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

ность и глобальное альбедо, могут испытывать необнаруживаемые вековые колебания по естественным или искусственным причинам.

ВЫВОД

Удвоение концентрации СО2 могло бы вызвать повышение тем­ пературы воздуха у поверхности Земли приблизительно на 2° С, в то время как увеличение концентрации СО2 с 320 до 370 мд, ожидаемое к 2000 г., могло бы обусловить повышение темпера­ туры на 0,5° С. Изменение температуры на 2° С вызвало бы такое изменение климата, которое могло бы привести в действие другие факторы потепления и, возможно, имело бы необратимые послед­ ствия (см., например, пп. 6.7 и 7.3.1). Изменение других метеоро­ логических параметров может несколько ослабить потепление; на­ пример, увеличение количества облаков нижнего яруса только-на 0,6% могло бы понизить температуру на те же 0,5°С.

8.8.3. Водяной пар

Как уже говорилось в главе 5, вода, содержащаяся в атмо­ сфере как в форме пара, так и в форме облачных элементов, является важным фактором формирования климата и его измене­ ний, поскольку она играет существенную роль в энергетическом цикле атмосферы через процессы испарения и конденсации, а также в поглощении, излучении и отражении радиации.

Водяной пар с поверхности океана переносится вверх; в сред­ ней тропосфере вследствие понижения температуры происходит конденсация пара и образование облаков. Затем вода в жидкой фазе івыпадает обратно на земную поверхность, и, таким образом, отношение смеси водяного пара уменьшается с высотой прибли­ зительно на 7з на каждые 2 км.

Обычно водяной пар играет главную роль в радиационном охлаждении тропосферы. Исключение составляют лишь те случаи, когда он, например, трансформируется в облака вблизи тропиче­ ской тропопаузы. Таким образом, данные о распределении водя­ ного пара необходимы для правильной оценки и понимания его радиационных эффектов. Сезонное и широтное распределение во­ дяного пара достаточно хорошо известно до высот около 6,5 км, но выше этого уровня регулярных наблюдений почти нет. Общее количество і в о д я н о г о пара в единичном столбе воздуха, выражен­ ное толщиной слоя осажденной воды, убывает от максимума в эк­ ваториальных районах, где оно составляет примерно 50 мм, до минимума в Арктике и Антарктике, где оно равно 5 и 1,5 мм соответственно. В общем концентрация водяного пара вблизи по­ верхности хорошо согласуется с ходом температуры: летом она выше, чем зимой. В тропических районах обоих полушарий, как

208

показывают наблюдения, относительная влажность вблизи по­ верхности колеблется приблизительно от 60 до 75%, убывая до 50—60% в средней тропосфере, а в субтропических широтах ми­ нимум относительной влажности, равный примерно 30%, распо­ лагается на высоте около 5 км. В настоящее время нет каких-либо указаний на то, что является причиной изменения концентрации водяного пара в тропосфере — естественные процессы или разные виды деятельности человека.

В п. 9.4 мы увидим, какую роль может играть водяной пар в стратосфере. Водяной пар достигает стратосферы, вероятно, благодаря мощной конвективной деятельности в тропиках (хотя небольшое количество водяного пара может попасть в страто­ сферу через грозовые облака и через тропопаузу в средних широ­ тах). Мы сможем лучше понять закономерности его распределе­ ния и процессы переноса в этих слоях атмосферы, если нам удастся организовать регулярные измерения водяного пара с отно­ сительной точностью около 5—10% повсеместно и до больших вы­ сот. Это даст возможность определять абсолютную величину кон­ центрации водяного пара и изучить его широтную и временную изменчивость на больших высотах.

8.8.4. Двуокись азота и активные гидрокарбонаты

На атмосферное явление, известное под названием «фотохи­ мический смог», впервые обратили внимание как на серьезную проблему в Лос-Анджелесе (США). Сейчас эта проблема все бо­ лее и более тревожит человечество. Солнечный свет и присутствие активных гидрокарбонатов и окислов азота, образующихся при сгорания топлива (например, в двигателях внутреннего сгора­ ния),—вот что нужно для образования фотохимических смогов.

Пока еще нет определенной и полной схемы реакции, с по­ мощью которой можно было бы получить четкое представление о процессах образования смога. Есть только качественное описа­ ние общего характера процесса в отчете Американского химиче­ ского общества «Очищение окружающей среды, химическая ос­ нова действия» (1969 г.):

«Когда двуокись азота поглощает ультрафиолетовую радиа­ цию Солнца и распадается на окись азота и атомарный кислород, последний вступает в реакцию с молекулярным кислородом и об­ разует озон, который в свою очередь вступает в реакцию с окисью азота и образует двуокись азота и молекулярный кислород. Ато­ марный кислород также вступает в реакцию с активными гидро­ карбонатами и образует химические соединения, называемые ра­ дикалами. Эти радикалы принимают участие в серии реакций, способствуя образованию еще большего количества радикалов, которые вступают в реакцию с молекулярным кислородом, гидро­ карбонатами и окисью азота. Двуокись азота генерируется, окись азота со временем исчезает, а озон накапливается и всту­ пает в реакцию с гидрокарбонатами. Образуются вторичные

загрязнители, в состав которых входят формальдегиды и другие альдегиды и кетоны».

Хотя химические составляющие смога почти всегда присутст­ вуют в атмосфере, смог образуется не каждый день и не везде. Необходимо особое сочетание концентрации реагентов, солнеч­ ной радиации, процессов рассеяния и времени пребывания при­ месей в воздухе над районом источника первичных реагентов. Наиболее важное влияние фотохимического смога на элементы климата заключается в уменьшении видимости, в воздействии на поле радиации и механизм образования осадков. Влияние на ви­ димость является местным в случае фотохимических смогов, воз­ никших в результате деятельности человека, и региональным в случае «голубой дымки», которая образуется при фотоокисле­ нии терпенов, выделяемых растениями. Анализируя данные табл. 8.1 применительно к атмосфере в целом, можно заключить, что выброс гидрокарбонатов и окисей азота (и продуктов, из ко­ торых они могут образоваться) в атмосферу из «естественных» источников, вероятно, намного превышает выброс этих реагентов (и веществ их образующих) из источников, которые обычно свя­ зывают с деятельностью человека (в первую очередь в городах). И те и другие источники вместе вносят значительный вклад в об­ щую «загрузку» атмосферы примесями.

8.8.5. Метан и угарный газ

Насколько нам известно, большая часть атмосферного метана образуется в результате микробиологических процессов в почве при анаэробных условиях. Почти наверняка метан в основном раз­ рушается также микробиологическими процессами при аэробных условиях на поверхности. Незначительное количество метана ухо­ дит в стратосферу. Метан главным образом поступает из естест­ венных источников. Антропогенные источники вносят лишь незна­ чительную долю от общего поступления метана. По этой причине, а также потому, что СН4 не влияет непосредственно на климат или на биосферу, мы не сочли нужным останавливаться на ме­ тане в данном отчете.

Новейшие исследования указывают на то, что угарный газ СО «производится» в значительных количествах океанами и довольно быстро разрушается в стратосфере и на земной поверхности. По­ этому мы должны принять, что СО всегда был естественной со­ ставной частью атмосферы Земли [43]. При средней продолжи­ тельности существования СО в 1 год наблюдающаяся сейчас кон­ центрация, равная примерно 0,1 мд по объему, является устой­ чивой, так что непрерывное накопление угарного газа со време­ нем вследствие образования его главным образом из продуктов, поступающих из выхлопных труб автомобилей, невозможно. Од­ нако, согласно современным оценкам, устойчивая концентрация СО в результате деятельности человека, вероятно, возросла в 2— 20 раз. Вполне возможно, что увеличение содержания СО может

210

оказать небольшое влияние на уровень стратосферного озона, но, кроме этого, никаких вредных влияний угарного газа на климат можно не ожидать.

8.8.6.Кислород

Вотчете ИКПОС [81] рассматривалась проблема уменьшения содержания атмосферного кислорода. Уменьшение содержания

в океанах, под влиянием пестицидов, гербицидов или ядовитых загрязнителей; ведь именно растительность ответственна за гене­ рацию кислорода во время фотосинтетического усвоения углерода из атмосферы. Вероятно, что действует только один из указан­ ных факторов. Анализ результатов измерений содержания кис­ лорода, выполненных недавно Махтой и Хьюзом [55], позволил сделать вывод, что не обнаруживается изменение содержания кислорода в атмосфере и что потребление кислорода на сжигание всех открытых запасов ископаемого топлива уменьшило бы его содержание в атмосфере только на 0,7%. Давитая [18] вновь ста­

втечение последних 50 лет могло понизить содержание кислорода

ватмосфере приблизительно на 0,02%- Точность расчетов Дави­ тая и измерений Махты и Хьюза такова, что они не опровергают друг друга. Давитая [18] также вычислил количество кислорода, ко­ торый был бы потреблен при сжигании всего существующего сго­ раемого углерода («все ископаемое топливо»). Он оценивает ко­

личество 0 2, нужное для этой цели, в 3 • ІО16 кг, что составляет около 10% атмосферного кислорода, если бы не было его поступ­ ления или регенерации. Такой уровень потребления топлива едва ли будет достигнут; еще более невероятен постулированный Да­ витая экспоненциальный рост темпов потребления топлива. Пред­ ставляется, что нет причин пересматривать выводы отчета ИКПОС, согласно которым уменьшение кислорода в настоящее

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ

1. Мы рекомендуем установить станции в местах с чистым воздухом для слежения за тенденциями изменения количества углекислого газа в атмосфере. Требуется как минимум 10 станций, причем в различных географических районах и климатических зонах земного шара. Наблюдения с самолетов могли бы допол­ нить эту сеть станций.

2. Мы рекомендуем исследовать как временное, так и простран­ ственное изменение парциального давления ССЬ в поверхностных слоях океанов.

3. Мы рекомендуем организовать изучение различных меха­ низмов стока СО2 в океан и биосферу, имея в виду, что это про­ льет свет на наблюдаемые изменения содержания СО2 в атмо­ сфере. Следует пытаться время от времени производить наблюде­ ния за содержанием С 02 в океанах и биомассе.

4.Мы рекомендуем продолжить расчеты и уточнение прогно­ зов потребления ископаемого топлива.

5.Мы рекомендуем изучать комбинированное влияние на тем­ пературу воздуха у поверхности Земли увеличения содержания СО2 и изменения облачного и снежного покрова. Этому должно уделяться главное внимание при разработке климатических мо­ делей.

ВОДЯНОЙ ПАР

6.Мы рекомендуем значительно расширить регулярные изме­ рения содержания водяного пара в верхней тропосфере с относи­ тельной точностью не менее 10%.

7.Мы рекомендуем повышать точность и регулярность измере­ ний содержания водяного пара в стратосфере для определения абсолютной величины его концентрации, а также для изучения ее широтной и временной изменчивости на этих уровнях атмосферы. Такие измерения должны проводиться с точностью до 1 мд.

ДРУГИЕ ГАЗЫ

8.Мы рекомендуем следить за концентрацией SO2 , H2S и NH3

внезагрязненных районах, измеряя ее с точностью 10%. Эпизо­

дические измерения приблизительно на 10 базисных и 100 регио­ нальных станциях позволят глубже изучить жизненный цикл этих газов и процессы образования частиц, протекающие с их уча­ стием.

8.9. ПЕРИСТЫЕ ОБЛАКА

8.9.1. Значение для климата

Водяной пар, выбрасываемый в атмосферу реактивными само­ летами, может увеличить либо количество перистых облаков, либо их толщину, либо то и другое. Такое изменение перистых обла­ ков могло бы привести к двум эффектам. Первый эффект, в кото­

212

ром мы почти уверены, — изменение радиационного баланса. В светлое время суток перистые облака отражают солнечную ра­ диацию, и связанная с этим потеря тепла земной поверхностью не может быть компенсирована направленной вниз от облаков длин­ новолновой радиацией (см. п. 6.5.4). Следовательно, днем увели­ чение перистой облачности может вызвать небольшое пониже­ ние температуры воздуха в приземном слое, зависящее от опти­ ческих свойств перистых облаков (о которых мы знаем очень мало). Ночью при увеличении покрова перистых облаков тем­ пература поверхности поднимается, но ее повышение будет за­ висеть не только от высоты облаков, но и от их микроструктуры.

омикроструктуре перистых облаков, чтобы с уверенностью судить

остепени ее влияния. Манабе и Уитеролд [57] выполнили числен­ ные исследования, касающиеся влияния увеличенного покрова пе­ ристых облаков. Их результаты показывают, что увеличение ко­

личества Сі могло бы привести к росту температуры воздуха в приземном слое на несколько десятых градуса. Однако степень влияния рассчитывалась с учетом принятых оптических свойств перистых облаков, а не действительных. Кроме того, в природе эти оптические свойства, вероятно, сильно меняются. Измерения Куна и Вейкмана [51] показали, что пропускание инфракрасной радиации облаками изменяется от 95 до 50%, причем вторая цифра относится к мощным перистым облакам.

Второй ожидаемый эффект увеличения покрова перистых об­ лаков заключается в том, что ледяные кристаллы, выпадающие из перистых облаков, могут вызвать в нижележащих переохлажден­ ных облаках рост облачных элементов, а тем самым и образова­ ние осадков раньше, чем это могло бы случиться без кристаллов.

8.9.2. Выброс водяного пара реактивными самолетами

Согласно имеющейся в нашем распоряжении информации, по­

оценивается приблизительно в 5 - ІО13 г. У нас нет аналогичных данных для других стран, и совершенно невозможно получить ка­ кую-либо информацию о потреблении горючего военными само­ летами. Предположим, что мировое потребление горючего как гражданской, так и военной авиацией в 4 раза превышает потреб­ ление гражданской авиацией США, т. е. составляет 2 - ІО14 г/год. Исходя из этого, добавочное количество водяного пара для всего земного шара будет составлять около 2,5* ІО14 г в год. Летом в умеренных широтах реактивные самолеты летают главным об­ разом в верхней тропосфере, в то время как зимой, летая на тех же высотах, они находятся уже в стратосфере. Согласно [81] можно считать, что время пребывания Н20 в верхней тропосфере составляет 30 дней, а в нижней стратосфере 120 дней. Тогда

213

Мы принимаем в качестве некоторого приближения, что вве­ денный таким путем пар равномерно перемешивается с воздухом в слое толщиной 200 мб. Большинство полетов выполняется между 30 и 60° с. ш. Примем также, что введенный водяной пар не ухо­ дит из этой широтной зоны. Тогда, согласно принятым предполо­ жениям, отношение смеси водяного пара увеличится в верхней тропосфере на 10~4 г Н20/кг воздуха (30—60° с. ш.) и в нижней стратосфере на 4 • ІО-4 г Н20/кг воздуха. Разумеется, это сред­ ние величины, от которых в отдельных местах в разное время мо­ гут наблюдаться значительные отклонения.

Среднее годовое отношение смеси водяного пара на высотах 12—14 км, где в настоящее время летает большинство реактивных самолетов, составляет (1-е2)-10~2 г Н20/кг воздуха [33]. Таким образом, мы видим, что «равновесные добавления» водяного пара почти на два порядка величины меньше, чем средние величины. Мы подсчитали, что естественная изменчивость среднего значения

соких широтах (78° с. ш.) зимой, когда нижняя стратосфера очень холодна, соответствующие величины меньше на один порядок.

Интенсивность полетов гражданской авиации в 1985—1990 гг. может увеличиться в 3—6 раз. Таким образом, при большом диапазоне естественных изменений отношения смеси, вероятно, в недалеком будущем выделение водяного пара реактивными са­ молетами, число полетов которых значительно увеличится, при­ ведет к появлению ситуаций, когда на больших высотах будут соз­ даваться условия насыщения по отношению ко льду и, возможно, по отношению к воде. Такая возможность не представляется очень отдаленной в областях с интенсивным движением реактивных самолетов, как, например, в Соединенных Штатах Америки и,

Рис. 8.14. Среднее годовое количество облаков верхнего яруса при полном отсут­ ствии облаков нижнего или среднего яруса для шести пунктов США [54].

214

вероятно, в Западной Европе. Следовательно, в 80-х годах нашего столетия увеличение вероятности образования перистых облаков или их утолщения представляется довольно реальным.

8.9.3. Наблюдаемые изменения количества перистых облаков

Махта и Карпентер [54] сообщают об изучении векового (не­ периодического) изменения количества облаков верхнего яруса. Рисунок 8.14 иллюстрирует изменение по годам среднего (за год) количества облаков верхнего яруса при отсутствии облаков сред­ него и нижнего ярусов. Пунктирные линии дают представление об увеличении движения реактивных самолетов над США с 1958 г. Им соответствует правая вертикальная шкала. Горизонтальные линии указывают средние величины облачности за рассматрива­ емые периоды.

Хорошо видно, что с 1965 г. все станции отмечают увеличение количества облаков верхнего яруса по сравнению с его средним значением за 1949—1964 гг. В Денвере это количество возросло почти в 2 раза, а на других станциях — только на 17%. Таким образом, количество облаков верхнего яруса над Соединенными Штатами после 1965 г. увеличилось.

Совпадение роста количества облаков с увеличением полетов гражданских реактивных самолетов наталкивает на мысль о суще­ ствовании причинной связи между этими явлениями, однако два настораживающих обстоятельства заставляют не спешить с вы­ водами. Во-первых, в 1965 г., когда впервые было отмечено уве­ личение количества перистых облаков, не было ничего экстраор­ динарного в работе авиации. Во-вторых, анализ изменений коли­ чества облаков среднего яруса при отсутствии облаков нижнего яруса указывает на заметное его уменьшение в 50-х годах на пяти из шести станций, приведенных на рис. 8.14. Насколько уда­ лось выяснить, эти изменения количества облаков среднего яруса были естественными. Следовательно, можно ожидать, что есте­ ственные причины также могли привести к увеличению количества облаков верхнего яруса после 1964 г.

8.9.4.Рекомендации

1.Мы рекомендуем считать первоочередными работы по опре­

делению влажности, при которой образуются перистые облака. В частности, необходимо ответить на вопрос, как образуются пе­ ристые'облака— путем сублимации или путем замерзания капель жидкой воды.

2.Мы рекомендуем собирать информацию об основных физи­ ческих свойствах перистых облаков—водности, концентрации частиц, распределении их по размерам и форме кристаллов.

3.Мы рекомендуем провести исследования оптических свойств перистых облаков как в отношении коротковолновой, так и в от­ ношении инфракрасной радиации.

216

4. Мы рекомендуем считать срочными работы по организации слежения за тенденциями изменения количества перистых облаков (если такие тенденции имеются) и их микрофизических характе­ ристик. Для этой цели следует разработать объективные методы разграничения перистых облаков и облаков более низких ярусов.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.A t w a t e r М. A. Planetary albedo change due to aerosols.— Sei., 1970, v. 1,.

p.64—66.

2.В e i 1 k e S. Laboratory investigation on washout of trace gases.— In: Preci­

p.41—58.

V.27, p. 814.

2 1 7