книги из ГПНТБ / Будыко, М. И. Изменения климата

увеличении концентрации аэрозоля в нижней стратосфере (Будыко, 1972, 1974; Будыко и др., 1974).

Воздействие на аэрозольный слой стратосферы. В работах Юнге (Junge, 1963 и др.), Г. В. Розенберга (1968), Кейдла (Cadle, 1972 и др.), И. Л. Кароля (1973) было установлено, что в нижней стратосфере располагается аэрозольный слой с частицами, сред­ ний размер которых составляет десятые доли микрометра и кото­ рые состоят в основном из соединений серы.

В третьей главе даны оценки влияния этого слоя на поток ко­

массы аэрозоля в нижней стратосфере заметно изменяют «метео­ рологическую солнечную постоянную» и соответственно среднюю температуру воздуха у земной поверхности.

Рассмотрим возможность изменения климатических условий путем увеличения концентрации аэрозольных частиц в нижней стратосфере. Для этой цели рассчитаем массу аэрозоля, введение которой в стратосферу может вызвать изменение климата в мас­ штабах, наблюдавшихся в эпоху потепления 20—30-х годов, но имеющего обратное направление, т. е. обеспечивающего снижение средней температуры у земной поверхности.

Как видно из данных третьей главы, для этой цели необходимо уменьшить среднюю величину прямой радиации на 2%. что соот­ ветствует уменьшению суммарной радиации на 0,3%.

Считая в соответствии с приведенными выше данными сред­ нюю величину массы аэрозоля, уменьшающего суммарную радиа­ цию на 1%, равной 0,8 • 10-6 г/см2, найдем, что для указанной цели масса аэрозоля в северном полушарии должна быть увели­ чена на 600 тыс. т.

Возможны различные технические методы осуществления та­ кого увеличения массы аэрозоля. Рассмотрим один из них, осно­ ванный на концепции о сульфатной природе аэрозольных частиц стратосферы.

Для увеличения концентрации сульфатных частиц достаточно доставить на уровень аэрозольного слоя определенное количество сернистого газа, который затем превратится в капельки серной кислоты. Для создания 600 тыс. серной кислоты требуется около 400 тыс. т сернистого газа, который может быть образован в ре­ зультате сжигания 200 тыс. т серы.

Будем считать, что средняя длительность существования аэро­ зольных частиц в стратосфере составляет два года. Тогда для поддержания необходимой концентрации аэрозольных частиц, со­ стоящих из чистой серной кислоты, ежегодно нужно было бы до­ ставлять в нижнюю стратосферу 100 тыс. т серы. Однако из-за гигроскопичности концентрированной серной кислоты ее капельки будут абсорбировать водяной пар из воздуха, увеличивая свою массу и понижая удельный вес. В результате этого эффекта

262 Глава 7. Климат будущего

количество реагента, необходимого для заданного снижения сум­ марной радиации, значительно уменьшится. Так как точная вели­ чина концентрации серной кислоты в капельках стратосферного аэрозоля неизвестна, примем ее ориентировочное значение равным 50%. В этом случае для решения поставленной задачи потребуется около 40 тыс. т серы в год. Отметим, что эта величина меньше поло­ вины указанной выше массы серы из-за уменьшения удельного веса аэрозоля при разбавлении серной кислоты водой.

Учитывая, что современные высотные самолеты могут подни­ маться на уровень аэрозольного слоя с грузом около 15 т, найдем, что такая масса реагента может быть доставлена в нижнюю стра­ тосферу несколькими регулярно работающими самолетами, обору­ дованными устройством для сжигания серы в атмосфере.

Заслуживает внимания то, что количество реагентов, вноси­ мых в атмосферу при осуществлении изложенного здесь метода воздействия на климат, ничтожно мало по сравнению с массой вещества, поступающего в атмосферу в результате современной хозяйственной деятельности человека. Величина этой массы для рассматриваемого выше случая воздействий в десятки тысяч раз меньше количества вещества, попадающего в атмосферу под влия­ нием деятельности человека и составляющего по современным данным сотни миллионов тонн в год (Inadvertent Climate Modifi­ cation, 1971).

Также совершенно незначительно количество реагентов, осе­ дающих в конечном счете на земную поверхность, — при указан­ ном выше расходе оно будет равно в среднем около 0,2 мг серы на квадратный метр в год, что примерно в тысячу раз меньше естест­ венного выпадения серы в атмосферных осадках (Будыко и др., 1974). Очевидно, что такие количества не имеют никакого значения для загрязнения окружающей среды.

Следует указать, что хотя расчеты, на которых основаны изло­ женные здесь выводы, имеют весьма приближенный характер, можно думать, что уточнение этих расчетов в последующих иссле­ дованиях не изменит заключения о принципиальной возможности воздействия на климат современными техническими средствами путем регулирования концентрации аэрозоля в стратосфере. Такое воздействие будет возможным даже при необходимости увеличить расход реагентов на порядок, что превосходит вероятную погреш­ ность расчетов влияния концентрации аэрозоля на потоки радиа­ ции и погрешность оценки изменений температуры воздуха у зем­ ной поверхности при колебаниях метеорологической солнечной по­ стоянной.

Рассмотренный в этой работе способ доставки реагентов, ве­ роятно, является не единственным. По-видимому, нужно изучать возможность использования для доставки реагентов в стратосферу других технических средств, включая ракеты и различные виды снарядов.

Следует также исследовать перспективы применения других реагентов кроме серы для увеличения массы стратосферного аэро­ золя. При этом требует выяснения вопрос о возможности побоч­ ных влияний реагентов на физические процессы в стратосфере,

вчастности, влияний на режим озона. Можно думать, что в пре­ делах изменений концентрации сульфатного аэрозоля, наблюда­ емых в естественных условиях, влияние этих изменений на озон сравнительно невелико. Такое влияние может, однако, оказаться существенным при создании высоких концентраций сульфатного аэрозоля или при внесении в стратосферу реагентов, которые там

вестественных условиях не содержатся.

Отметим, что выбор района выброса реагента в рассматрива­ емом проекте воздействия на климат имеет ограниченное значение, поскольку, как это выяснено по данным о распространении про­ дуктов вулканических извержений, реагент из любой точки внетропической зоны быстро распространяется по всему полушарию. На­ ряду с этим изучение циркуляции в нижней стратосфере может иметь значение при выборе оптимальных районов и периодов вре­ мени для распространения реагента, обеспечивающих наиболее эффективное его использование.

Осуществление рассмотренного выше воздействия на климат имеет целью предотвратить или ослабить изменения климата, ко­ торые могут возникнуть через несколько десятилетий под влия­ нием хозяйственной деятельности человека. Такое воздействие, однако, не является пределом, доступным для современной тех­ ники. По-видимому, в близком будущем технически возможно осу­ ществить воздействия на климат, создающие его изменения, на по­ рядок больше колебаний климата в 20—30-х годах, т. е. обеспе­ чивающие снижение глобальной температуры на несколько

градусов.

Воздействия такого масштаба могут быть необходимы в XXI в., когда в результате значительного роста производства энергии мо­ жет существенно повыситься температура нижних слоев атмо­ сферы. Уменьшение прозрачности стратосферы в таких условиях может предотвратить нежелательные изменения климата.

Заслуживает внимания вопрос о целесообразности применения воздействий на аэрозольный слой стратосферы в ближайшие годы, когда влияние хозяйственной деятельности человека на климат будет сравнительно небольшим.

Воздействия, снижающие среднюю температуру нижних слоев атмосферы на несколько градусов, приведут к громадному изме­ нению природных условий, по-видимому, неблагоприятному для сельскохозяйственной деятельности человека на большей части земного шара. Это, вероятно, исключает возможность их приме­

нения.

Наряду с этим вполне возможно, что воздействия, снижаю­ щие среднюю температуру на несколько десятых градуса, будут

264 Глава 7. Климат будущего

экономически целесообразны. При применении таких воздействий можно будет предотвратить естественные колебания климата, свя­ занные с повышением глобальной температуры. Как отмечено выше, при таких колебаниях климата заметно уменьшаются суммы осадков во многих районах недостаточного увлажнения умеренных широт. Поэтому возможность предотвратить подобные изменения климата может иметь практическое значение.

Отметим, что указанные воздействия, по-видимому, можно осуществлять при отсутствии прогнозов естественных изменений концентрации атмосферного аэрозоля, используя текущую инфор­ мацию об этой концентрации, которая получается по данным вы­ сотных самолетных зондирований или по материалам наземных актинометрических наблюдений. Поскольку средние концентрации аэрозоля в стратосфере в естественных условиях изменяются срав­ нительно медленно, можно регулировать масштаб воздействий для поддержания концентрации на оптимальном уровне, прекращая воздействие, когда оно достигает необходимой величины под влия­ нием естественных процессов.

Остановимся теперь на возможности изменения климата в ре­ зультате массовых полетов в стратосфере. Этот вопрос обсуждался в коллективной монографии американских ученых (Man’s Impact on the Global Environment, 1970), где указано, что в 1985—1990 гг.

в гражданской авиации будет использоваться около 500 самолетов, летающих на высотах 18—20 км. Продукты сгорания топлива этих самолетов будут обеспечивать ежегодное поступление в ниж­ нюю стратосферу всего земного шара 63 тыс. т сернистого газа, что соответствует массе сульфатных частиц около 100 тыс. т.

При рассмотрении этого вопроса следует принять во внимание что, как отмечалось выше, длительное изменение радиации ока­ зывает гораздо большее влияние на термический режим атмо­ сферы, чем такое же изменение, имевшее место в течение корот­ кого периода времени.

Считая, что основная часть стратосферных полетов будет про­ водиться в северном полушарии, величину ежегодного увеличения массы сульфатных частиц в стратосфере этого полушария можно считать равной 70—80 тыс. т, а общую массу аэрозоля — не менее

200 тыс. т.

При среднем времени существования частиц в аэрозольном слое, равном двум годам, стратосферные полеты увеличат концент­ рацию этих частиц в северном полушарии примерно на 400 тыс. т, что составляет более половины количества аэрозоля, которое мо­ жет вызвать рассмотренное выше существенное изменение кли­ мата. Очевидно, что эта величина не может считаться незначи­ тельной.

Заслуживает внимания возможность воздействия на климат путем изменения содержания серы в топливе стратосферных само­ летов. Приведенный выше расчет основан на предположении об

использовании в стратосферных полетах топлива со сравнительно низким содержанием серы, равным 0,05% (Man’s Impact on the Global Environment, 1970). Авторы этого расчета считали возмож­ ным также применение топлива с количеством серы до 0,3% и топлива, в котором количество серы понижено до 0,01%, хотя по­ следний вид топлива, по-видимому, будет дороже, чем топливо с большим содержанием серы.

Из приведенных выше данных следует, что изменение количе­ ства серы в топливе от 0,01 до 0,30% соответствует изменению

к заметным изменениям климата, то вторая превосходит измене­ ние количества аэрозоля, которое необходимо для решения задачи воздействия на климат. В связи с этим возникает перспектива осуществления воздействия на климат без больших дополнитель­ ных затрат путем изменения марки топлива, используемого стра­ тосферной авиацией. При понижении концентрации аэрозольных частиц в результате естественных причин для сохранения стабиль­ ных климатических условий целесообразно применять топливо с большим содержанием серы, при высокой концентрации частиц — с малым количеством серы.

Таким образом, в перспективе имеется возможность рассматри­ вать стратосферную авиацию как один из элементов системы гло­ бального регулирования климата. Этот вопрос требует дополни­ тельного изучения в связи с необходимостью выяснения влияния стратосферных полетов на другие элементы метеорологического режима, включая содержание озона в стратосфере.

Можно заключить, что организация массовых полетов в стра­ тосфере может привести к изменению климатических условий, ко­ торое необходимо оценить заранее.

Из приведенных выше данных видно, что сравнительно не­ большое изменение в балансе массы стратосферного аэрозоля мо­ жет существенно изменить температуру воздуха у земной поверх­ ности. Следует отметить, что такое влияние в сотни раз сильнее влияния изменений в приходе и расходе массы тропосферного аэро­ золя на термический режим нижних слоев воздуха.

Это различие определяется следующими причинами:

1)длительность жизни частицы в стратосфере в 50—100 раз больше средней длительности существования аэрозольной частицы

втропосфере;

2)в стратосфере практически отсутствуют гигантские частицы,

которые составляют около половины массы тропосферного аэрозоля и из-за своего малого влияния на радиационный режим примерно вдвое снижают оптическую активность аэрозоля в тропо­

сфере; 3) при наличии облаков, которые в среднем закрывают около

половины поверхности Земли, влияние тропосферного аэрозоля

на радиационный режим сравнительно невелико, что также умень­ шает общую оптическую активность этого аэрозоля по сравнению

саэрозолем в стратосфере почти в два раза;

4)в тропосфере поглощение коротковолновой радиации на

частицах аэрозоля частично компенсирует снижение температуры

уземной поверхности, обусловленное уменьшением потока радиа­ ции при ее рассеянии аэрозолем. В стратосфере этот эффект имеет главным образом местное значение и мало влияет на температуру

уземной поверхности, поскольку уходящее в мировое простран­

ство длинноволновое излучение (от которого, в конечном счете, зависит температура у земной поверхности) почти не изменяется выше уровня тропопаузы.

В результате этих причин стратосфера оказывается благоприят­ ной зоной для воздействия на климат, причем современные успехи в развитии стратосферной авиации открывают перспективы осуще­ ствления таких воздействий в ближайшем будущем.

Заключение о принципиальной возможности заметного изме­ нения глобального климата сравнительно простым и экономически доступным методом позволяет ставить вопрос о разработке про­ екта регулирования климата, который обеспечит сохранение суще­ ствующих климатических условий при наличии тенденции к повы­ шению температуры, вызванной хозяйственной деятельностью че­ ловека.

Наряду с этим представляет интерес возможность применения такого метода для предотвращения естественных колебаний кли­ мата, приводящих к уменьшению интенсивности влагооборота в районах недостаточного увлажнения.

Для решения этих вопросов большое значение имеет усовер­ шенствование теорий климата, так как существующие упрощенные теории недостаточны для определения всех возможных изменений метеорологического режима в различных районах земного шара в результате воздействия на аэрозольный слой стратосферы. Оче­ видно, что до точного предвычисления всех последствий воздейст­ вия на аэрозольный слой стратосферы применение такого воздей­ ствия было бы преждевременным.

Очевидно также, что для практического осуществления описан­ ного выше метода воздействия на климат необходимо решение многих технических задач, связанных с разработкой оптимальных реагентов и наиболее целесообразных способов их внесения в ат­ мосферу.

Таким образом, для реализации рассматриваемого здесь ме­ тода воздействия на климатические условия необходимо провести большую подготовительную работу. Учитывая, что антропогенные изменения глобального климата могут значительно усилиться в ближайшие десятилетия, следует думать, что разработка методов предотвращения неблагоприятных колебаний климата должна быть организована безотлагательно.

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Из материалов, изложенных в этой книге, можно сделать вы­ вод, что в современную эпоху глобальный климат уже в некоторой мере изменен в результате хозяйственной деятельности человека. Эти изменения обусловлены главным образом увеличением массы аэрозоля и углекислого газа в атмосфере.

Современные антропогенные изменения глобального климата сравнительно невелики, что частично объясняется противополож­ ным влиянием на температуру воздуха роста концентрации аэро­ золя и углекислого газа. Тем не менее эти изменения имеют определенное практическое значение, в основном в связи с влия­ нием режима осадков на сельскохозяйственное производство.

Простые расчеты показывают, что при сохранении современ­ ных темпов хозяйственного развития антропогенные изменения могут быстро возрасти и достигнуть к концу нашего века масшта­ бов, превышающих масштабы естественных колебаний климата, происходивших в течение последнего столетия.

В дальнейшем при этих условиях изменения климата будут усиливаться, причем в XXI в. они могут стать сравнимыми с есте­ ственными колебаниями климата, которые происходили на протя­ жении десятков тысяч лет при смене ледниковых и межледнико­ вых эпох. Очевидно, что столь значительные изменения климата могут оказать громадное влияние на природу нашей планеты и многие стороны хозяйственной деятельности человека.

В связи с этим возникают задачи предсказания антропогенных изменений климата, которые возникнут при различных вариантах хозяйственного развития, и разработки методов регулирования кли­ мата, которые должны предотвратить его изменения в нежелатель­ ном направлении. Наличие этих задач существенно изменяет зна­ чение исследований изменений климата и особенно изучения при­ чин этих изменений. Если раньше такие исследования имели в значительной мере познавательные цели, то сейчас выясняется необходимость их выполнения для оптимального планирования раз­

вития народного хозяйства.

Одно из главных направлений исследований изменений кли­ мата связано с разработкой и усовершенствованием численных моделей теории климата, пригодных для предсказания его измене­ ний. Поскольку все существующие модели такого рода являются в той или иной степени приближенными, большое значение приоб­ ретает проверка этих моделей на эмпирическом материале, для чего важнейшее значение имеют данные об естественных измене­ ниях климата, происходивших в прошлом.

268 Заключение

Таким образом, задача предсказания климатических условий будущего неразрывно связана с вопросом о количественном объ­ яснении ранее происходивших изменений климата.

В этой книге сделана попытка использовать численные модели теории климата для решения указанной задачи, в результате чего получены выводы о закономерностях изменений климата в прош­ лом и будущем, в ряде случаев отличающиеся от ранее существо­ вавших точек зрения по этим вопросам.

Можно думать, что применение более общих моделей теории климата позволит проверить эти выводы и получить много новых сведений о закономерностях изменений климата. Исследования этого направления, как нам представляется, должны быть значи­ тельно расширены из-за возможности заметных изменений гло­ бального климата в ближайшем будущем. Отсутствие заблаговре­ менно полученных детальных сведений об указанных изменениях может создать громадные трудности для человеческого общества.

Особое значение имеет вопрос о возможности воздействия на глобальный климат. Изложенные в этой книге материалы указы­ вают на принципиальную возможность осуществления такого воз­ действия современными техническими средствами, что усиливает актуальность дальнейших исследований в этой области.

Разработка методов предсказания климатических условий буду­ щего откроет перспективы создания численных моделей хозяйст­ венного развития, включающих учет влияния хозяйственной дея­ тельности человека на глобальный климат. Расчеты при помощи таких моделей позволят оптимизировать хозяйственное планиро­ вание и избежать неблагоприятных изменений условий окружаю­ щей среды при дальнейшем техническом развитии.

Следует указать на международный аспект проблемы антропо­ генных изменений климата, который приобретает особенно боль­ шое значение при подготовке крупномасштабных воздействий на климат. Воздействие на глобальный климат приведет к изменению климатических условий на территории многих стран, причем ха­ рактер этих изменений в разных районах будет различным. В связи с этим в работах Е. К. Федорова (1958 и др.) неоднократно указы­ валось, что осуществление любого крупного проекта воздействия на климат возможно только на основе международного сотрудни­ чества.

;^По-видимому, сейчас есть основания для постановки вопроса о заключении международного соглашения, запрещающего осуще­ ствление несогласованных воздействий на климат. Такие воздей­ ствия должны разрешаться только на основе проектов, рассмот­ ренных и одобренных ответственными международными органами. Это соглашение должно охватывать как мероприятия по направ­ ленному воздействию на климат, так и те виды хозяйственной дея­ тельности человека, которые могут привести к непреднамеренным изменениям глобальных климатических условий.")

SUMMARY

The use of the methods of physical climatology in the study of climatic changes is the main problem set in the book. It treats the principal features of modern climate and climates of the past. In particular, certain factors influencing the climatic changes are discussed.

The semiempirical theory of the atmospheric thermal regime is suggested. This theory enables to make a conclusion on the intran­ sitivity of the modern climatic regime and its high sensitivity to the changes of climate-forming factors.

The semiempirical climatic theory is used for a quantitative explanation of the modern climatic changes and for the study of the mechanism of the quaternary glaciation development.

Presumably, the climatic variations in the geological past were mainly caused by differencies in continent distribution and also by changeable composition of the atmospheric air.

The climatic stability decreased when influenced by these factors a fall in temperature occurred in high latitudes and polar ice was formed. It stimulated then the development of continental glaciations in high latitudes under periodic reductions in solar radiation caused by astronomic factors.

Comparatively minor modern climatic variations are mainly the result of changes in the concentration of stratospheric aerosol particles influencing the solar radiation fluxes. These changes are connected with the level of volcanic activity.

The effect of climatic changes on the biological processes includ­ ing the living organism evolution is discussed.

In the past decades the global climate was effected by the anthropogenic factors among which are the growth of carbon dioxide and aerosol particle concentration in the atmosphere.

This influence is rapidly increasing and in the near future it can result in drastic changes of global climate which are of great practical importance. In this connection the development of methods of climate modification for the purpose of climate control would be essential. One of such methods can be based on maitaining certain aerosol concentrations in the stratosphere.

СПИ С ОК Л И Т Е Р А Т У Р Ы

Атлас теплового баланса. 1955. Под ред. М. И. Будыко. Л., Изд. ГГО. 41 с. Атлас теплового баланса земного шара. 1963. Под ред. М. И. Будыко. М.,

Междуведомственный геофизический комитет. 69 с.

Б е р л я н д М. Е., К о н д р а т ь е в К. Я. 1972. Города и климат планеты.

Л., Гидрометеоиздат. 40 с.

Бе р л я н д М. Е. и др. 1974. Комплексное исследование особенностей ме­ теорологического режима большого города — Метеорология и гидрология, № 1,

с. 14—23.

Би б и к о в С. Н. 1969. Некоторые аспекты палеоэкономического моделиро­ вания палеолита.— «Советская археология», № 4, с. 5—22.

Бл и н о в а Е. Н. 1947. К вопросу о среднем годовом распределении темпе­

Бу д ы к о М. И. 1962. Полярные льды и климат.— «Изв. АН СССР. Сер. геогр.», № 6, с. 3— 10.

Бу д ы к о М. И. 1962а. Некоторые пути воздействия на климат.— «Метеоро­ логия и гидрология», № 2, с. 3—8.

Бу д ы к о М. И. 1967. Изменения климата.— «Метеорология и гидрология»,

.№ 11, с. 18—27.

Бу д ы к о М. И. 1967а. О причинах вымирания некоторых животных в конце

плейстоцена.— «Изв. АН СССР. Сер. геогр.», № 2, с. 28— 36.

47с.

Бу д ы к о М. И. 1973. Атмосферная углекислота и климат. Л., Гидрометео­ издат. 32 с.

жлимат.— «Изв. АН СССР. Сер. геогр.», № 2, с. 11—23.