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

в ускорении влагооборота. Все тепло, расходуемое на испарение, возвращается в атмосферу в результате процессов конденсации водяного пара. Кроме местных эффектов, которые велики, глобаль­ ное климатическое воздействие ирригации будет зависеть от та­ ких косвенных ее влияний, как изменения облачного покрова и результирующее влияние на радиационный баланс. Оценка этих эффектов является исключительно сложной проблемой, и, как ука­ зано в других местах настоящей книги, мы не имем пока подхо­ дящего метода для соответствующих количественных расчетов.

Однако один косвенный эффект может быть вычислен, и он оказался довольно значительным. На орошаемых территориях про­ израстает растительность, имеющая значительно меньшее альбедо, чем оголенная поверхность. Интересным следствием этого явля­ ется тот факт, что локальная температура при ирригации понижа­ ется вследствие усиления испарения, глобальная же температура повышается в результате уменьшения отражения приходящей сол­ нечной радиации. Если учесть этот эффект, то, согласно расче­ там Будыко [4], современная ирригация должна вести к повыше­

в воде для ирригации, водопровода, промышленности и производ­ ства энергии будет в 5 раз больше. Таким образом, количество ис­ паряемой воды будет в 3 раза больше, чем в 1965 г. Поэтому не­ обходимо ожидать существенного усиления общего влияния ирри­ гации на глобальное альбедо и влияния деятельности человека на влагооборот (см. п. 7.4).

4.5.3.Влияние ирригации на подземные воды

Вп. 4.4.2 мы обсудили вопрос об изменениях естественной рас­ тительности, которые вызвал человек в полузасушливых областях. Существует важный побочный продукт этого воздействия, не при­ влекший к себе того внимания, которое он заслуживает. Это эф­ фект «добычи» подземных вод, накопившихся за предыдущие кли­ матические эпохи, когда осадков было больше, чем теперь.

Пример можно найти в Северной Африке. В оазисах Сахары, образовавшихся в дороманскую эпоху, недавнее расширение сель­ ского хозяйства, главным образом увеличение количества высоко­ ценных финиковых пальм, оказалось возможным только благодаря использованию подземных вод, законсервировавшихся на больших пространствах во время последнего оледенения и имеющих воз­ раст от 20000 до 25 000 лет [10]. В оазисах южного Туниса сель­ скохозяйственная продукция выросла по крайней мере на 50% и более, вероятно до 80—100%. Например, в группе оазисов Нефзауа большое число финиковых пальм выращивается с 1947 г.

Предположим более или менее линейную корреляцию между сель­ скохозяйственной продукцией и потребностями в воде. При таком условии современное водоснабжение должно превышать водоснаб­

жение в конце прошлого века по крайней мере на 50%. Это озна­ чает усиление среднего испарения приблизительно на 2% на пло­ щади около 35 000 км2, из которых только 150 км2 занято оази­ сами. Поскольку среднее количество осадков в пределах этой области остается постоянным со времени начала регулярных наблю­ дений (около 1903 г.), наблюдаемое падение уровня грунтовых вод на несколько метров можно объяснить только увеличением рас­ хода, .вызванным эксплуатацией запасов подземных вод с боль­ шей скоростью, чем они могут пополняться при современных кли­ матических условиях.

Наряду с этим истощением невосполняемого источника воды, которое является очевидным и очень важным для определенных областей, подземные воды достаточно быстро извлекаются и во многих других местах, так что уровень их падает. Грунтовые воды, содержащиеся в порах почвы и трещинах скал, составляют около 5% общего количества свободной воды (93% в океане, 2% в по­ лярных льдах) [15]. Так как человек расходует их, намеренно вы­ качивая или возбуждая артезианские потоки (обычно для иррига­ ции), запасы грунтовых вод сокращаются, а там, где есть грун­ товые соленые воды вдоль берега, они продвигаются, замещая пресную воду. И в данном случае человек изменяет природные процессы Земли (хотя не климат в данном случае); этот вопрос обсуждается в пп. 5.4 и 7.4.5.

4.5.4. Изменение океанических вод

Масса воды, содержащейся в океанах, в несколько сотен раз больше массы атмосферы, поэтому очевидно, что намного труднее заметно изменить свойства всей массы океанических вод. Однако поверхностные слои океана изменить сравнительно легче, а ведь именно они определяют непосредственное взаимодействие между океаном и атмосферой, которое является очень важным процес­ сом (см. пп. 3.4.3, 6.8.2 и 7.3).

Нет недостатка в предложениях по изменению океана. Напри­ мер, в большей части океана биологическая продуктивность верх­ них слоев определяется доступным количеством питательных ве­ ществ, таких, как нитраты и фосфаты. Эти вещества существуют в изобилии в слоях воды на глубине нескольких сотен метров. Поверхность океана можно было бы «удобрять», накачивая глу­ бинные воды (может быть, используя энергию волн). Эти глубин­ ные воды имеют значительно более низкую температуру, чем поверхностные, поэтому влияние океана на атмосферу стало бы иным. С другой стороны, если подъем воды производить, исполь­ зуя глубинную холодную воду как охлаждающую воду для круп­ ных электростанций, местная температура поверхности измени­ лась бы мало, но перенос тепла в океане усилился бы, что также привело бы к климатическим эффектам (см. и. 5.3).

Суть другого предложения заключается в том, чтобы пополнять ресурсы пресной воды некоторых территорий южного полушария

68

перемещением больших объемов антарктического льда на север. Это усилило бы меридиональный перенос тепла, в настоящее время осуществляемый естественным путем — океаном и атмосферой.

Хотя такое прямое вмешательство пока остается в стадии предположений, человек уже оказывает побочное воздействие на

в океане. В качестве хорошо известного примера можно привести воздействие Чикагского судоходного канала, который перебрасы­ вает воду из озера Мичиган (часть системы реки Св. Лаврентия) в систему Миссисипи. Эта переброска вызывает повышение соле­ ности вод залива Св. Лаврентия и снижение ее в Мексиканском заливе.

Изменения солености, вызываемые переброской вод, а также регулированием течения рек, имеют довольно слабый эффект. Низкая соленость в верхних слоях воды увеличивает устойчивость этой воды (плотность пресной воды меньше, чем соленой), пре­ пятствует распространению перемешивания вглубь и создает тон­ кий поверхностный слой с меньшей термической «инерцией».

Возможно, более важен контроль расхода рек, впадающих в районы океана, замерзающие зимой. Скорость замерзания,- при­ рода льда и количество льда, образующегося на протяжении зимы,

— все это зависит от солености и устойчивости верхнего слоя от­ носительно пресной воды, имеющего толщину около 10 м.

4.6. ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОГОДУ

Большинство воздействий, оказываемых человеком на климат, является побочным результатом попыток достичь различных це­ лей, не связанных с климатом или погодой. Однако засевание обла­ ков ядрами замерзания, такими, как кристаллы йодистого се­ ребра, имеет целью изменить погоду. Спустя некоторое время это могло бы изменить и климат.

Влияние этой деятельности на климат впоследствии стало бы до некоторой степени мерой ее успешности. Пока еще нет единого мнения относительно того, какие искусственные воздействия на погоду можно считать успешными. Нет сомнений, что засевание может изменять структуру облака. В тех случаях, когда целью воздействия является увеличение осадков, вводят ядра замерза­ ния, имея в виду, что переохлажденные облака посредством этого будут более подготовлены к выпадению осадков. В других опытах для изменения структуры теплых облаков используются частицы поваренной соли. Контролируемые эксперименты с отдельными облаками часто давали положительные результаты; при экспери­ ментах в некоторых районах обнаруживали полосы увеличения осадков на 10—20% при достаточном уровне статистической значи­ мости, но в других местах не было заметного усиления осадков и даже отмечалось их ослабление [26].

69

Многие неопределенности относительно эффективности засева­ ния облаков возникают из-за трудности получения достаточного количества хорошо контролируемых данных, отвечающих требова­ ниям статистической однородности. Большая изменчивость есте­ ственных осадков создает эту трудность даже в экспериментах, поставленных наилучшим образом.

Приводит ли успешное вызывание дождя к увеличению осадков в глобальном масштабе или оно обусловливает только их перерас­ пределение? Это зависит от ряда факторов. В табл. 7.6. показано, что от 3/4 до 9/ю ирригационной воды испаряется посредством эвапотранспирации. Если искусственно вызванный дождь также в значительной мере испаряется, то результатом является увели­ чение скорости обмена в процессах влагооборота. С другой сто­ роны, если достаточно большая часть вызванного дождя дает

Облака засеваются не только для вызывания дождя. В неко­

в осадки, необходимые в некоторых областях, и влиять на испа­ рение, перемешивание океанических вод и перенос тепла в атмо­ сфере. Когда управление станет возможным, его следует осуще­ ствлять с большой осторожностью и с учетом более важных последствий, чем местные и немедленные эффекты.

Подобно многим предприятиям человека, засевание облаков показывает возможность неожиданных побочных эффектов. Неко­ торые авторы, включая Эллиота и Гранта (не опубликовано), сообщают о существенных эффектах, наблюдаемых в направле­ нии «по ветру», что указывает на влияние засевания за пределами района, где производится засевание. Такие эффекты требуют при­ сутствия каких-то усиливающих механизмов, о которых мы пока только догадываемся.

Возможность неожиданных крупномасштабных эффектов требует намного большего понимания и управления засеванием, чем те, что существуют в настоящее время. Информацию о выборе вре­ мени и характере операций по засеванию следовало бы собирать централизованно и делать доступной для научной общественности. Без такой информации трудно определить насколько успешны отдельные засевания. Вполне возможно, что их эффекты ней­ трализуются или усиливаются засеваниями где-либо в других местах. Централизованный сбор информации о производимых за­ севаниях очень важен также для суждения о региональных эф­ фектах.

70

4.7.ТРАНСПОРТ

4.7.1.Автомобили

Автотранспорт вносит свой вклад в изменение климата двумя путями: во-первых, он выбрасывает в атмосферу аэрозольные ча­ стицы и выхлопные газы, которые могут влиять на поле радиации и осадков; во-вторых, для этого вида транспорта необходимы до­ роги, изменяющие отражательные и тепловые свойства земной

(а именно гидрокарбонат и окислы азота). Абсолютные и относи­ тельные количества этих загрязнителей, содержащихся в выхлопах моторного транспорта, работающего на бензине и дизельном топливе, зависят от нескольких факторов, в том числе от конструк­ ции двигателей, условий содержания и техники вождения. Напом­ ним, что выбросы от других видов транспорта, таких, как железно­ дорожный и водный, пренебрежимо малы.

Многочисленные автострады и шоссейные дороги в развитых странах в малой степени могут влиять на тепловой баланс Земли. В зависимости от конструктивных особенностей дороги альбедо ее поверхности может быть больше или меньше альбедо окружаю­ щего ландшафта. Смысл проблемы можно уяснить из данных для Соединенных Штатов Америки. Общая протяженность дорог США 5,9-ІО6 км, причем 5,1 ■ІО6 км приходится на сельские дороги и 0,8- ІО6 км — на муниципальные [27]. При средней ширине 12 м до­ роги Соединенных Штатов занимают, таким образом, площадь около 7,0-ІО4 км2. Площадь США 8,7• 10® км2. Следовательно, около 0,8% территории Соединенных Штатов занято дорогами. Та­ кое изменение в использовании земли (в отношении площади) не так велико, как изменения, вносимые ирригацией и сельским хо­ зяйством (см. пп. 4.4.2 и 7.4), но им нельзя пренебрегать.

4.7.2. Авиация

Авиация является одним из источников загрязнения внешней среды. В 1969 г. она израсходовала около 6% мирового производ­

большая часть его продуктов выбрасывается в атмосферу довольно

от того воздействия, которое оказывала бы та же энергия, но рас­ ходуемая вблизи земной поверхности.

Большая часть загрязнений из выхлопных труб самолетов вно­ сится в верхнюю тропосферу или в слои стратосферы, расположен­

71

ные сразу над тропопаузой. Считается, что только водяной пар может быть причиной изменений климата при увеличении облаков верхнего яруса (см. п. 8.7.4).

С другой стороны, сверхзвуковые гражданские самолеты вносят продукты выхлопа главным образом в нижнюю стратосферу. Их потенциальное влияние на климат и на слой озона в стратосфере, который защищает жизнь от ультрафиолетовой радиации, рассмот­ рено в главе 9.

Можно не сомневаться, что авиационная промышленность бу­ дет расти в ближайшие 20—30 лет. Даже с дополнительным фло­ том сверхзвуковых транспортных самолетов количество пассажиро­ миль и реактивного горючего, расходуемого дозвуковыми самоле­ тами, увеличится к 1985 г. примерно втрое (Беквис, частное сообщение, 1971). Однако прогресс техники может снизить количе­ ство загрязнений на каждую пассажиро-милю, вероятно, в 2 раза. Поэтому к 1985 г. количество загрязняющих продуктов может уве­ личиться меньше чем в 3 раза. Сверхзвуковые гражданские само­ леты (СЗС) еще не введены в эксплуатацию, но проекты, пока не­ сколько сомнительные, предполагают использовать около 500 СЗС в период с 1985 по 1990 г.

4.8. ЛЕДЯНОЙ ПОКРОВ АРКТИЧЕСКОГО БАССЕЙНА

Паковый лед, покрывающий около 90% площади Северного Ледовитого океана и распространяющийся в Северную Атлантику, играет особую роль в тепловом балансе северного полушария. Причиной этого является очень большое альбедо льда; он отражает солнечную радиацию, которая при его отсутствии поглощалась бы Арктическим океаном. Это позволяет льду поддерживать свое су­ ществование, действуя охлаждающе на весь Арктический бассейн. Исходя из этой концепции, Будыко [3] и Селлерс [21] независимо предположили, что небольшое нагревание Арктики положит начало исчезновению пакового льда. Уменьшение площади ледяного по­ крова вызвало бы поглощение дополнительного количества тепла, а следовательно, и дальнейшее усиление тенденции нагревания до тех пор, пока не исчезнет лед. Небольшое охлаждение, как дока­ зывают Будыко и Селлерс, будет усиливаться подобным же обра­ зом (см. пп. 6.5, 6.7 и 6.8).

Это упрощенное объяснение роли арктического морского льда приводится здесь с целью привлечь внимание к его важности; существо проблемы рассмотрено более подробно, как она и заслу­ живает, в пп. 6.5, 7.2 и 7.3. Важным моментом является то, что ледяной покров очень чутко реагирует на любые изменения климата и в то же время способствует этим изменениям. Это свой­ ство в дальнейшем будем называть «механизмом положительной обратной связи».

Общее представление о чувствительности арктического пакового

72

вать как серьезные. Очевидной целью было создать открытый оке­ ан, который обогревал бы окружающую сушу, а также увеличить осадки в области, которая в настоящее время довольно маловодна. Однако есть причины подозревать, что общие эффекты окажутся невыигрышными. Во всяком случае, нам представляется чрезвы­ чайно безответственным принимать любые подобные меры прежде, чем ученые смогут предсказывать их последствия лучше, чем сей­ час (см. п. 7.3.1).

Вероятно, наиболее заманчивым из этих предложений является идея перекрытия плотиной Берингова пролива и перекачки вод из Ледовитого океана в Тихий. Это вызвало бы усиление при­ тока теплой атлантической воды в Ледовитый океан, сущест­ венно изменило бы тепловой баланс океана, вследствие чего об­ ласть, покрытая льдом, значительно изменилась бы или даже прекратила бы свое существование.

Другое предположение состояло в том, чтобы, распылив с гру­ зовых самолетов много тонн сажи или темной пыли по льду, усилить его таяние весной и летом. Поскольку средняя толщина пакового льда около 3 м и она уменьшается примерно до 1 м за время таяния, дополнительное тепло, поглощенное затемнен­ ной поверхностью, могло бы завершить процесс в один или два сезона.

Несмотря на то что это пока лишь предположения, они ука­ зывают на реальную для человека возможность намеренно изме­ нить глобальный климат в очень существенной мере. Мы наде­ емся, что человек приложит все усилия к тому, чтобы понять воз­ можные последствия своих действий прежде, чем попытаться это сделать.

73

Часть III

ТЕОРИЯ КЛИМАТА

ряда взаимодействующих процессов. Поэтому, для того чтобы понять последствия изменений, производимых человеком, мы рассмотрим в этой главе главные факторы и процессы, которые определяют изменения климата, как естественные, так и вызван­ ные человеком. Для удобства изложения эти процессы разделим на три группы: 1) радиационные процессы, 2) процессы переноса

всистеме океан—атмосфера, 3) гидрологические процессы. Главными факторами, которые определяют общий климат

системы Земля—атмосфера, являются приход солнечной радиа­ ции, состав атмосферы и характеристики земной поверхности. В первую очередь мы обсудим вопросы, связанные с солнечной радиацией, затем рассмотрим отражательные свойства поверх­ ности суши и моря и различных составляющих атмосферы, а также поглощение и излучение длинно- и коротковолновой радиации. Затем перейдем к движениям атмосферы и океана и той сущест­ венной роли, которую они играют в общем тепловом балансе, перенося тепло (в том числе и скрытую теплоту) из районов с положительным радиационным балансом в районы с отрица­ тельным радиационным балансом. Наконец, коротко рассмотрим гидрологические факторы климата в свете возможного измене­ ния человеком водного баланса.

5.2. РАДИАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

5.2.1. Приходящая солнечная радиация

ЗЕМЛЯ и СОЛНЦЕ

Средняя годовая величина солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы Земли в единицу времени на единицу площади, перпендикулярной солнечным лучам (т. е.

75

солнечная постоянная), составляет 1,95 кал /(см2 • мин), т. е. 0,36 Вт/см2 [2]. Почти вся эта радиация возникает в солнечной фотосфере. Хотя высказывалось множество предположений относи­ тельно вариаций солнечной постоянной (см., например, [7]), из­ менения величины общей солнечной радиации, даже порядка 1%, не были твердо установлены.

Солнечный спектр, особенно в видимой и инфракрасной ча­ стях, приблизительно соответствует распределению энергии абсо­ лютно черного тела с температурой 5800 К с некоторыми иска­ жениями, обусловленными поглощением в солнечной атмосфере. Более 90% общей солнечной радиации лежит в спектральном интервале от 4000 до 40 000 Â (1 А= 10-8 см). Максимум солнеч­ ной интенсивности находится в зеленой части видимого спектра, около 4800 Â. Большие колебания, соответствующие периодам экстремальной солнечной активности, часто наблюдаются в рент­ геновском и ультрафиолетовом (УФ) излучении. Недавние спут­ никовые наблюдения УФ радиации Солнца также указывают на колебания интенсивности порядка 10—20% в спектральной об­

красной частях солнечного спектра существенных изменений еще не зарегистрировано. Известно, что незначительные колебания наблюдаются также в солнечном потоке в области длины волны 10,7 см. Однако микроволновая часть солнечного спектра имеет очень небольшую энергию, и эти флуктуации служат лишь инди­ каторами солнечной активности. В верхних слоях атмосферы, при­ мерно выше 70 км, наблюдается четкая связь с этими колеба­ ниями солнечной радиации. Ничего подобного нет в поведении стратосферы или тропосферы.

Общая солнечная радиация, приходящая на горизонтальную поверхность на верхней границе атмосферы, зависит также от расстояния Земля—Солнце и от высоты Солнца. Два последних параметра являются функциями времени года и широты места, а также орбитальных характеристик Земли: эксцентриситета орбиты Земли, наклонения эклиптики и долготы перигелия по от­ ношению к весеннему равноденствию. В настоящее время экс­ центриситет Земли приблизительно равен 0,0167, что обусловли­ вает колебание приходящей солнечной радиации в пределах

Орбитальные элементы, вычисленные по законам небесной ме­ ханики, обнаруживают медленные колебания со средними перио­ дами порядка 100 000 лет для эксцентриситета, 40 000 лет для наклонения эклиптики и около 21 000 лет для «эффективного периода прецессии» (т. е. долготы перигелия).

Сочетание вариаций этих элементов обусловливает иррегу­ лярные флуктуации общей солнечной радиации, получаемой Зем­ лей на разных широтах. По Миланковичу [11], небольшие вели­ чины эксцентриситета и наклонения эклиптики при зимнем солнце­

76