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

нально ориентированных ложбин и гребней над Атлантикой

(рис. 3.5).

Исключительно важны исследования глобальных или, по крайней мере, полушарных средних, которые отражают суммарное влияние климатообразующих факторов (см. главу 5). Как мы уже видели на примере послеледникового периода, крупномасш­

средние. К сожалению, полушарные и глобальные средние стали

меньшая активность вулканов с 1956 г., конечно, сказались на наблюденных тенденциях.

Рисунок 3.7 указывает на довольно хорошую согласованность полушарных средних температур и солнечной радиации [3].

Следует подчеркнуть, что обычно климатические флуктуации наиболее важны там, где условия для поддержания человече­ ской жизни находятся на пределе. Например, в полярных райо­ нах суровый климат и распространение льда крайне усложняют условия жизни, а в переходной зоне между полувлажным и засушливым климатом колебания осадков при более или менее постоянном потенциальном испарении сильно влияют на эконо­ мику вообще и на продуктивность сельского хозяйства в част­ ности. В таких районах колебания климата с временным масш­ табом 5—10 лет являются жизненно важными, хотя они и рас­ сматриваются некоторыми климатологами только как неизбеж­ ные статистические шумы. Например, быстрый подъем уровня

47

колебания в силу естественных процессов; в последние десятиле­ тия наблюдалось исключительно быстрое снижение уровня, ко­ торый упал на 2,8 м частично из-за введения в строй искусствен­ ных водохранилищ и крупномасштабной ирригации в бассейне Волги.

К сожалению, однородных и репрезентативных наблюдений за осадками недостаточно для изучения колебаний водного ба­ ланса, так же как и многолетних данных о фактическом (или по­ тенциальном) испарении. Из-за больших пробелов в материалах измерений осадков, особенно над океанами, невозможно исследо-

<3

Рис. 3.7. Изменение средней годовой температуры воз­ духа в умеренной зоне северного полушария (1), 10-лет­ няя скользящая средняя (2); средний поток солнечной

радиации (3), достигающей поверхности (1886—1960гг.), выраженный в процентах от среднего значения за весь период [3].

вать вероятные вариации глобального водного баланса и факто­ ров, влияющих на него. Даже глобальные средние, определенные по данным за много лет, нельзя рассматривать как абсолютно точные из-за сильной взаимосвязи радиационного баланса, с одной стороны, и баланса тепла и влаги — с другой.

Наиболее близкую к нам по времени температурную флук­ туацию можно проследить по данным за 1961—1970 гг. (рис. 3.8), сравнивая температуры, осредненные за этот период, с послед­ ними климатическими нормами (1931—1960 гг.). Южнее 55° с. ш. отклонение данных за последнее десятилетие от норм '.незначи­

48

ние температуры составляет 0,5 С. Наиболее ярко выражено похолодание в атлантическом и сибирском секторах Арктики. Так, десятилетняя средняя температура на Шпицбергене на 2° С ниже нормы, а зимние температуры (декабрь—март) на Земле Франца-Иосифа упали почти на 6° С при незначительных изме­ нениях температуры летом. В 9 из 10 лет арктические районы

°С

Рис. 3.8. Средняя температура воз­ духа в северном полушарии для 10-градусных широтных поясов, вы­ раженная как отклонение от средних значений за период 1931— 1960 гг. Подготовлено Фленом по данным,

опубликованным Пютцем [25].

/ — изменения в 1961—1970 гг., 2— измене­ ния за период 1961—1965 гг., 3— за период 1966—1970 гг.

были в общем холоднее, чем прежде; такие низкие температуры не наблюдались с начала нашего столетия.

3.3.7. Рекомендация

Мы рекомендуем ученым разных специальностей проводить систематические исследования климатов прошлого всеми доступ­ ными способами, включая изучение исторических документов, торфяных болот, ледников, океанических осадочных пород, иско­ паемых и т. д. Информация о климатах того времени, когда Арктический океан был свободен от льда, особенно ценна при отыскании причин изменения климата.

3.4. ПРОЦЕССЫ, УПРАВЛЯЮЩИЕ СОСТОЯНИЕМ АТМОСФЕРЫ

Краткое описание истории климата, содержащееся в преды­ дущем параграфе, дает представление о некоторых главных процессах или механизмах изменения климата. Ниже мы рас­ смотрим более систематично, хотя все еще качественно, главные факторы, определяющие климат, и остановимся на своеобразных трудностях, с которыми приходится сталкиваться при формули­ ровании теории, объясняющей колебания климата, будь то есте­ ственные изменения или изменения, вызванные деятельностью человека.

3.4.1. Различия между естественными и искусственными воздействиями

Определить, оказывал ли человек своей деятельностью сколь­ ко-нибудь значительное влияние «а эволюцию глобального кли­ мата и может ли он повлиять на нее в будущем, — сложная

проблема. Она выходит за рамки простого установления причины и следствия. Можно указать на два главных обстоятельства, усложняющие данную проблему:

во-первых, трудно предсказать количественные последствия какой-либо причины, естественной или вызванной деятельностью людей;

во-івторых, еще труднее установить, что является следствием естественных причин и что происходит благодаря деятельности человека.

Что касается первой из этих трудностей, то цепь событий от первопричины до конечного следствия слишком длинна и запу­ танна, чтобы свести ее к понятиям одного или нескольких взаи­ модействующих физических процессов. Иногда проводят анало­ гию со следующим: нет необходимости понимать теорию горе­ ния для того, чтобы зажечь спичку. Для случая взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью эта аналогия не го­ дится. Процессы превращения энергии в атмосфере настолько разнообразны и запутанны, что не сразу очевидно, к чему может привести введение небольшого количества энергии во всю си­ стему: сделает ли оно последнюю более устойчивой или, наобо­ рот, неустойчивой. Столь упрощенные аргументы нельзя приме­ нить к такой сложной системе, как система Земля—океан—ат­ мосфера.

В отношении второй трудности следует еще раз подчеркнуть, что значимость вмешательства человека в эволюцию глобаль­ ного климата надо рассматривать на фоне естественных колеба­ ний климата, т. е. тех, которые происходили бы, если бы не было человека и его деятельности. Если, например, влияние человека на глобальный климат было бы пренебрежимо мало по сравне­ нию с естественными колебаниями, возможно, что человеческий род и его экология должны были бы лишь приспособиться к си­

вые трудности.

Таким образом, мы пришли к необходимости проникнуть в существо как естественных, так и искусственных причин изме­ нения климата. Совершенно очевидно, что для этого потребуется создать общую теорию климата и его изменений. Только путем создания и развития такой теории (на хорошей физической и математической основе) мы сможем установить степень воздей­ ствия человека на глобальный климат.

3.4.2. Общая формулировка динамической теории климата

Общая цель теории климата заключается в том, чтобы пред­ сказать глобальный или крупномасштабный климат атмосферы. Мы принимаем как заданные характер поступления солнечной ра-

50

диации, форму, положение в пространстве и орбиту Земли, пре­ обладающие условия на океанах и суше, состав земной ат­ мосферы.

Хотя существуют определенные математические особенности и трудности в формулировании теории предсказания, можно по­ лагать, что физический и математический фундамент для общей теории климата хорошо установлен и хорошо известен. Фундамент теории составляют законы сохранения количества движения, массы и энергии в комбинации с термодинамическими и химиче­ скими законами, управляющими изменением состава или состоя­ ния атмосферы.

Для того чтобы лучше понять, как эта теоретическая основа применяется к эволюции системы Земля—атмосфера, рассмот­ рим динамические принципы, которые управляют поведением пассивной атмосферы. При этом исходят из гипотетически из­ вестных влияний поверхности суши и моря, а также астрономи­ чески определенного притока радиации на поведение атмосферы. При таких гипотетических обстоятельствах поведение атмосферы было бы полностью определено, однако причинно-следственные связи атмосферных процессов от этого не стали бы проще. Про­ цессы в атмосфере зависят от вертикального обмена теплом, влагой, количеством движения и другими свойствами между ат­ мосферой и поверхностью суши или моря, т. е. от процесса, свя­ занного с квазислучайными, мелкомасштабными движениями и термической конвекцией вблизи поверхности.

Кроме того, на атмосферные процессы прямо влияет местный нагрев или охлаждение, в частности, из-за поглощения или из­ лучения инфракрасной радиации подстилающей поверхностью и другими поглотителями, содержащимися в воздухе. Радиаци­ онный нагрев в свою очередь зависит от количества солнечной радиации, падающей на каждый элемент атмосферы, и от при­ роды и концентрации поглощающих и испускающих составляю­ щих каждого элемента. Таким образом, необходимо точно нахо­ дить или предсказывать распределение некоторых компонентов атмосферы, а именно: льда, жидкой воды, водяного пара, угле­ кислого газа и разнообразных естественных и искусственных частиц.

Последнее требование приводит к новым трудностям. Содер­ жание воды в атмосфере постоянно меняется в зависимости от изменения движений воздуха и локального термодинамического состояния атмосферы; состав атмосферы также изменчив и сильно зависит от мощности источников и стоков, величины дис­ персии, хода химических реакций в атмосфере (см. главу 8).

Другим важным фактором притока тепла в атмосферу яв­ ляется высвобождение скрытой теплоты при конденсации водя­ ного пара. Этот процесс зависит не только от интенсивности ин­

стиц, на которых конденсируется водяной пар, и, так же как ра­ диационный нагрев, от распределения 'некоторых компонентов атмосферного воздуха.

Краткое рассмотрение основных механизмов притока тепла в атмосферу позволяет понять, что даже «внутренняя» динамика атмосферы и процессы обмена в ней сильно связаны и взаимо­ действуют друг с другом: радиационный нагрев влияет на кон­

о которых говорилось выше, могут быть отнесены к разряду гипо­ тетических. Влияние подстилающей поверхности (суши и моря) нельзя произвольно задавать точно определенными параметрами. Они также изменчивы и зависят от непрерывно меняющихся усло­

шероховатостью суши или моря, температурой поверхности моря, влажностью почвы, характеристиками снежного и ледяного по­ крова.

В свою очередь характеристики поверхности определяются радиацией, получаемой или теряемой, обменом теплом и водя­ ным паром, осадками, переносом воды на подстилающей поверх­ ности и внутренними процессами переноса в море и в почвен­ ном слое. Например, температура почвы сильно зависит от испарения почвенной влаги и проводимости тепла в почве с изме­ няющейся теплоемкостью. Подобно этому влажность почвы за­ висит от испарения, осадков и диффузии влаги в почве с меняю­ щейся пористостью. Некоторые из этих характеристик земной поверхности более детально будут обсуждены в главе 7.

Характеристики поверхности моря также изменчивы и сильно зависят от средних условий в атмосфере. Температура поверх­ ности моря зависит от океанических течений, которые сами об­ условлены движением атмосферы. Таким образом, очевидно, что «внешняя» динамика подстилающей поверхности и процессы ее изменения также связаны между собой и с «внутренней» дина­ микой атмосферы.

В главе 5 мы остановимся подробнее на различных радиа­ ционных, термодинамических процессах и процессах переноса, которые составляют «внутреннюю» и «внешнюю» динамику климата.

52

12.F 1 о h n H. Grundfragen der Paläoklimatologie im Lichte einer theoretischen Klimatologie.— Geol. Rdsch., 1964, Bd 54, S. 504—575.

21.L a m b H. H„ 1968.

22.L a m b H. H. Volcanic dust in the atmosphere: with a chronology and an

53

Г л а в а 4

ВЛИЯНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА НА КЛИМАТ

4.1. ВВЕДЕНИЕ

Можно не сомневаться, что человек, изменяя окружающую среду, так или иначе изменил климат обширных районов зем­ ного шара, а также, вероятно, повлиял и на глобальный климат. Насколько велико это влияние, мы точно не знаем. В настоящей главе мы выясним пути, по которым оно осуществилось или могло бы осуществиться, и кратко отметим некоторые тенденции.

4.2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Одним из наиболее очевидных влияний человека на окружаю­

в воздухе следы произведенных человеком загрязняющих веществ. Частицы и газовые примеси влияют на тепловой баланс ат­ мосферы, так как они изменяют потоки солнечной и инфракрас­ ной земной радиации. Частицы также участвуют в начальной фазе конденсации в облаках. Здесь мы остановимся в общих чер­ тах на факторах, которые управляют распределением атмосферных

Обычно они вымываются осадками. Концентрация частиц пони­ жается по мере удаления от источника по направлению ветра.

55

центрированы в отдельных широтных поясах. Такое зональное распределение особенно важно, поскольку сами ветры имеют тенденцию к зональности.

К главным системам ветров на земном шаре в нижней ат­ мосфере относятся: восточные пассаты субтропиков, замечатель­ ные своей устойчивостью; западные ветры умеренных широт, ко­ торые изменчивы вследствие перемещения систем высокого и низкого давления; полярные восточные ветры, относительно сла­ бые и изменчивые. Муссоны являются системами ветров, опреде­ ляемыми температурными контрастами между континентом и океаном, и поэтому дважды в год они меняют направление на противоположное или близкое к нему.

Опыты с трассерами, такими, как шары и радиоактивные частицы, показывают, что, несмотря на изменчивость ветров, примеси перемещаются в основном зонально с небольшой со­ ставляющей к северу и югу вследствие меандрирования линий тока, на которые накладывается медленный меридиональный дрейф, зависящий от широты и сезона. Это справедливо для всех уровней тропосферы и стратосферы.

Основными источниками естественной атмосферной пыли яв­ ляются почва и обломки скал в засушливых районах земного

пыли собирается над земной поверхностью именно в этих широ­ тах. Кроме того, пустыни Северной Африки, Юго-Западной и Центральной Азии «поставляют» существенные количества твер­ дых частиц, которые переносятся муссонами и пассатами. Как будет показано в п. 4.4.2, эти источники пыли появились не без участия человека.

Влияние таких источников частиц прослеживается по со­ ставу глубоководных осадков в широтах, где расположены ис­ точники. Например, в северной части Тихого океана имеются пояса илистых отложений, состоящих из минеральных и кварце­ вых частиц, происходящих, по-видимому, из пустынных и степ­ ных зон Европы и Азии [8]. Свидетельство переноса материко­ вого материала из западной части Австралии в Индийский океан преобладающими юго-восточными пассатами найдено в осад­ ках на дне Индийского океана к западу от Австралии.

Вулканы выбрасывают газы и твердые частицы в атмосферу преимущественно в двух широтных поясах: в узкой зоне между 56 и 65° с. ш., где расположены вулканы Камчатки, Алеутских островов, Аляски и Исландии, и в более широкой зоне вдоль экватора между 8° ю. ш. и 15° с. ш., где находятся вулканы Ин­ донезии, Филиппин, Центральной Америки, Экуадора, Галапа­ госских островов и Карибского моря [6]. В 60-х годах произошло семь сильных извержений: четыре в поясе полярного круга и три в экваториальной зоне. Продукты извержения проникли даже в стратосферу. Никогда еще не отмечалось, чтобы пыль из север­ ной зоны достигала южного полушария, хотя вулканическая пыль,

56