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

расходом и возвратом, ирригация является наиболее значительным поглотителем, уменьшающим естественный сток на 5% и увеличива­ ющим испарение с суши на 215%. Рассчитанное на 2000 г. большое увеличение использования воды и перераспределение его между четырьмя принципиальными направлениями указывают на то, что серьезное внимание должно быть уделено климатическим послед­ ствиям изменения гидрологического цикла.

Водохозяйственная деятельность и регулирование стока могут значительно изменить естественный водный баланс даже на срав­ нительно больших территориях. В соответствии с недавно произве­ денными оценками [15] сток в ФРГ в период 1931—1960 гг. умень­ шился на 12% по сравнению со стоком в 1891—1930 гг. главным образом вследствие повышенного использования воды [15]. В боль­ шинстве климатических зон эти изменения окажут незначительное влияние на региональную погоду; в засушливых зонах не следует ожидать существенных изменений приземного слоя воздуха. Однако последствия для глобального климата требуют тщательного изуче­ ния данного вопроса с использованием моделей, способных оценить влияние гидрологических и других геофизических факторов.

7.4.5. Выкачивание грунтовых вод

Резервуары грунтовых вод Земли наполнялись постепенно в те­ чение геологической истории. В настоящее время, по-видимому, этот процесс стал обратным, поскольку выкачивание воды превы­

158

шает ее естественное пополнение. Одновременное увеличение коли­ чества воды в Мировом океане и масс полярного льда, отмеченное

втечение последних 80 лет, может быть отнесено, по крайней мере частично, к выкачиванию грунтовых вод. Последнее обстоятельство

всвою очередь ведет к значительному уменьшению грунтовых вод во многих частях земного шара (см. п. 5.4).

7.4.6. Заключение

Многие виды деятельности человека влияют на тепловой баланс атмосферы и, таким образом, могут вызвать непреднамеренное из­ менение климата. В большинстве случаев, по крайней мере в на­ стоящее время, преобладают локальные и региональные влияния, но не исключены влияния и на глобальный климат. Очевидную важность имеют те виды деятельности, которые непосредственно влияют на процессы поступления тепла в атмосферу. Изменяя альбедо поверхности, человек способствует увеличению (или умень­ шению) количества поглощенной солнечной радиации; вырабаты­ вая электроэнергию на тепловых станциях и сжигая топливо для других целей, человек вводит тепло прямо в атмосферу. Труднее оценить такие многочисленные виды деятельности, как, например, ирригация и уничтожение лесов, которые изменяют соотношение между реальным теплом и скрытой теплотой парообразования (т. е. отношение Боуэна) при отдаче тепла поверхностью. Реаль­ ное тепло приводит атмосферу в движение немедленно, тогда как скрытая теплота становится доступной для этой цели только после конденсации водяного пара и выпадения осадков. Последние два процесса протекают не обязательно на той же высоте, долготе и широте: чаще всего скрытая теплота выделяется далеко от места первоначального испарения. В эти процессы вовлекается большое количество тепла. Они очень важны и должны быть изучены.

7.4.7. Рекомендация

Мы рекомендуем провести с помощью моделей ряд исследова­ ний с целью изучения последствий изменения отношения Боуэна, например, на границах полузасушливых районов.

7.5. КЛИМАТОЛОГИЧЕСКАЯ ПЕРЕПИСЬ1

7.5.1. Состояние вопроса

Мы полагаем, что в ближайшие годы неуклонно будет возра­ стать внимание к проблемам изучения климата и воздействия чело­ века на климат. Для этой цели потребуются однородные глобальные

1 Слово «перепись» используется здесь не в его узком значении, т. е. «учет населения», а в более широком смысле, в том смысле, в каком оно применяется современными правительствами: это периодический сбор данных многих видов, которые необходимы для выявления состояния нации (в нашем случае — земного климата) в определенное время.

159

данные. Работа намного бы облегчилась, еслибы требуемая инфор­ мация собиралась и хранилась по определенной системе.

Мы не применяем здесь слово «слежение» для характеристики процесса сбора нужных данных, потому что слежение — это непре­ рывные наблюдения, которые не являются необходимыми для одних факторов и непрактичны для других. Слово «слежение» в узком смысле подходит только для ряда факторов, а не для всех. Для многих других факторов достаточно периодической оценки их состояния. Частота сбора информации и площадь, по которой следует производить осреднение, различны для разных факторов.

Некоторые из требующихся данных можно получать с помощью наблюдений со спутников. Там, где можно использовать спутники, их следует использовать, невзирая на их высокую стоимость. (Преимущества дистанционного измерения такого типа состоят не

Таблица 7.7

Данные, необходимые для составления переписи климатологических факторов

160

только в частом и быстром обозрении, но и главным образом в том, что данные существенно однородны независимо от того, где они получены.)

Мы можем выделить по крайней мере три типа данных, необ­ ходимых для изучения климата: 1) данные для описания современ­ ного климата Земли; 2) данные, относящиеся к деятельности людей, которая влияет на климат; 3) данные, необходимые для обеспечения правильной постановки экспериментов и правильного производства наблюдений в целях изучения изменений климата.

7.5.2. Рекомендация

Мы рекомендуем для изучения климата собирать однородные данные независимо от того, в какой стране они получены, причем ученые всех стран должны иметь доступ к этим данным.

Следует собирать не только текущую, но и историческую ин­ формацию. В частности, большой интерес представляют данные, необходимые для составления переписи климатологических факто­ ров (табл. 7.7).

7.6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Мы рассмотрели те аспекты взаимодействия между атмосферой

иповерхностью планеты, которые имеют отношение как к есте­ ственным изменениям климата, так и к возможному преднамерен­ ному и непреднамеренному вмешательству человека.

Нам представляется, что наиболее легко поддается воздействию

инаиболее чувствительна ко всякого рода изменениям поверхность, покрытая снегом или льдом; особенно это относится к морскому арктическому льду. Изменение состояния такой поверхности сильно сказывается на ее альбедо и сопровождается изменением площади льда и снега. Непреднамеренные изменения в ближайшие четыре десятилетия будут носить главным образом региональный харак­ тер. Однако через несколько большее время возможно повышение глобальной температуры вследствие введения в атмосферу челове­ ком тепла и СОг, что может привести к весьма серьезному умень­ шению или даже уничтожению арктических морских льдов. Более того, вполне вероятно, что специальные меры по вызыванию таяния арктического льда могут оказаться успешными, но повернуть этот процесс в обратную сторону, если вдруг возникнут нежелательные побочные эффекты, будет затруднительно.

Арктический морской лед является интересным примером чув­ ствительной, сложной и, вероятно, неустойчивой системы, кото­ рую человек может значительно изменить в течение следующих не­ скольких десятилетий, произведя сравнительно небольшие модифи­ кации в современном тепловом балансе Земли. Как показывают модели, изменение средней температуры северного полушария на несколько градусов может вызвать таяние арктического морского льда.

Некоторые исследователи указывают на то, что большие обла­ сти открытой воды в Северном Ледовитом океане могли бы вы­ звать таяние остального морского льда вплоть до его полного исчезновения. Растаяв однажды, лед вряд ли сможет появиться снова. Таяние арктического морского льда никак не повлияло бы на уровень океана. Нам пока неизвестно, как изменился бы климат, особенно в северном полушарии, если бы исчез арктиче­ ский лед, но очевидно, что изменения были бы значительными: изменились бы сезонные температуры, количество и распределение осадков, системы ветров и океанические течения. Точно так же неизвестно, что произойдет со льдами Гренландии: то ли их коли­ чество будет увеличиваться вследствие увеличения количества осадков, то ли они начнут таять. Неизвестен и период времени, в течение которого произошли бы эти изменения, хотя мы пола­ гаем, что любые изменения такого рода потребуют многих столе­ тий. Вероятно, модели помогут ответить на ряд подобных вопросов; сейчас уже начаты работы по изучению с помощью моделей чув­ ствительности морского арктического льда к температурным изме­ нениям.

В отношении воздействия человека на поверхность суши мы рассмотрели значение тепла, поступающего в окружающую среду вследствие деятельности человека, в процессе превращения энер­ гии: «полезная» энергия, так же как и «потерянная», в конечном итоге будет обогревать окружающее пространство. Мы ожидаем существенные изменения климата в региональном масштабе в недалеком будущем. В локальном масштабе это влияние и сейчас уже очень большое. Влияния локального и регионального масштаба поддаются исследованиям с помощью существующих климатиче­ ских моделей.

Наконец, мы рассмотрели использование человеком грунтовых

альбедо и изменение испарения. Мы считаем, что эти эффекты можно было бы изучить с помощью существующих моделей. Нам представляется, что по данному вопросу еще почти ничего не сделано. В частности, подлежат изучению климатические послед­ ствия уничтожения тропических джунглей, которое, как мы пола­ гаем, приводит к резкому уменьшению испарения и увеличению местного нагрева. Мы отметили, что выкачивание ископаемых грунтовых вод ведет к потере невозобновляемых ресурсов. Выка­ чивание воды из подземных источников истощает их и ведет к не­ давно замеченному повышению уровня моря.

Toronto, Univ. Toronto Press, 1961, p. 989—1012.

162

2.В а c h W. Ап urban circulation model.— Arch. Meteorologie, Geophysic und Bioklimatologie. Ser. В, 1970, Bd 18, S. 155—168.

24.R у d. Building climatology. WMO Technical Note No. 109, 1970.

25.Study of Critical Environmental Problems.— In: Man’s Impact on the Global Environment. Cambridge, Massachusetts, M. I. T. Press, 1970.

26.S t e r n A. C. (ed.) Proceedings of the Symposium on Multiple Source Urban

Г л а в а 8

ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТРОПОСФЕРУ

8.1.ПОЛЕ ПЛАНЕТАРНОЙ РАДИАЦИИ

ИГЛОБАЛЬНОЕ АЛЬБЕДО

Вэтой главе мы рассмотрим процессы, с помощью которых человек мог бы воздействовать на климат через те виды своей деятельности, которые влияют на тропосферу.

Если общий приток солнечной радиации уменьшится, планета

станет холоднее, если он возрастет — на планете станет жарче. Климат изменится либо в результате изменения средней темпера­ туры воздуха и воды, либо (и это почти наверняка так) вследствие изменения циркуляции атмосферы и океана, которые перераспре­ делят солнечное тепло прежде, чем оно уйдет обратно в мировое пространство. Если свойства атмосферы и океана, обусловливаю­ щие излучение в пространство, можно было бы изменить без изме­ нения общего притока солнечной радиации, преобразование солнеч­ ного тепла и распределение температуры по планете изменились бы, хотя средняя температура планеты осталась бы прежней. Поэтому мы пытаемся обнаружить те виды деятельности человека, посред­ ством которых он мог бы воздействовать на взаимосвязанные про­ цессы, обусловливающие общий приток солнечной радиации (как его величину, так и распределение) и распределение уходящей радиации. Если человек влияет на эти процессы, он изменяет климат. В какой степени, в каком направлении будет изменяться климат? Вот вопросы, ответы на которые требуют проведения ис­ следований.

Поскольку человек не властен над солнечным излучением, он может изменить общий приток тепла, только меняя отражательную способность планеты — глобальное альбедо. Ясно, что эффективный метод изменения глобального альбедо заключается в преобразова­ нии тех областей планеты, которые имеют высокую отражательную способность, т. е. районов, покрытых снегом, льдом и закрытых облаками. Возможные изменения снежного и ледяного покрова мы рассмотрели в главах 6 и 7.

В этой главе мы рассмотрим процессы, которые могли бы изме­ нить протяженность облачного покрова и отражательную способ­ ность облаков. Мы отождествляем возможности воздействия на климат, связанные с выбросом частиц в атмосферу из наземных

164

источников, с одной стороны, и с выбросом частиц и водяного пара из выхлопных труб высотных самолетов — с другой. Мы так­ же полагаем, что частицы, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, могут существенно увеличить глобальное альбедо, и для подтверждения этого мы предлагаем провести ис­ следования в соответствующих областях. По этой причине мы со­ чли необходимым подробно обсудить природу, количество и радиа­ ционные свойства искусственных частиц.

Кроме глобального альбедо, частицы также могут изменить внутриатмосферные радиационные процессы. Небольшие изменения концентраций некоторых газовых примесей атмосферы также могут вызвать изменение упомянутых процессов. Из всех газов лучше всего изучен углекислый газ; в климатическом смысле он оказы­ вает на атмосферу наиболее сильное влияние. Нет сомнения, что человек увеличивает содержание СО2 в атмосфере и что климати­ ческим последствием увеличения С 02 является прежде всего повы­ шение средней глобальной температуры вблизи поверхности.

8.2. ЧАСТИЦЫ В АТМОСФЕРЕ

Атмосфера содержит взвешенные частицы. Их обнаруживают как вблизи земной поверхности, так и на всех уровнях тропосферы и стратосферы. Радиус этих частиц колеблется от ІО-7 до ІО-2 см. Известно, что они являются прямым результатом деятельности человека, естественных процессов, никаким образом не связанных с присутствием человека на Земле, и естественных процессов, кото­ рые могли бы быть вызваны или интенсифицированы человеком, а в некоторых случаях действительно вызваны или интенсифициро­ ваны им. Частицы либо попадают в атмосферу в готовом виде с по­ верхности суши или океана, либо образуются в результате химиче­ ских реакций между газами в свободной атмосфере.

Как будет видно при подробном рассмотрении выбросов и фор­ мирования частиц (п. 8.3), невозможно провести четкое различие между искусственными и естественными частицами, но для тех целей, которые мы ставим перед собой при написании этой книги, удобно говорить о «чистом воздухе» и «загрязненном воздухе». Исходя из данных измерений числа частиц, осуществленных в от­ даленных районах (в полярных районах, центральных областях океанов и в верхней тропосфере), мы предлагаем произвольное определение чистого воздуха как воздуха с общим содержанием частиц, измеренным счетчиком ядер конденсации, меньше 700 см-3; всякий другой воздух считается загрязненным.

По данной классификации воздух считается загрязненным не­ зависимо от того, загрязнился ли он в результате естественных процессов или же вследствие прямых или косвенных воздействий человека. Естественное загрязнение создается процессами, над ко­ торыми человек не властен. В число естественных загрязнителей входят: вулканическая пыль; морская соль, образовавшаяся в ре­ зультате испарения брызг; поднятая ветром пыль в малонаселен­

165

ных засушливых районах; частицы органического материала, обра­ зованные выделениями растений, например терпены в районах хвойных лесов; живая материя (микроорганизмы, пыльца, споры); дым естественных лесных пожаров.

Прямое загрязнение атмосферы человеком—это результат намеренного выброса в атмосферу отработанных продуктов. Глав­ ными загрязнителями считаются частицы, непосредственно образу­ ющиеся при горении, и частицы, образующиеся в атмосфере из га­ зов, выделяющихся в процессе горения. Эти частицы возникают при сжигании топлива в промышленных и бытовых целях, при ра­ боте двигателя внутреннего сгорания, сжигании мусора и отбросов в сельском хозяйстве и особенно при выжигании зарослей. Отдель­ ные виды минеральных частиц выбрасываются в атмосферу в ходе некоторых промышленных процессов и добычи полезных ископае­ мых. Косвенное искусственное загрязнение является побочным про­ дуктом деятельности человека. Примером может служить пыль, поднимаемая при некоторых сельскохозяйственных работах, на­ пример при вспашке или выгоне скота в засушливых и полуза-

ваясь и коагулируя (коагуляция — особенно важный процесс для более мелких частиц). Процессы диффузии переносят частицы к поверхности, где они, сталкиваясь с этой поверхностью, оседают. Другими процессами, приводящими к очищению атмосферы, явля­ ются образование и выпадение осадков. Термин «вымывание в облаке» применяется к процессам удаления примесей из атмо­ сферы в результате образования облаков и осадков. Частицы при­ месей становятся облачными ядрами, а затем выпадают вместе с осадками. Термин «вымывание» применяется к процессам удале­ ния атмосферных загрязнителей дождем или снегом. Поскольку частица может прекратить свое существование не будучи удален­ ной из атмосферы, не так просто указать время жизни атмосфер­ ных частиц, особенно частиц малого размера; можно лишь сказать, что вещество, которое попадает в атмосферу в форме частиц или превращается в частицы в атмосфере, может оставаться там от нескольких минут до нескольких дней у поверхности Земли и до нескольких лет в стратосфере.

На присутствие частиц в атмосфере климат реагирует двумя различными путями. Во-первых, частицы изменяют поле радиации, рассеивая солнечную радиацию (причем часть ее уходит обратно в мировое пространство) или поглощая ее. Поглощенная и отра­ женная солнечная радиация не достигает поверхности и не может быть поглощена или еще раз рассеяна поверхностью, как это было бы при отсутствии частиц. Таким образом, частицы могут изменить общее количество солнечной радиации, отраженной Землей в миро­ вое пространство, но знак изменения не очевиден, так как он зави­

166

сит от оптических свойств как частиц, так и подстилающей поверх­ ности. Частицы тоже излучают энергию в инфракрасном спектре и воздействуют на поле земной радиации способом, который опятьтаки не ясен, но зависит от свойств частиц и температурной струк­ туры окружающей атмосферы. Радиационный эффект частиц воз­ действует на температурную структуру и может существенно повлиять на статическую устойчивость атмосферы.

Таблица 8.1

Приблизительное количество частиц радиусом менее 20 мкм, выброшенных в атмосферу или образовавшихся в ней (см. п. 8.3.1)

Во-вторых, частицы влияют на процессы конденсации в атмо­ сфере, приводящие к образованию облаков, снега и дождя, по­ скольку в атмосфере водяной пар конденсируется именно на части­ цах. Для данного количества имеющегося водяного пара количе­ ство и природа образовавшихся облачных капель зависят от числа частиц, находящихся в зоне конденсации. Возможно, что количе­ ство осадков, так же как и радиационные свойства облаков, зависит от числа и природы содержащихся в облаках капель.

167