для глаза: пятно гораздо меньше рассеивает свет, чем чистая поверхность). На несколько процентов изменяется и альбедо. Подавление коротких волн исключает усиление поверх­ ностного волнового перемешивания. Эксперименты указывают на то, что эти поверхностные эффекты приводят к изменениям темпе­ ратуры приблизительно на 0,5° С и что знак этого изменения может быть любым. Интерпретация некоторых данных усложнена тем, что пленки наблюдаются в районах конвергенции, которые могут иметь разные свойства по другим причинам. Хотя пока еще трудно дать количественную оценку влияния поверхностных пленок, увеличива­ ющееся число источников слива нефти и возможное большое значе­ ние процесса образования пленок требуют тщательных наблюдений.

7.4.СУША

7.4.1.Выделяемое тепло

Промышленные предприятия выпускают большое количество тепла в атмосферу, реки и океаны; кроме того, атмосфера получает еще некоторое количество тепла от транспорта, жилых и обще­ ственных зданий. Эти выбросы тепла сконцентрированы главным образом (вероятно, на 2/з) в густонаселенных промышленных райо­ нах, которые занимают только небольшую часть суши. В соответ­ ствии с данными, представленными в главе 4, дополнительный ввод

до Вашингтона, округ Колумбия) или в промышленных областях северо-запада ФРГ, южной части Нидерландов и центральной Бельгии (общей площадью 4,8 НО4 км2) — с окружающими их зо­ нами отдыха и сельскими районами средняя выработка тепла в ре­ зультате деятельности человека составляет 2—10 Вт/м2. В этих районах дальнейшее расширение площадей с концентрированными источниками тепла представляется сомнительным; по-видимому, они не будут превышать ІО4 км2. Но в обозримом будущем мы дол­ жны предвидеть значительное увеличение существующих источни­ ков тепла, создание новых больших источников. Кроме того, оста­ нутся районы без каких бы то ни было источников тепла. Таким образом, мы должны ожидать в будущем выхода дополнительного