9.3. Антропогенное воздействие на глобальный климат планеты

В последние годы получены данные о том, что Современная хозяйственная деятельность человека оказывает влияние не только на местные климатические условия отдельных районов, но и на климат нашей планеты в целом. Одним из факторов такого влияния является изменение количества углекислого газа в атмосфере.

Предположение о том, что в результате сжигания больших количеств угля, нефти и других видов топлива масса углекислого газа в атмосфере начала увеличиваться, высказывалось ещё во второй половине XX века.

Эти наблюдения показали, что наряду с заметным годовым ходом концентрации углекислоты у земной поверхности (уменьшение концентрации летом в связи с усилением фотосинтеза) существует отчетливая тенденция роста концентрации от года к году. За период с 1958 по 1998 г. ежегодное увеличение концентрации углекислоты составляло приблизительно 0,2% количества углекислого газа, содержащегося в атмосфере.

Учитывая, что эти наблюдения проведены в очень удаленных друг от друга районах земного шара, можно не сомневаться, что они правильно отражают существующую тенденцию изменения концентрации атмосферной углекислоты.

Из данных указанных наблюдений следует, что в атмосфере задерживается приблизительно половина углекислого газа, создаваемого в результате деятельности человека. Вторая половина этого количества, по-видимому, поглощается океаном и в меньшей степени – живыми организмами.

Вопрос о механизме поглощения добавочной углекислоты водоемами и живыми организмами в количественном плане изучен недостаточно. Хотя океаны потенциально имеют большую емкость и могут поглотить громадное количество углекислого газа, фактическая скорость поглощения углекислоты морскими водами значительно уменьшается из-за медленного обмена между поверхностными и глубинными слоями океанов.

При увеличении концентрации углекислоты скорость фотосинтеза возрастает, однако создаваемое при этом дополнительное количество органического вещества через ограниченное время минерализуется, освобождая затраченный на его создание углекислый газ.

Построение полной количественной теории, позволяющей учесть влияние буферных процессов в. океане и биосфере на изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, является делом будущего.

За последние сто лет количество углекислого газа в атмосфере увеличилось на 0,003%, т.е. примерно на 10% его современной концентрации, причем основная часть этого увеличения содержания углекислого газа относится к последним десятилетиям.

Принимая во внимание приведенную выше оценку влияния концентрации углекислоты на температуру воздуха у земной поверхности, полученную в работе Манабе и Везеролда, можно предположить, что обусловленное хозяйственной деятельностью человека увеличение концентрации углекислоты могло повысить среднюю глобальную температуру у поверхности Земли на 0,2° С.

Атмосферный аэрозоль. В результате хозяйственной деятельности человека в атмосферу поступает большое количество частиц, заметно увеличивающее концентрацию атмосферного аэрозоля.

Количество пыли в единице объема верхних слоев снега значительно возрастало по сравнению с более глубокими слоями, возникшими раньше верхних слоев. По мнению Ф.Ф. Давитая, указанное различие соответствовало резкому повышению концентрации пыли – в атмосфере, произошедшему в последние десятилетия.

Снижение прозрачности безоблачной атмосферы за последние несколько десятилетий, обусловленное ростом концентрации атмосферного аэрозоля.

Имеющиеся оценки указывают, что масса антропогенного аэрозоля, ежегодно поступающего в атмосферу в современную эпоху, примерно равна 200-400 млн. т, что составляет 10-20% общего количества аэрозольных частиц, поступающих в атмосферу. Только небольшая часть общей, массы антропогенного аэрозоля выбрасывается в атмосферу в виде твердых и жидких частиц, главным же источником его образования являются создаваемые человеком газообразные примеси – сернистый газ, окислы азота и другие, из которых в результате различных химических реакций создаются частицы аэрозоля.

Антропогенный аэрозоль заметно увеличивает общую концентрацию аэрозольных частиц не только в городах и отдельных промышленных районах, но и на больших территориях, что придает современному процессу загрязнения атмосферы глобальный характер.

Влияние стратосферного аэрозоля на термический режим воздуха у земной поверхности определяется уменьшением потока коротковолновой радиации, поступающей в тропосферу.

Частицы аэрозоля в стратосфере играют роль экрана, изменяющего в большей или меньшей степени метеорологическую солнечную постоянную. Поглощение радиации на этих частицах может вызывать местное нагревание стратосферы, однако такое нагревание мало влияет на термический режим у земной поверхности из-за незначительной плотности воздуха в стратосфере и слабого теплообмена между стратосферой и тропосферой. Однако, увеличение концентрации аэрозоля в стратосфере неизменно приводит к понижению температуры у земной поверхности.

Более сложное влияние на термический режим оказывают аэрозольные частицы, находящиеся в тропосфере. Эти частицы ослабляют поток коротковолновой радиации, приходящей к земной поверхности, в результате обратного рассеяния и из-за поглощения радиации на аэрозольных частицах. Если первый из этих процессов увеличивает альбедо системы Земля – атмосфера, то второй может его уменьшить.

Перераспределение поглощенной радиации по высоте в пределах тропосферы, где существует интенсивный вертикальный теплообмен, сравнительно мало влияет на среднюю температуру тропосферы или среднюю температуру воздуха у земной поверхности. Поэтому влияние тропосферного аэрозоля на термический режим в основном определяется зависимостью от концентрации аэрозоля альбедо системы Земля-атмосфера, увеличение которого приводит к понижению температуры у земной поверхности, а уменьшение – к повышению температуры.

Очевидно, что изменение альбедо системы Земля – атмосфера под влиянием аэрозоля должно зависеть от альбедо земной поверхности. Чем ниже это альбедо, тем вероятнее, что атмосферный аэрозоль будет увеличивать альбедо системы. При больших альбедо земной поверхности (снег, лед) вероятность уменьшения альбедо системы Земля – атмосфера под влиянием аэрозоля возрастает.

Таким образом, при безоблачной атмосфере аэрозоль, как правило, снижает температуру воздуха над поверхностями, свободными от снега и льда, альбедо которых обычно не превосходит 0,20, и повышает температуру воздуха над снежным покровом, альбедо которого обычно больше 0,60.

Снежный покров занимает малую часть общей поверхности земного шара и что в зоне его размещения солнечная радиация в среднем меньше её средней глобальной величины, получим заключение о преобладании тенденции к снижению средней температуры воздуха при наличии аэрозоля для свободной от облаков части земной атмосферы.

Значительный интерес представляет вопрос о влиянии аэрозоля на среднюю температуру воздуха при наличии облаков. Альбедо облаков принято равным 0,70, что является возможной величиной для отдельных мощных облачных образований, но не может считаться соответствующим среднему глобальному альбедо облаков.

Величина среднего глобального альбедо облаков, равна 0,46, что почти совпадает со средней величиной эффективного аэрозольного альбедо.

Антропогенный аэрозоль в основном сосредоточен над районами городов в нижних слоях тропосферы. Поэтому его влияние на радиацию, достигающую земной поверхности, при наличии облаков значительно – меньше аналогичного влияния в условиях безоблачного неба. Как указано выше, между изменениями прямой радиации в результате ее рассеяния на частицах аэрозоля и соответствующими изменениями суммарной радиации существуют определенные соотношения, используя которые можно рассчитать изменения суммарной радиации по данным о колебаниях величин прямой радиации.

Изменение прямой радиации под влиянием увеличения антропогенного аэрозоля характеризуется прямой линией, проведенной через точки кривой векового хода, соответствующие максимумам прозрачности атмосферы в отдельные годы. Можно думать, что, при повышениях прозрачности атмосферы стратосфера полностью или почти полностью освобождалась от аэрозольных частиц, что подтверждается данными прямых наблюдений за стратосферным аэрозолем. Найденная при этом оценка уменьшения радиации антропогенным аэрозолем соответствует условиям безоблачного неба. В случае если средняя для земного шара облачность равна 0,5, то при облачном небе влияние антропогенного аэрозоля на суммарную радиацию мало по сравнению с его влиянием при безоблачном небе.

Изменения прямой радиации при безоблачном небе зависят не только от колебаний концентрации аэрозоля в стратосфере, но и от обусловленного деятельностью человека изменения количества аэрозоля в тропосфере. Влияние изменений количества тропосферного аэрозоля на радиацию постепенно увеличивается и в настоящее время превосходит влияние изменений массы аэрозоля в стратосфере.

Наряду с этим в последние десятилетия на температуру воздуха у земной поверхности оказывает влияние увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере. Выше приведен вывод о том, что по этой причине средняя температура у земной поверхности за последние десятилетия возросла приблизительно на 0,2°.

Увеличение концентрации антропогенного аэрозоля снижает прямую радиацию в северном полушарии примерно на 6%. Суммарная радиация при безоблачном небе в таком случае уменьшается. приблизительно на 1%. При наличии облаков влияние тропосферного аэрозоля на суммарную радиацию невелико, и принимая во внимание, что средняя планетарная облачность примерно равна 0,5, величина среднего уменьшения суммарной радиации равна 0,5%. Такое уменьшение суммарной радиации приводит к снижению средней температуры у земной поверхности на 0,75°. Этот результат соответствует случаю влияния аэрозоля только на рассеяние радиации без ее поглощения на аэрозольных частицах. В ряде исследований было указано, что эффект поглощения коротковолновой радиации частицами тропосферного аэрозоля может в некоторой мере компенсировать снижение температуры, достигаемое в результате обратного рассеяния радиации на частицах аэрозоля.

Изменение на 1 % притока энергии, получаемой Землей от Солнца, изменяет среднюю температуру у её поверхности на 1,5°.

Считая, что производство тепла в результате деятельности человека составляет сейчас около 0,006% общего количества радиации, поглощенной атмосферой Земли, соответствующее этому количеству тепла повышение средней температуры равным примерно 0,01°.

Влияние атмосферной циркуляции значительно ослабляет соответствующие повышения температуры, причем это ослабление тем больше, чем меньше площадь, на которой сконцентрировано производство дополнительной тепловой энергии.