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

тепла в атмосферу от 20 до 50 Вт/м2 над небольшими районами площадью от ІО4 до ІО5 км2.

Главное влияние этого выхода тепла на местный климат заклю­ чается в создании стационарного трехмерного изолированного очага тепла, подобного очагу в районе Цинциннати, описанному Бахом [2]. Интенсивность таких источников тепла достигает макси­ мума в ночное время, когда примыкающая сельская местность охлаждается вследствие длинноволнового излучения земной по­ верхности. Минимальная интенсивность наблюдается сразу же после полудня, когда действия естественных и искусственных ис­ точников и стоков тепла уравновешиваются. При стабильных усло­ виях со слабым ветром эффект ограничен слоем атмосферы толщи­ ной лишь в несколько сотен метров, при этом поверхность нагре­ вается примерно на 2—6° С.

В соответствии с теоремой о циркуляции Бьеркнеса любой местный источник тепла достаточной интенсивности способствует образованию термической циркуляции, которая хорошо прослежи­ вается при очень слабом ветре. В противоположность обычным типам термически обусловленных циркуляций, таким, как морские бризы, эта термическая циркуляция не может изменить свое на­ правление, но она имеет максимум интенсивности ночью и минимум интенсивности после полудня. Скорость такого пригородного бриза очень мала— обычно от 1 до 2 м/с. Принимая диаметр круглого источника тепла равным 10 (100) км, мы получим для скорости ветра, равной у поверхности земли 1 м/с, конвергенцию 2- ІО4 (2- ІО5) с-1. Если подобные условия встречаются в приземном слое толщиной 500 м, то средняя вертикальная скорость движений воздуха, возникающих над очагом тепла, равна 10 (1) см/с. Это вызывает локальную дестабилизацию приземного слоя. В некото­ рых городах, где есть условия для увеличения поступления в атмо­ сферу водяного пара из охлаждающих башен, каналов горячей воды и т. д., может увеличиться частота ливней и гроз над источни­ ками тепла и на некотором расстоянии от них в направлении ветра. Оценка повторяемости радиолокационного эха в радиусе 10 км

индустриального Рурского района [8], причем в течение всех 17 дней наблюдались северные ветры. Таким образом, район увели­ чения повторяемости ливней располагался в направлении ветра. Детальные карты средних осадков также указывают на этот эф­ фект (например, Рур или Вашингтон), хотя он и не является универсальным; в некоторых городах местные источники влаги уменьшены вследствие замены растительности бетоном. Наконец, наблюденное увеличение повторяемости слабых осадков или мороси над индустриальными районами при термодинамически стабильных синоптических условиях может быть вызвано высоким содержанием аэрозольных частиц и частично увеличением осаждае­ мой влаги искусственным испарением.

148

Воздействие городских и региональных источников тепла на континентальный климат является пока неопределенным. Прорывы холода поздней осенью и зимой над Великими озерами, Гольфстри­ мом, Японским морем существенно влияют на крупномасштабные погодные процессы, искажая тропосферное течение и создавая барические ложбины. Однако в этих случаях потоки реального тепла и скрытой теплоты с открытой воды имеют порядок 500 Вт/м2. Для сравнения напомним, что мощность искусственных источников тепла города-гиганта, как упомянуто выше, составляет только 2,5—10 Вт/м2; вероятно, в следующем столетии эта величина несколько возрастет и, разумеется, распространится по площади. Поэтому мы можем делать только разного рода предположения о возможности того, что городской комплекс скоро окажется в со­ стоянии (или уже в состоянии) время от времени способствовать изменению крупномасштабных типов погоды. Однако мы считаем, что при расчете средних тенденций на десятилетия эти влияния бу­ дут завуалированы в значительной степени естественными флуктуациями.

Некоторые ключи к решению этой проблемы могут быть подо­ браны путем моделирования, в котором численный эксперимент проводится дважды: в первом случае пренебрегают городскими источниками тепла (для контроля), во втором их включают в мо­ дель. О предварительном эксперименте примерно такого характера сообщил Вашингтон [27]. Он ввел дополнительный поток тепла с поверхности всей суши, оценив его в 25 Вт/м2; приведенная цифра неправдоподобно велика, однако Вашингтон комментировал это так: «Мы предпочли экстремальный эксперимент, с тем чтобы видеть по крайней мере хоть какие-то количественные результаты». Искусственный источник тепла вводился на 35-й день, эксперимент продолжался до 57-го дня. Средняя квадратическая разность тем­ ператур поверхности в двух случаях сначала быстро возрастала, а на 50-й день начала выравниваться. Зонально температуры в тропических районах не подвергались заметному влиянию, макси­ мальные отклонения наблюдались у Северного полюса. Такого рода исследования надо поощрять, и в модели следующего поколения необходимо включать влияния зональности распределения населе­ ния и промышленности.

7.4.2. Характер подстилающей поверхности

УРБАНИЗАЦИЯ

Влияние искусственных источников тепла и уборки снега рас­ сматривалось в предыдущем параграфе. Дополнительные измене­ ния городского климата вызываются увеличением шероховатости поверхности, изменением альбедо, ускорением стока и изменением способности задерживать тепло, обусловленными заменой лесов и полей бетоном и зданиями. Эти изменения иллюстрирует табл. 7.2. Хотя микроклимат сильно изменился по сравнению с микроклима­

149

том сельской местности, мы не думаем, что влияние указанных процессов значительно распространится за пределы застроенных

областей.

Таблица 7.2

Изменения элементов климата, вызванные урбанизацией [16]

По сравнению с сельской

Элемент

местностью

Дороги влияют на тепловой баланс подстилающей поверхности. Они суше земли, по которой проложены. Кроме того, гравийное и бетонное дорожное покрытие имеет намного большее альбедо, чем окружающая земля, в то время как альбедо асфальтовых по­ крытий может быть таким же или чуть ниже. Во влажных районах

150

сухая дорога может стать источником тепла, дающим начало кон­ вективным токам, и, следовательно, может обусловить формирова­ ние кучевых облаков, а иногда и выпадение осадков. Эти эффекты можно было бы изучать по моделям регионального климата, вос­ производящим дороги в виде линейных источников тепла.

РАСТИТЕЛЬНОСТЬ

Изменение естественного растительного покрова существенно влияет на шероховатость и альбедо поверхности, а также на про­ цессы поступления тепла в атмосферу. Поскольку корни деревьев обычно глубоко проникают в почву, они часто могут использовать доступную влагу глубоких слоев, тогда как луга высыхают. Из­ вестны случаи, когда вырубка леса вызывала столь сильный подъем грунтовых вод, что вся область превращалась в болото. Был предложен способ удержания воды на восточных склонах Скалистых гор, состоявший в том, чтобы вырубить естественные леса и заменить их искусственными еловыми насаждениями. Бла­ годаря этому транспирация уменьшится, а весеннее снеготаяние будет проходить медленно. Были сделаны попытки обрызгивать леса антитранспираторами; хотя некоторые химикаты оказались эффективными при экспериментах в парниках, распыление их с самолета практически не имело успеха главным образом из-за того, что не удалось нанести химикат в достаточном количестве на листву.

Тепловой баланс слоя растительного покрова определяется уравнением

Q s = F A + F L + F a + F s l

Fs — скорость накопления тепла в слое растительного покрова. Величина Qs зависит не только от условий в свободной атмо­

сфере, но и от альбедо поверхности. Однако замена леса лугом или полупустыней очень мало сказывается на альбедо, что видно из табл. 7.3. Карты распределения альбедо поверхности для Север­ ной Америки опубликованы Кунгом и его сотрудниками в 1966 г.

Превращение лучистой энергии в реальное тепло и скрытую теплоту обычно характеризуют отношением Боуэна (FA/FL), вели­ чина которого изменяется от нуля (перенос только скрытой теплоты) до оо (перенос только реального тепла). Но отношение может быть и отрицательной величиной, когда скрытая теплота превышает доступную лучистую энергию. Во влажных районах отношение Боуэна изменяется от 0 до 1, а при очень влажных условиях, например над затопленными рисовыми полями, болотами и над влажными джунглями, это отношение колеблется около 0,1,

151

так же как и над тропическими частями океанов. В засушливых условиях отношение Боуэна значительно превышает 1, достигая в среднем 10 над районами, климат которых весьма близок к кли­ мату пустынь. Над пустынями, где практически не бывает осадков и нет грунтовых вод, это отношение приближается к оо. Карты распределения средних месячных значений FA и FL для всего зем­ ного шара опубликованы в хорошо известном Атласе теплового баланса [5]. На рис. 7.5 приведена карта распределения среднего годового значения отношения Боуэна над Североамериканским континентом. Подобные карты для всех континентов подготовля­ ются сейчас в Боннском университете Хеннингом.

Таблица 7.4 иллюстрирует изменения теплового баланса, вы­ званные превращением лесов умеренной зоны в сельскохозяйствен­ ные угодья, при этом предполагается, что приходящая коротковол­ новая радиация равна 125 Вт/м2, а эффективная уходящая инфра­ красная радиация составляет 50 Вт/м2 над полями [18]. Различия, конечно, значительны. Среднее для всех континентов годовое уменьшение транспирации из-за вырубки леса, вероятно, имеет тот же порядок величины, что и увеличение испарения вследствие строительства новых ирригационных сооружений. Однако эти два вида искусственных изменений производятся человеком в различ­ ных частях мира.

Например, средняя годовая величина отношения Боуэна над тропическими джунглями около 0,3 [6], в то время как над западно­ индийской пустыней Раджпутана, районом, который раньше был покрыт растительностью (см. ниже), она колеблется от 2,0 до 6,0. Следует ожидать, что уничтожение бразильских, индонезийских и африканских джунглей может привести к региональному увеличе­

152

нию отношения Боуэна почти до такой же величины. Замена боль­ ших источников скрытой теплоты столь же большими источниками реального тепла, видимо, может оказать значительное влияние на

Рис. 7.5. Распределение среднего годового значения отношения Боуэна над Северной Америкой [5].

возбуждение и диссипацию тропических восточных волн. Как пред­ полагает Ньювел [20], уничтожение лесов могло бы также повлиять на динамику общей циркуляции через ряд нелинейных взаимодей­ ствий. Поэтому мы полагаем, что есть острая необходимость в про­ ведении численных экспериментов, предназначенных для испытания чувствительности моделей к большим изменениям в перераспреде­ лении потоков реального тепла и скрытой теплоты в тропиках.

153

П р и м е ч а н и е . В настоящее время в умеренных широтах в небольших размерах происходит замена лесов пашнями. Этот процесс сейчас в основном завершен; более того, в ряде районов имеет место обратный процесс: часть па­

в результате чего з некоторых случаях отношение Боуэна меняется гораздо силь­ нее, чем в умеренной зоне.

а в дождливые сезоны часто бывают наводнения. Кроме того, почва высыхает быстро, что способствует образованию облаков пыли в атмосфере и как следствие изменению регионального радиацион­ ного баланса. В работе [3], например, выдвигается и подтвержда­ ется фактами положение о том, что пустыня Раджпутана образо­ валась с помощью человека. Принимая во внимание, что содержа­ ние водяного пара, интегрированное по вертикали, сравнимо с тако­ вым над некоторыми тропическими лесными районами, Брайсон [3] полагает, что скопление тропосферной пыли усилило нисходящие движения в атмосфере и тем самым воспрепятствовало выпадению осадков. Археологические и палеонтологические исследования ука­ зывают на то, что несколько тысяч лет назад пустыня в самом деле была относительно плодородной и что там находилось пресно­ водное озеро, которое поддерживало раннюю цивилизацию. Иссле­ дование [3] напомнило нам, что численное моделирование искус­ ственных изменений в тропиках должно учитывать воздействие поднятой ветром пыли на радиационный баланс тропосферы.

Наконец, следует упомянуть тот факт, что величина отношения Боуэна уменьшается ирригацией. В настоящее время площадь

1 Это справедливо также для Субарктики. Микроклимат так сильно подвер­ жен воздействиям (повышенная скорость ветра и гораздо более короткий безмо­ розный период), что леса возвращаются к своему прежнему положению с боль­ шим трудом. Кроме того, животные, обитающие на краю леса, поедают моло­ дые деревья.

154

орошаемых земель составляет приблизительно 2 • ІО6 км2 [6]. или 1,5% общей площади континентов. Только некоторые из иррига­ ционных проектов предназначены для засушливых зон, но именно здесь наиболее сильно изменяется тепловой баланс. Таблица 7.5 иллюстрирует искусственные изменения баланса тепла в Сахаре в оазисах Туниса [12], где отношение Боуэна является отрицатель­ ной величиной (поток скрытой теплоты превышает тепло, поступа­ ющее в результате усвоения атмосферой солнечной энергии). Поскольку климат пустыни формируется крупномасштабными про­ цессами оседания в атмосфере, а синоптические объекты, обуслов­ ливающие осадки, наблюдаются здесь редко, увеличение влажности воздуха над орошаемыми землями едва ли может привести к уве­ личению осадков.

7.4.3. Воды суши

Человек изменяет общую площадь и распределение вод суши, создавая искусственные озера и водохранилища, осушая болота, регулируя реки (включая такие инженерные работы, как укрепле­ ние берегов), контролируя наводнения и испаряя морскую воду для производства соли.

ИСКУССТВЕННЫЕ ОЗЕРА И ВОДОХРАНИЛИЩА

В настоящее время насчитывается более 300 искусственных озер и водохранилищ с площадью акватории свыше 100 км2 каж­ дое. Нет сомнения в том, что число искусственных озер будет увеличиваться для удовлетворения нужд промышленности, энерге­ тики и сельского хозяйства.

Некоторые из возможных влияний искусственных озер и водо­ хранилищ на климат похожи на те влияния, которые оказывают оазисы и орошаемые земли. Об этом уже говорилось в предыду­ щем параграфе. Здесь мы должны заметить, что согласно недав­ ним оценкам [10] общая площадь искусственных озер и водохра­ нилищ около 300 000 км2. Примем, что годовой прирост испарения, вызванный человеком (в сравнении с естественным испарением с территорий, занятых водоемами), равен нескольким сотням мил­

153

лиметров. Тогда необходимая ежегодно скрытая теплота имеет по­ рядок ІО17 кал, что составляет около 10% величины, характеризую­ щей эффект ирригации. Однако следует упомянуть, что искусствен­ ные озера и водохранилища распределены по всему земному шару и довольно сильно удалены друг от друга. Поэтому их можно рас­ сматривать только как объекты, влияющие на местный климат. Тем не менее мы считаем, что перепись искусственных озер следует проводить регулярно, чтобы иметь возможность следить за их потен­ циальным воздействием на климат.

ДРЕНАЖ

Влияние дренажа, или осушения болот, на тепловой баланс и излучение земной поверхности обратно влиянию искусственных озер. Поскольку дренажные работы производятся главным образом во влажных районах, их влияние менее значительно, чем влияние искусственных озер. В населенных районах осушение болот в зна­ чительной степени уже завершено. В связи с увеличением населения Земли будет производиться дальнейшее осушение болот и превра­ щение их в сельскохозяйственные угодья, но масштаб этих работ не будет очень большим. Ведь в сельскохозяйственные угодья можно превратить около 80% еще не тронутых площадей (покры­ тых сейчас лесом), и сделать это гораздо легче, чем осушить болота (см. [25], табл. 2.1 и 2.2).

РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕК И ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ НАВОДНЕНИЙ

Регулирование рек производится главным образом в населен­ ных районах. Предотвращение сезонных наводнений позволило ис­ пользовать довольно большие участки суши в сельскохозяйствен­ ных целях и для городского строительства. Однако регулирование рек оказывает влияние только на микроклимат.

ПРОИЗВОДСТВО с о л и

Выпаривание морской воды для получения соли осуществляется главным образом в засушливых прибрежных областях. Из-за гео­ графических ограничений даже при быстром росте населения зем­ ного шара и быстром росте потребности в соли не произойдет резкого увеличения площадей, используемых для получения соли.

ПОТРЕБЛЕНИЕ ВОДЫ

Рост потребления воды в бытовых и промышленных целях и еще большее увеличение расхода воды на ирригацию ведут к аксе­ лерации влагооборота над сушей (см. п. 5.4). Интенсивность процесса влагооборота зависит от двух величин: дополнительного невозвращаемого потребления воды на душу населения Ѵа и плот­

156

ности населения Р. Дополнительное испарение Еа определяется по формуле

Сравнив периоды 1931—1960 и 1891—1930 гг., он получил, что коли­ чество осадков увеличилось на 3%, сток уменьшился на 12%, а расход воды на испарение, равный разности этих двух величин, вырос примерно на 20%, или на 8 см/год. Келлер объяснил это увеличением сельскохозяйственного производства, а также ростом потребления воды для промышленных и бытовых нужд.

По данным Львовича [17], глобальное среднее значение невоз-

мы получим для 2000 г. величину около 4900км3/год [17]. Так как

пойдет на ирригацию. Для Западной и Центральной Европы мы можем принять более медленный рост населения — только на 50% с 1965 до 2000 г. В этом случае Еа будет равно примерно 21 см/сут, или половине естественного испарения. Если в действительности развитие общества будет идти медленнее, то указанные результаты будут достигнуты позднее ьа 10—20 лет, однако существенная акселерация влагооборота все-таки будет происходить. Ее влияние на океаны будет слабым, но постепенно оно будет возрастать. Величина дополнительного испарения тем не менее ограничена до­ ступной энергией, так что увеличение, предсказываемое Львовичем, нельзя экстраполировать за пределы 2000 г.

7.4.4. Регулирование стока и водное хозяйство

Человек изменяет водный режим водохранилищ и речных ситем. Некоторые изменения произведены с прямым намерением ре­ гулировать сток (искусственные озера, искусственное пополнение грунтовых вод); другие изменяют сток косвенно (урбанизация, культивация почвы, изменение растительного покрова).

Результаты глобальной оценки указывают на то, что около >/з общего годового стока с суши (37 000 км3) регулируется естествен­ ным накоплением в речных бассейнах, в то время как 10—12% стока регулируется искусственными озерами и другими видами вмешательства человека. Оценки глобального использования воды приведены в табл. 7.6 [17]. Как указывают различия между

157