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

выброшенная на экваторе, наблюдается как в южном, так и в северном полушарии. Обычно в результате вулканической дея­

чено в средних широтах северного полушария. Газы и частицы, намеренно или непредумышленно выброшенные в атмосферу, за­ грязняют ее. Валовой национальный продукт (ВНП) страны определяется расходованием материалов и энергии и может быть использован как мера потенциального загрязнения атмосферы. Девять стран (Соединенные Штаты Америки, Советский Союз, Япония, Федеративная Республика Германии, Франция, Велико­ британия, Канада, Китайская Народная Республика и Италия) имеют ВНП больше чем на 7 • ІО10 долларов каждая, в сумме 1,9-ІО12 долларов. Все эти страны расположены в средних ши­ ротах северного полушария. ВНП каждой из следующих 12 стран: Индии, Польши, Австралии, Швеции, Нидерландов, Ис­

1,5-ІО10 долларов, составляя в сумме 2,0 -ІО11 долларов. Из этих 12 государств девять тоже находятся в средних широтах север­ ного полушария, Индия и Бразилия —в тропиках и только Ав­ стралия— в южном полушарии. Таким образом, промышленные объекты выбрасывают в атмосферу примеси в области действия

ляются химически стойкими газами, поэтому они очень широко распространяются, пополняя обычный состав газов атмосферы. Есть газы, которые недолго находятся в атмосфере и превра­ щаются в другие газы или преобразуются в частицы. Примерами таких короткоживущих газов или летучих веществ являются

изводятся.

Чтобы понять влияние короткоживущих газов или летучих веществ, мы должны принять, что они переносятся от их источ­ ников в индустриальных областях вместе с частицами, которые

57

поскольку существует постоянный перенос отходов в морскую среду. Пресноводные озера также получают значительное коли­ чество отходов, что ясно видно из роста кислотности дождя в большей части Европы [13].

4.3. ПРОИЗВОДСТВО И ВЫСВОБОЖДЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Поскольку выброс частиц и газов в атмосферу обычно назы­ вается загрязнением атмосферы, аналогичный выброс тепла часто называется термическим загрязнением. В реках и эстуариях тер­ мическое загрязнение стало источником воздействия на жи­ вотных и растения. По-видимому, при непрерывно возрастающих потребностях в энергии мы должны серьезно задуматься над проблемой возможного влияния термического загрязнения и на атмосферу.

Наибольший вклад энергии дают те отрасли деятельности человека, которые связаны со сжиганием ископаемого горючего:

также следует учитывать при любом прогнозировании будущего. Другие источники энергии представляют собой естественные энергетические процессы в системе Земля—атмосфера. Гидроэлек­ тростанции, которые теперь производят около 2% всей энергии, используют только потенциальную (превращаемую в кинетиче­ скую) энергию воды, запасенной в горах в процессе круговорота воды в природе. Очень малые вклады геотермальной, прямой сол­ нечной и ветровой энергии нет необходимости рассматривать отдельно. К сожалению, существующие данные не позволяют нам

оценить эти источники.

4.3.1. Распределение искусственных источников тепла

Мировое производство энергии в 1970 г. составляло 7,5Х ХЮ9 т угольного эквивалента в год [18, 24]. Используя 8100 кал/г угля как энергетический эквивалент \ можно подсчитать, что мировое производство энергии в 1970 г. составило 6 - ІО19 кал/год, или 8 *10б МВт.21 Темпы роста производства энергии мы будем рассматривать в следующем параграфе. В табл. 4.1 величины высвобождаемой энергии сравниваются с общим количеством солнечной радиации, приходящей на поверхность Земли.

В 10-х годах XX в. расчеты для Берлина и Вены были вы­ полнены Шмидтом [19], однако он предполагал неполное сгора­ ние и тем самым недооценивал производство энергии на 50% • Аналогичные расчеты для Шеффилда были осуществлены в 1952 г.

58

Таблица 4.1

Источники и величины энергии

(Япония, Италия) Eh меньше, но может превышать 20 кВт на душу населения в городах с суровыми зимами. Такие средние по стране данные позволяют рассчитать минимальные значения для городов и индустриальных областей, когда недоступны локаль­ ные данные. Если Eh выражено в киловаттах на душу населе­

дустриальных районов и крупных стран. По данным Шмидта, откорректированным для полного сгорания, мы получили для начала XX в. следующие величины Eh: для Вены 0,75 кВт, для Берлина 1,4 кВт на душу населения. Физиологическая энергия человека составляет всего около 0,12 кВт, поэтому часто ею можно пренебречь, так же как и энергией обмена веществ в те­ лах животных.

59

и городов в основном за период с 1965 по 1968 г. Данные, от­ носящиеся к застроенным частям городов, могут быть завышены. Некоторые данные характеризуют ненаселенные области, такие, как леса, озера, горы и т. д., где плотность потока энергии трудно оценить. Поскольку в американских городах движущиеся источ­ ники потребляют около 25% всей энергии, оценки плотности по­

60

величины, что и общий приток естественной радиации, а в вы­ сокоиндустриальных городах, таких, как Москва, даже больше [16].

• 3

400

300 -

61

областями дает лишь очень приближенные результаты. В табл. 4.3 приведены для сравнения данные по ряду стран. Только в та­ ких областях, как «Мегалополис» 1 между Бостоном (штат Мас­ сачусетс) и Вашингтоном (округ Колумбия), или в индустриаль­ ной зоне на северо-западе ФРГ и в южной Бельгии (между Дортмундом и Кале) стационарные тепловые источники распре­ делены настолько плотно, что имеет смысл осреднение для пло­ щадей от ІО4 до ІО5 км2. В таких областях уже достигнут энер­ гетический уровень от 5 до 10 Вт/м2, или около 10% суммарной солнечной радиации.

4.3.2. Скорость роста производства энергии

Годовой прирост производства энергии постепенно растет. В докладе «Изучение критических проблем окружающей среды» [22] по данным ООН годовой прирост принят равным 5,7% для всего мира. В некоторых странах (Италия, Япония) он уже до­ стигает 10% и более. (Годовой прирост 5,5% эквивалентен росту в 5 раз за 30 лет.) Таким образом, мы можем ожидать дальней­ шего расширения промышленных районов со значительным вкла­ дом искусственной энергии и появления большого числа областей размером от ІО3 до ІО4 км2, в которых дополнительный подвод энергии имеет тот же порядок величины, что и естественный приток радиации. В глобальном масштабе современный незна­ чительный вклад континентальной поверхности в тепловой бюд­

примерно 50 Вт/м2 к 2050 г.; подобные цифры могут быть полу­ чены для восточных областей Соединенных Штатов Америки. Однако наши предположения о постоянстве темпов роста энер­ гии и однородном распределении потребления искусственного тепла на больших площадях могут оказаться нереальными.

4.4. ИЗМЕНЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Человек в процессе своей деятельности изменяет ландшафт, причем он делает это уже на протяжении тысячелетий. Напри­ мер, анализы пыльцы европейских торфяных болот показывают, что около 3000 лет до н. э. имело место уменьшение количества пыльцы деревьев, связанное с возникновением скотоводства и с последующим сокращением лесов [20]. В последующие века

1 «Мегалополис» — город-гигант. Обычно он объединяет несколько городов.—

Прим. ред.

62

воздействие человека на среду временами вело к ее улучшению (осушение болот, например), а временами — к ухудшению (рас­ сечение местности поселениями, создание полупустынь в засуш­ ливых областях ,в результате выпаса скота).

Сейчас на Земле осталось мало мест, где сохранились есте­ ственные условия, и степень изменений, производимых челове­ ком, усиливается. Это проявляется, например, в быстром расши­ рении застраиваемых областей, в расчистке джунглей, в осуше­ нии болот. Кроме того, техника XX в. позволяет человеку про­

ской зоне, бурение дна океана в поисках нефти и газа, а также бурение в Арктике; самолеты, вертолеты и вездеходы обеспе­ чивают большую подвижность и возможность проникновения в труднодоступные, дикие места. Даже в середине океанов чело­ век оставляет следы в виде нефтяных пятен. В некоторых райо­ нах земного шара, правда в небольших масштабах, наблюдается обратная тенденция: сельскохозяйственные угодья вновь стано­ вятся лесами.

4.4.1. Урбанизация и индустриализация

Развитие промышленности и урбанизация, так же как и выбра­ сывание примесей и тепла в атмосферу и водные объекты, изме­ няют ландшафт. В принципе эти изменения могут влиять на па­

Эффекты воздействия индустриализации и урбанизации можно разделить на несколько категорий:

выбросы водяного пара, летучих органических соединений и частиц (см. пп. 4.2, 5.1, 5.2 и главу 8);

выбросы тепла (см. п. 4.3 и главу 7); изменения альбедо поверхности — здания и дороги с различ­

ными отражательными свойствами (см. главу 7); изменения шероховатости — здания (см. главу 7).

Всякий процесс, изменяющий тепловой баланс атмосферы, может влиять на климат, по крайней мере локально, и первые три из вышеперечисленных эффектов как раз это и делают. Од­ нако изменения альбедо в общем не очень велики, за исключе­ нием тех периодов, когда имеется снежный покров и очищенные от снега улицы поглощают больше солнечного тепла. Больший приход тепла в городе в солнечный полдень по сравнению с окру­ жающей местностью объясняется в основном малой тепло­ емкостью стен и крыш зданий и отсутствием охлаждения в ре­ зультате испарения влаги растениями. Последний из перечислен­ ных эффектов также играет роль, потому что между зданиями вентиляция слабее, чем на открытой местности, вследствие чего

63

воздух на улицах несколько застаивается. Однако этот эффект, вероятно, не имеет большого значения для изменения климата района в целом.

Несмотря на неопределенность количественных представлений о влиянии городов на климат, мы озабочены быстрым ростом го­ родов, занимающих земли, бывшие сельскохозяйственными угодьями. Существуют проекты, по которым за 50 лет весь бас­ сейн озера Эри будет изъят из сельскохозяйственного землеполь­ зования. «Расползание» пригородов является широко распростра­ ненным явлением XX в., и мы рекомендуем регулярно инвента­ ризировать используемые земли и в международном масштабе координировать использование земель, чтобы иметь возможность контролировать эту тенденцию в будущем.

4.4.2. Использование земли вне городов

Хотел того человек или нет, но в прошлом он уже значительно изменил климат, когда стал использовать под пашни и пастбища земли, покрытые естественной растительностью. На протяжении последних 8000 лет существенно уменьшились площади степей и лесостепей, непрерывно превращаемых человеком в пахотные земли, где почва остается более или менее обнаженной в течение нескольких месяцев во время ее культивации. В этот период про­ изводство СОг бактериями почвы продолжается, в то время как непосредственный расход СОг на ассимиляцию прекращается.

Несколько позже началась вырубка густых хвойных и лист­ венных лесов, некогда покрывавших обширные области Европы, восток США и горы Юго-Западной Азии от Турции до Афгани­ стана.

В тропических широтах созданием человека являются саванны с их травянистым покровом; естественный тип растительности в полувлажных тропиках — это сухой лиственный лес, который по­ степенно был уничтожен лесными пожарами, возникавшими вслед­ ствие широко распространенной практики сжигания местным населением засохшего во время сухого сезона кустарника. Лесные пожары могли быть вызваны также молниями в дождливый сезон, но это, видимо, случалось сравнительно редко (может быть, один раз в 10—50 лет), да и пожары в сезон дождей не могли быть сильными и продолжительными среди влажной растительности. Влияние частиц, попадающих в атмосферу в результате сжига­ ния кустов и при лесных пожарах, на лучистый приток тепла рассматривается в главе 8.

Сжигание засохшего кустарника широко распространено в тропической Африке, северо-восточной Бразилии и в некоторых полувлажных областях Центральной Америки и Юго-Восточной Азии, в то время как в Индии пользуются этим методом преи­ мущественно для превращения зарослей в пахотные земли. Пло­ щадь измененных таким способом лесов и лесостепей умеренных широт по приближенным оценкам составляет ( 1 , 5 2 ) • ІО7 км2.

64

В конце концов «культурное» использование земель, площадь которых достигает (2,5 4- 3) • ІО7 км2, или 18—20% общей пло­ щади континентов, изменило их коренным образом с существен­ ными последствиями для теплового и водного балансов. К со­ жалению, более точную картину получить невозможно.

Во многих засушливых или полузасушливых областях растущие потребности в воде привели к постепенному сокраще­ нию ресурсов подземных вод. Если это сокращение продлится несколько десятилетий, то нарушится региональный водный ба­

бищ), особенно в Африке и Юго-Восточной Азии. Там, где со­ хранена первоначальная растительность, например в запретных зонах, контраст особенно разителен. Примером может служить

по сравнению с 5% вне ее; здесь первоначальная сухая степь

дал Брайсон [1] около Джодхпура в Индии. Во многих областях

вследствие использования земель под пастбища.

Вызывает беспокойство сокращение площадей, занятых ле­ сами, в тропиках, где выпадают значительные осадки и сущест­ вование растительности зависит от удержания необходимых ми­ неральных веществ в сравнительно тонком слое гумуса. На про­ тяжении веков питательные вещества вымывались из почвы обильными осадками. В таких областях тропические леса на больших площадях превратились в пустынеподобные территории с латеритовыми почвами вследствие попыток выращивать сель­ скохозяйственные культуры. После одного-двух вегетационных сезо­ нов сильно выветренные почвы (лишенные своего основного по­ крытия и с вымытым слоем гумуса) становятся голыми и покры­ ваются водонепроницаемым, твердым слоем каолиновых глин.

4.5.УПРАВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫМИ

ИПОДЗЕМНЫМИ ВОДАМИ

4.5.1. Запруживание рек и создание новых озер

Управление расходом рек для ирригации, регулирования па­ водков и осушение болот были одной из наиболее ранних форм ор­ ганизованной деятельности человека. В последнее время строи­ тельство крупных гидроэлектростанций потребовало крупномасш­ табного запруживания рек с последующим образованием новых озер, достаточно больших для того, чтобы некоторые из них появи­ лись на картах мира. Течение рек стало настолько зарегулирован-5

ным, что во многих случаях естественные годовые колебания уровня в нижнем течении рек резко уменьшились по сравнению с первоначальными амплитудами. Некоторые реки даже перебро­ шены через водоразделы и несут свои воды в совсем другие части океана.

Все это оказывает влияние на атмосферу. Альбедо открытой воды существенно меньше альбедо других поверхностей. Лед, по­ крытый снегом, имеет очень высокое альбедо. Вследствие этого и количество, и сезонное распределение поглощенного солнечного тепла могут быть изменены путем увеличения или уменьшения площадей, покрытых водой.

Почти вся полученная поверхностью суши солнечная энергия

значительно позже — через месяцы и даже годы (в случае океана). Кроме того, поскольку температура поверхности воды мо­ жет заметно отличаться от температуры почвы в тех же условиях, распределение тепла между потоками длинноволновой радиации, турбулентным переносом тепла и испарением может значительно изменяться, когда создаются новые водохранилища. Это особенно справедливо, если водоем находится в засушливой области (на­ пример, Большое Соленое озеро на западе США и озеро Насера в Египте), где горячие сухие ветры с суши могут вызывать боль­ шое испарение. В таком случае тепло, поглощенное окружающей засушливой областью, косвенно используется для усиления испа­ рения. Содержание водяного пара в воздухе, проходящем над во­ дой, увеличивается, что влияет на радиационный баланс, а в ко­ нечном итоге — на осадки (см. п. 7.4.3).

4.5.2. Ирригация засушливых земель

Другим процессом, преобразующим климат, является иррига­ ция. По данным [14], 1700 км3/год невозвращаемой ирригационной воды изменяют примерно на 5% количество осадков на суше. 1700 км3/год дополнительного испарения составляют примерно 2% годового испарения с поверхности суши.

Некоторые количественные соображения можно получить срав­ нением энергии, потребной для испарения ирригационной воды, с энергией, вводимой человеком в окружающую среду, хотя про­ изводимые ими эффекты совсем различны. Чтобы испарить 1700 км3 воды, требуется более ІО8 МВт. Как установлено в п. 4.3.1, производство энергии человеком сейчас составляет около 8- 10е МВт. Из различия порядков этих величин нельзя сделать вывод о том, что важнее для климата— ирригация или производство энергии, поскольку, в то время как производство энергии непосредственно входит в общий баланс тепла земного шара, прямое влияние энер­ гии, используемой для испарения ирригационной воды, состоит

66