представляющих собой законы сохранения массы, импульса и энергии:

ускорение свободного падения; ρ и η – плотность и динамическая вязкость; t – время; P – давление в рассматриваемой точке потока; T – температура в рассматриваемой точке потока; q – функция, свя- занная с выделением твердой фазы.

В настоящее время любое внешнее воздействие на климати- ческую систему, как естественное, так и антропогенное, принято выражать общей единицей воздействия, или «форсинга», в Вт/м2. В табл. 1.1 приведена мощность различных энергетических

воздей- ствий на климатическую систему Земли в Вт/м2 за год.

Как следует из данных табл. 1.1, наибольшим естественным воз- действием на климатическую систему является приходящая солнеч- ная радиация, составляющая 240 Вт/м2 и ее естественная изменчи- вость, достигающая 1 Вт/м2. Воздействие остальных естественных внешних факторов, например солнечной активности (потоки корпу- скулярной энергии Солнца) и космических лучей, в сотни и тысячи раз меньше, хотя помимо их прямого воздействия могут иметь место и более сложные физические механизмы. Антропогенное воздей- ствие хотя и составляет пока всего 1 % от приходящей солнечной энергии, но уже превышает ее естественную вариацию, что может привести к росту температуры выше естественного исторического

максимума. Также можно отметить, что энергетические мощности современной цивилизации в мировом производстве энергии пока очень низкие (в 10 000 раз меньше) по сравнению с приходящей солнечной энергией.

Основной характеристикой климатической системы является глобальная температура (ТS), осредненная по поверхности Земли,

которая зависит от множества параметров или факторов xi и изменя- ется во времени t, что можно представить функцией F:

TS F (x1 , x2 ,...;t).

(1.2)

Влияние или вклад каждого фактора, например x1, также с уче- том линейного, нелинейного и совместного воздействий определя-

связи, то изменения TS определяются только влиянием внешних

факторов. Если величина c/Δt много меньше кумулятивного эффек- та обратных связей [c/Δt << min(f1, f2, … fk)], то имеет место стаци-

онарная реакция системы на внешние воздействия с учетом обрат- ных связей.

В связи с тем, что инерционность атмосферы и океана раз- ная, то мировой океан является главным фактором инерционности и нестационарности. При этом на периодах времени t = 30–80 лет вклад нестационарного сигнала достигает 70 %, и в этом случае для достижения стационарного состояния требуется время отклика на внешнее воздействие около 100 лет.

По результатам математического моделирования на основе МОЦА этот параметр изменяется в достаточно широком диапазоне от 0,3 до 1,4 К/(Вт/м2), но в любом случае показывает значимость влия- ния внешнего фактора в изменении глобальной температуры при- мерно на 0,7–1,0 К при изменении внешнего фактора на 1 Вт/м2. Расчеты также показывают, что при удвоении СО2 уходящее излу-

чение уменьшится на 4 Вт/м2 и стационарный отклик у поверхности будет +3 °С [при среднем λ = 0,7 К/(Вт/м2)], то есть при изменении баланса на 1 Вт/м2 температура изменяется на 0,7 К.

В заключение следует рассмотреть еще три основные особен- ности, которые следует иметь в виду при изучении динамики кли- матической системы:

–возможность существования триггерного механизма переда- чи внешних воздействий;

– существование «истинной стохастичности» системы;

–квазиритмичный характер пульсаций и существование ат- тракторов.

Название триггерного механизма произошло из физиологии и биологии [9], где под этим понимались пусковые процессы, обе- спечивающие резкий переход клетки, органа или целого организ- ма из одного функционального состояния в другое. Так, например, переход мышцы от спокойного состояния к сокращению осущест- вляется триггерным действием периферического нерва. В этом слу- чае непосредственную роль триггерного механизма выполняет си- наптический потенциал, то есть ничтожно малая эдс, возникающая в месте контакта нерва с мышечным волокном.

Все процессы, характерные для рефлекторной деятельности (например, возбуждение рецепторов, передача возбуждения по пе- риферическим нервам, с нейрона на нейрон), могут рассматриваться как последовательная цепь работы, так как во всех этих процессах обнаруживается явление порога, то есть резкого перехода из одно- го состояния в другое. Триггерный механизм обеспечивают резкие качественные изменения состояния целого организма, например пе- реход от стадии яйца к личинке, от личинки к куколке, от куколки к взрослому организму, а также суточную и сезонную активность животных. Новое качественное состояние, вызванное триггерным механизмом, может либо сохраняться, либо постепенно утрачивать- ся, что приводит к возвращению к исходному.

Постепенно понятие триггерного механизма перешло из био- логии и физиологии в естественные науки. В климатологии нагляд- ным проявление триггерного механизма является существование разных эпох атмосферной циркуляции и резкие переходы от одних типов преобладающего переноса воздушных масс к другим, напри- мер переход от эпохи циркуляции W (1900–1928 гг.) к эпохе цирку- ляции Е (1929–1939 гг.) и затем к меридиональной циркуляции С (1940–1948 гг.) и далее к эпохе комбинированной циркуляции Е + С: 1949–1972 гг. [2]. Наглядное проявление таких резких изменений в воздушном переносе имеет место в многолетних рядах гидроме- теорологических характеристик в виде ступенчатых изменений, как приведено на рис. 1.5. При этом, как показано в различных исследо- ваниях (Лобанов В.А. и др., 2007, 2009, 2012), модель ступенчатых изменений в случае проявления нестационарности является преоб- ладающей по сравнению, например, с моделью линейного тренда.

Применительно к климатической системе можно считать, что в ней преобладают квазистационарные состояния и практически резкие переходы от одного квазистационарного состояния к друго- му. При этом при стационарных состояниях система сопротивляет- ся изменяющемуся внешнему воздействию до тех пор, пока может, и только после этого переходит на другой уровень, в котором также стремится сохранить стабильность. Это соответствует известному принципу Ле Шателье–Брауна (1884): если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии воздействовать извне, изменяя какое-ли- бо из условий равновесия (температуру, давление, концентрацию, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются про- цессы, направленные на компенсацию

внешнего воздействия.

и геомагнитной активности в поток микроволн, проникающий до земной поверхности. На второй ступени имеет место регули- рование микроволновым излучением скоростей преобразования и разрушения кластерных ионов и на третьей ступени происходит участие кластеров в образовании облачных и аэрозольных слоев, от- ражающих и поглощающих поток лучистой энергии Солнца и поток от подстилающей поверхности.

Еще одним примером применения триггерного механизма яв- ляется учет воздействия энергии космических лучей (в миллионы раз меньшей, чем солнечной) на климат в следующей последова- тельности:

–интенсивность космических лучей воздействует на концен- трацию ионов в атмосфере;

–изменение концентрации атмосферных ионов воздействует на изменение облачности;

–изменение планетарной облачности вызывает изменение те- плового баланса планеты;

–изменение теплового баланса приводит к изменению гло- бальной температуры и климата.

Следующей важной особенностью климата является его природ- ная, или «истинная стохастичность». Как показано на рис. 1.2, спектр климатических колебаний очень широк, и если перейти к исследова- нию временных рядов температур воздуха, начиная с межгодовой из- менчивости (когда не учитываются внутрисуточные

ивнутригодовые циклы), то этот спектр будет близок к случайному,

афункция спек- тральной плотности практически непрерывной. Поэтому при обра- ботке и обобщении климатической информации

применяют теорию случайных функций, случайных процессов и математическую стати- стику, а также используют гипотезы эргодичности и стационарности. Вместе с тем, случайные колебания носят квазиритмический характер, и это позволяет предполагать, что климатическая систе- ма способна генерировать стохастические автоколебания [8]. При этом стохастические колебания не являются полностью случай- ными, а группируются около некоторых более устойчивых состо- яний, которые получили названия аттракторов Лоренца (от слова attract – притягивать), или странных аттракторов. По определению аттракторы – это состояния, около которых система может пребы- вать какое-то время, уходя от них в случайные (непредсказуемые) моменты, а потом также случайным образом возвращаясь обрат- но. В 1963 г. Эдвард Нортон Лоренц, который исследовал пробле- му конвекции

в земной атмосфере, сумел значительно упростить

Из существования аттракторов Лоренца следуют основные свойства динамики климата:

1.Крупные изменения климата можно понимать как измене- ния характеристик аттрактора при изменении параметров системы (переход с одной фазовой траектории на другую).

2.Изменчивость климата можно понимать как проявление временного хаоса при движении системы по определенной фазовой траектории, принадлежащей аттрактору, то есть случайные колеба- ния относительно выбранной фазовой траектории или установив- шегося климата.

3.Имеет место интранзитивность (неэргодичность) системы, то есть возможность формирования разных характеристик и разных генеральных совокупностей при неизменных внешних воздействи- ях и начальных условиях.

Литература

4.Авакян С.В. Проблема климата как задача солнечно-земной физики // Солнечно- земная физика. 2012. Вып. 21. – С. 18–27.

5.Гирс А.А. Многолетние колебания атмосферной циркуляции и долгосрочные гидрометеорологические прогнозы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1971. – 280 с.

6.Дымников В.П., Филатов А.Н. Основы математической теории климата. – М.: ВИНИТИ, 1994. – 256 с.

7.Зубаков В.А. Глобальные климатические события плейстоцена. – Л.: Гидроме- теоиздат, 1986. – 250 с.

8.Лоренц Э.Н. Детерминированное непериодическое течение // Странные аттрак- торы. – М.: Мир, 1981. – С. 88–117.

9.Монин А.С., Шишков Ю.А. История климата. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. –

406 с.

10.Монин А.С., Сонечкин Д.М. Колебания климата. – М.: Наука, 2005. – 192 с. 11.Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с приро-

дой. – М.: УРСС, 2003. – 312 с.

12.Botts J. Triggering of contraction in skeletal muscle. The trigger concept in biology.

// Physiological triggers and discontinuous rate processes. Wash., 1957.

10.Jackson R. and A. Jenkins (17 November 2012). Vital signs of the planet: global climate change and global warming: uncertainties (Earth Science Communications Team at NASA’s Jet Propulsion Laboratory / California Institute of Technology).

11.Mitchell J.M. (1990) Climate variability: past, present & future. Climate Change, 16, 231 – 46 pp.

12.William James Burroughs Climate Change: A Multidisciplinary Approach. Cambridge University Press, 2007. – 378 pp.

13.https://books.google.ru/books?id=mCEgAAAQBAJ&pg=PA364&dq=Mitchell+

J.+M.+(1990)+Climate+variability:+past,+present+%26+future.+Climate+Chan ge+16,+231-46.

Лекция 2. Международное сотрудничество в изучении климата

Атмосфера, являющаяся центральной частью климатической си- стемы, представляет собой природное образование, которое не

постоянно нахо- диться в границах отдельных государств, то воздушные массы пере- мещаются по планете на расстояния тысяч километров, не принимая во внимание государственные границы. С

всем человечеством совместно. И изучение климата невозможно по данным наблюдений только в одной стране и требует обмена информацией, создание международных банков и баз данных, а ввиду сложности климатической системы и соответ- ствующих ей моделей необходимо и интеллектуальное объединение специалистов разных стран. Все это приводит к естественному вы- воду о необходимости международного сотрудничества в изучении климата, его изменений и воздействий на человечество, так же, как и обратное воздействие людей на климат. По высказыванию доктора физических наук профессора А. Назаретяна: «Цивилизация на на- шей планете до сих пор жива благодаря тому, что люди, становясь сильнее, в конечном счете умели становиться и мудрее».

История международного сотрудничества в области измене- ния климата непосредственно связана с первым международным объединением метеорологов – Международной метеорологической организации (ММО), которая была основана в 1873 г. и с 1950 г. известна как Всемирная метеорологическая организация (ВМО), ставшая специализированным учреждением ООН в 1951 г.

С момента своего создания ВМО играет важную роль в деле содействия безопасности и благополучия для всего человечества. Под руководством ВМО и в рамках программ ВМО национальные метеорологические и гидрологические службы вносят существен- ный вклад в защиту жизни и имущества от стихийных бедствий, охрану окружающей среды и укрепление экономического и со- циального благосостояния всех слоев общества в таких областях,