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

Здесь мы рассмотрим возможные влияния на климат изменений как наблюденных, так и полученных теоретически оптических свойств облаков.

ОБЛАКА И СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ

Увеличение количества капель в облаках вследствие роста со­ держания ядер конденсации при одной и той же водности приводит к увеличению «видимого» альбедо, т. е. альбедо для видимой части спектра (в противоположность взглядам, высказанным в отчете [81]), и к ослаблению пропускания. Для капель радиусом 1 мкм или больше оптическая плотность облака геометрической толщиной h приблизительно равна 2nNr2h, где N —концентрация капель в единице объема. Водность W облака на единицу объема равна

(4я/3)іNr3. Ясно, что, если h и W остаются постоянными, оптиче­ ская плотность будет увеличиваться с увеличением концентрации капель. В этом случае оптическая плотность т будет пропорцио­ нальна величине N'h. Таким образом, при фиксированных значениях h и W, которые определяются макроциркуляционными факторами, оптические свойства облака будут зависеть от его микрострук­ туры. Последняя же в свою очередь зависит от концентрации частиц.

С увеличением оптической плотности облако отражает и по­ глощает радиации больше, а пропускает меньше. Эффект может

альбедо, рассчитанные с учетом различных направлений лучей сол­ нечного света, падающего на сферическую Землю. Использован­ ный численный метод включает все порядки многократного рас­ сеяния и не предполагает какого-либо поглощения. Диапазон кон­ центраций частиц, измеренных в юго-восточной части Австралии, указан на рисунке стрелками; в этом диапазоне заключено 8—10

198

массе, оптически относительно прозрачны. Коновер [14] опубли­

за исключением полосы за движущимся кораблем, где добавочное количество ядер «высветило» облака настолько, что они стали ви­ димы для спутниковой камеры.

ОБЛАКА И ИНФРАКРАСНАЯ РАДИАЦИЯ

Значительное увеличение альбедо и излучательной способ­ ности наряду с уменьшением пропускания при увеличении опти­ ческой плотности имеет место и в термической, инфракрасной, области спектра (рис. 8.10) [95д, 46, 50]. В этой области спектра

Г,И,Е

Рис. 8.10. Коэффициент пропускания Г, отража­ тельная R и излучательная Е способность водяного

главное влияние облаков на радиацию проявилось бы в увели­ чении потока тепла вниз от облаков, ведущего к уменьшению об­ щего потока земной радиации и таким образом к усилению «пар­ никового» эффекта (см. п. 6.5.4).

Трудно оценивать влияние тонких облаков (т< 1,0) или ту­ манов на тепловой баланс атмосферы и поверхности из-за огром­ ной изменчивости их геометрических размеров и оптической тол­ щины. В этом случае альбедо видимой части спектра и инфра­ красная излучательная способность поверхности будут иметь большое влияние на радиационные потоки и на ход радиационного нагревания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Довольно хорошо установлено, что количество частиц в атмо­ сфере может влиять на концентрацию капель или частиц в об­ лаке, а они в свою очередь влияют на оптическое пропускание,

199

в этом направлении необходимы дальнейшие исследования. По­ скольку не все частицы принимают непосредственное участие в образовании облаков, было бы желательно следить за концен­ трацией тех частиц, которые участвуют в образовании облаков (облачные ядра), и за концентрацией тех частиц (ледяные ядра), которые могут изменить микроструктуру переохлажденных обла­ ков и способствовать образованию перистой облачности.

Частицы участвуют не только в образовании облаков. Они играют роль и в формировании осадков. Через облака и осадки частицы косвенно влияют на глобальное альбедо (см. п. 6.5.4). Существуют механизмы, которые имеют тенденцию действовать в противоположных направлениях; все зависит от относительной значимости различных факторов. Роль и значимость их могут быть определены только путем интенсивных наблюдений и иссле­ дований.

Известно, что облачные капли захватывают аэрозольные ча­ стицы и растворяют в себе некоторые газовые примеси. Захват частиц является важным механизмом удаления аэрозоля. За­ грязнение же облачных капель влияет на их оптические поглоща­ тельные свойства. Полагают, что значительная часть радиации по­ глощается облачными слоями, причем величина поглощения сильно зависит от поглощения индивидуальными каплями. Из-за многократного рассеяния небольшое увеличение поглощательной способности капель привело бы к непропорционально огромному увеличению поглощения облаком. Для выяснения природы этого явления и величины возможного поглощения необходимо прово­ дить соответствующие измерения.

8.7.7.Рекомендации

1.Мы рекомендуем интенсифицировать исследования процессов преломления и поглощения (для коротко- и длинноволновой ра­ диации) атмосферными частицами в зависимости от их состава, происхождения и размеров, а также производить измерения пока­ зателей преломления и коэффициентов поглощения при различной степени загрязнения атмосферы. Для лучшего понимания влияния

относительной влажности на показатель преломления требуется больше данных о росте частиц с увеличением влажности.

2. Мы рекомендуем провести всестороннее сравнительное ис­ следование полей радиации для чистой и загрязненной атмосферы с тем, чтобы глубже изучить влияние коротко- и длинноволновой радиации на атмосферу и выяснить характер и величину измене­ ния этого влияния с увеличением загрязнения.

3. Мы рекомендуем производить наблюдения за альбедо и другими радиационными характеристиками облаков и туманов в незагрязненных и загрязненных районах вместе с достаточно полными измерениями микроструктуры облаков. Для проведения

2 0 0

этих очень важных измерений требуется специально оборудован­ ный самолет.

4.Мы рекомендуем изучать влияние загрязнения на показатель преломления облачных капель и ледяных кристаллов.

5.Мы рекомендуем теоретическое изучение суммарного влия­

иколичество облаков и интенсивность осадков.

7.Мы рекомендуем через фиксированные интервалы времени (примерно через 2 года) определять показатель преломления и

детальное распределение частиц по размерам в выбранных местах как в чистом, так и в загрязненном воздухе.

8.Мы рекомендуем разработать и применить на практике объ­ ективные методы слежения за состоянием и изменением облачного покрова над большим« районами с помощью спутников или других средств.

9.Мы рекомендуем определять примерно один раз в 5 лет оптические свойства облаков (отражательную способность, пропускаемость, излучательную способность и поглощение) в тех районах, где загрязнение воздуха возрастает.

8.8.ГАЗОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

8.8.1. Введение

Газы, содержащиеся в земной атмосфере в малых количествах, обладают большой изменчивостью во времени и пространстве. Поведение различных газов в атмосфере весьма неодинаково. По отношению к климату важными можно считать те компоненты, которые могут прямо или косвенно влиять на радиационный ба­ ланс атмосферы. В этом параграфе мы остановимся на новых результатах исследования глобального векового хода и климати­ ческого значения СО2 , полученных после публикации отчета ИКПОС. Будет рассмотрено также содержание водяного пара в средних и высоких слоях тропосферы. Газообразные соединения серы и аммония, которые являются основными субстанциями для вторичного образования частиц, оказывают косвенное влияние на поле радиации. Ввиду важности этих газов как источника атмо­

и угарный газ, недавно были предметом широкой дискуссии, вы­ званной тревогой о возможном изменении их содержания в атмо­ сфере. Предполагалось, что количество кислорода в атмосфере уменьшится, а количество метана и угарного газа увеличится. Новая информация об этих газах говорит о том, что они пока не нуждаются в дополнительных исследованиях и в особом внимании

201

в рамках данной работы и что сведения о них, содержащиеся

вотчете ИКПОС, остаются в силе.

8.8.2.Углекислый газ

ОЖИДАЕМАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ

Будущая концентрация СО2 в атмосфере зависит от двух фак­ торов: во-первых, от количества СО2 , которое попадет в атмо­ сферу вследствие сгорания ископаемого топлива, и, .во-вторых, от той части С 02, которая останется в воздухе. В отчете ИКПОС [81] предполагается, что до 1980 г. мировое потребление топлива будет продолжать расти примерно на 4% в год. После 1980 г. темп роста упадет до 3,5% из-за весьма вероятного расширения ис­ пользования ядерной энергии. Этот темп сохранится до 2000 г. Часть углекислого газа, поступающего в атмосферу в результате сгорания топлива, остается в атмосфере. В недалеком прошлом она составляла 50%. Предполагается, что в будущем это поло­ жение сохранится. Результаты недавно проведенного анализа под­ тверждают сделанное предположение.

На рис. 8.11 изображен ход средних месячных значений кон­ центрации СО2 в Мауна-Лоа, Гавайские острова (19° с. ш.). Под горизонтальной осью указаны величины ежегодного прироста кон­ центрации. Хорошо видны три типа флуктуаций. Первый тип — сезонные колебания с уменьшением концентрации летом, в период развития растительности в северном полушарии. Эти сезонные из­ менения проявляются на всех станциях в районах с незагрязнен­ ным воздухом, причем амплитуда над Скандинавией [6] и Амери­ кой [10д] более чем в 2 раза превышает амплитуду в Мауна-Лоа, где она в свою очередь больше, чем «а Южном полюсе [9д.] Вто­ рой тип флуктуаций-— тенденция к продолжительному росту, обу­ словленному, как полагают, сжиганием ископаемого топлива. С 1958 по 1968 г. среднее годовое увеличение концентрации состав­ ляло 0,64 миллионных долей по объему (мд/год), в то время как средний годовой прирост содержания С 02 в воздухе за счет уве­ личения потребления ископаемого топлива составил бы 1,24 мд/год. Таким образом, в воздухе остается около половины С 02, посту­ пающего в атмосферу в результате сгорания ископаемого топ­ лива. Третий тип флуктуаций — изменение темпов прироста от года к году.

Между 1962 и 1965 гг. годовой прирост концентрации упал до 0,46 мд/год, а в 1970—1971 гг. он возрос до 1,48 мд/год. Данные кораблей Р и С, станции Ниват-Ридж в США, .станций .в Сканди­ навии [5] и Антарктике [9д] подтверждают, что после 1969 г. при­

2 0 2

(рис. 8.12). Модель позволяет предсказать концентрацию С 02 в атмосфере «а основе данных о будущем производстве С 02. Наи­ более важным из всех коэффициентов, используемых в модели, является коэффициент обмена между океаном и атмосферой. Он установлен эмпирически по наблюдениям за уменьшением содер­ жания искусственно произведенного Сн0 2 [82]. Все другие пара­ метры обмена оценены приближенно.

Годовое изменение, мд/год

Рис. 8.11. Средние месячные значения концентрации С 02 в Мауна-

[9д] и неопубликованные данные Бейнбриджа.

Модель включает стратосферу, тропосферу, а также верхний перемешанный и глубинные слои океана. Обмен между каждым из этих соприкасающихся резервуаров описывается кинетическими уравнениями первого порядка. Величина к есть фракция, перено­ симая между резервуарами.

Поглощение С 02 биосферой определяется общей суммой пер­ вичной биологической продуктивности или годовым усвоением ор­ ганического углерода, заимствованного из атмосферы и океана. Углекислый газ, образующийся при сгорании ископаемого топлива и

203

остающийся в атмосфере, обусловливает увеличение общей суммы первичного производства пропорционально добавочному количе­

только к половине биосферы суши. Предполагают, что остальная биосфера суши ограничивается скорее поступлением питатель­ ных веществ и воды, чем С 02, и не ускоряет своего роста в при­ сутствии большего количества С 02.

Рис. 8.13. Расчет (по модели) содержания С 02 в атмосфере

взависимости от потребления ископаемого топлива [53].

/— предсказание модели, 2— наблюдения на М ауна-Лоа, 3— для начального момента предсказанные значения приравнены к наблю ­

денным.

Буфферное действие добавочного количества С 02 в поверхно­ стных слоях океана ограничивает поглощение океаном углекис­ лого газа, образующегося при сгорании ископаемого топлива.

205

что концентрация СО2 в 1958 г. составляла около 313 мд по объ­ ему. Прогнозируемые данные для 1958—1970 гг. на рисунке при­ ведены в увеличенном масштабе. В целом расчеты оказались до­ вольно точными, но они не отражают ежегодных отклонений от среднего роста.

На 2000 г. прогнозируется концентрация СО2 в 375 мд. Таким образом, согласно модели, около 50% СО2 , поступающего в атмо­ сферу при сгорании ископаемого топлива, остается в воздухе; сле­ довательно, имеет место хорошее согласие с величиной, приведен­ ной в отчете ИКПОС, т. е. 380 мд. Более низкая величина но мо­ дели является результатом занижения оценок выбросов СО2 при сгорании ископаемого топлива в прошлом, данных Килингом [9д] и использованных в качестве основы предвычисления на бу­

дущее.

Модель, использованная для прогноза содержания С 02, яв­ ляется простейшей из тех, которые могут дать полезные резуль­

дает величины от 365 до 385 мд. В добавление к неопределенно­ стям в формулировании модели и выборе параметров ошибки в оценке количества искусственно произведенного С14Ог или в про­ гнозах использования ископаемого горючего могут привести к от­ клонению от предсказанной для 2000 г. величины (375 мд) более чем на 10 мд.

Вероятно, наиболее серьезная неопределенность в прогнозе содержания СО2 в атмосфере связана с неумением объяснить, по­ чему существуют изменения темпов роста от года к году, кроме тех, которые ожидаются вследствие изменения добычи ископае­

КЛИМАТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Еще в 1863 г. Дж. Тиндал высказал мнение, что изменение концентрации углекислого газа в атмосфере может повлиять на климат вблизи земной поверхности. Углекислый газ имеет силь­ ную полосу поглощения около 15 мкм и в этой полосе испускает длинноволновую (инфракрасную) радиацию к поверхности Земли и в мировое пространство. Радиация, направленная вниз, увеличи­ вается с возрастанием концентрации С 02, уменьшая потери тепла земной поверхности. Затем этот вопрос изучался Аррениусом [2д], Плассом [70], Капланом [44], Мёллером [61], Манабе и Уитеролдом [57], Расулом и Шнейдером [72] и др. Работая с глобально осредненной моделью, Манабе и Уитеролд, как нам представ­ ляется, получили наиболее надежные результаты (см. также [56]).

206

Они нашли, что удвоение концентрации углекислого газа повысит среднюю температуру воздуха у поверхности Земли на 2° С, уве­ личение содержания углекислого газа в атмосфере с 320 до 375 мд будет способствовать нагреванию приземного слоя приблизительно на 0,5° С. Расчеты на модели указывают также на то, что темпе­ ратура в стратосфере будет понижаться.

В расчетах Манабе и Уитеролда есть и другие важные резуль­ таты. Если тропосфера нагреется, то, вероятно, останется неизмен­ ной относительная, а не абсолютная влажность и общее количество влаги в атмосфере будет возрастать [61]. Увеличение содержания водяного пара вызовет дальнейшее экранирование инфракрасного излучения поверхности, т. е. оно будет действовать как положи­ тельный механизм обратной связи (см. пп. 6.4.2 и 6.8.2). Увели­ ченный тропосферный нагрев, так же как и нагрев вследствие уси­ ления поглощения солнечной радиации большим количеством угле­ кислого газа и водяного пара, был учтен в этих расчетах.

Манабе (неопубликованные материалы) недавно рассчитал распределение температурных изменений, вызванных удвоением концентрации С 02 ;в атмосфере, по сильно упрощенной трехмерной модели общей циркуляции. Его модель имеет ограниченную об­ ласть интегрирования и сильно идеализированную орографию. В нее не включен перенос тепла океаническими течениями (океан рассматривается как некое «болото» без какой-либо теплоемко­ сти). Тем не менее результаты численных экспериментов Манабе дают некоторое указание на то, как увеличение концентрации С 02 может повлиять на распределение температуры в атмосфере. Они говорят о несколько большем общем нагреве тропосферы по срав­ нению с тем, который ожидался согласно расчетам по глобально осредненной модели (сказывается отсутствие в глобальной модели учета влияния снежного покрова — другого возможного механизма обратной связи), и, кроме того, выявляют заметную географиче­ скую изменчивость нагрева тропосферы. Так, температура воздуха у поверхности Земли в высоких широтах повышается примерно вдвое больше, чем средняя глобальная температура, вследствие действия положительного механизма обратной связи льда и тер­ мической устойчивости нижней тропосферы, которая не дает рас­ пространяться конвективному прогреванию за пределы самых нижних слоев (см. п. 5.2.2).

Одним из важных факторов, который не принимался во вни­ мание в модели Манабе, является возможное изменение облач­ ности. Увеличение количества облаков нижнего яруса над всем земным шаром только на 2,4% могло бы понизить среднюю тем­ пературу поверхности примерно на 2° С, при этом нагрев за счет углекислого газа уже не сыграл бы никакой роли. Увеличение количества облаков нижнего яруса только на 0,6 % могло бы ох­

207