63. Изменения климата в историческое время

В первые столетия нашей эры увлажнение и температура были близки к современным. Однако приблизительно в FV-V вв. н. э. произошло изменение условий и до VIII в. в Европе климат был сухой и теплый. В это время началось сокращение торфяников и понижение уровня озер.

Период раннего средневековья (от VIII до XIV в.) называется эпохой викингов. В это время климат стал более мягким и теплым, произошло резкое уменьшение ледовитости северных морей. В период между 800 и 1200 г. викинги могли плавать в широтах, где сейчас встречается плавучий лед. Они открыли и заселили Ис­ландию и Гренландию, достигли Ньюфаундленда, беспрепят­ственно плавали на Шпицберген, торговали и совершали набеги на устье Северной Двины.

В Западной Европе период между 750 и 1200 г. н. э. также отли­чался теплым климатом и некоторым уменьшением влажности. В ХН-ХШ вв. на Балтийском побережье и в Англии выращивали виноград, что на 4-5° широты севернее, чем теперь.

Период VIII—XIII вв. в Северной Америке также отличался весь­ма благоприятным теплым климатом — в районе Великих Озер появилось много поселений, жители которых занимались земле­делием. Поэтому период VIII—XIII вв. получил название малого климатического оптимума.

В XIII-XIV вв. началось новое похолодание климата, постепен­но увеличилась ледовитость северных морей, морские пути в Грен­ландию стали непроходимыми для утлых судов викингов. Ледники Гренландии начали наступать и уничтожать поселения викингов, которые к концу XIV и началу XV в. оказались стертыми с лица земли. В XIII-XIV вв. увеличилась и внутрисезонная изменчивость климата. Наметился переход к так называемому малому леднико­вому периоду, который, по мнению одних, продолжался с XIV до середины XIX в., а по мнению других, с XVII до середины XIX в. Наиболее яркая черта малого ледникового периода — поведение горных ледников. Так, в XVI в. стало заметным наступание аль­пийских ледников, в конце XVI и в XVII в. наступание достигло максимума. Около 1700 г. отмечалось некоторое отступание аль­пийских ледников, но именно в это время развивалось наступа­ние ледников в Исландии и Норвегии, а в Швеции максимум наступания пришелся на 1710 г. Затем значительные наступания ледников около 1720 г. были отмечены в Альпах, Скандинавии, США и на Аляске. На Аляске ледники начали расширяться и спускаться с гор в долины еще в XIV в. Затем после некоторой стабилизации во второй половине .XVI в. ледники Аляски про­должали наступать. В Северной Европе, Исландии и на Аляске особенно мощным было наступление в 1740-1750 гг. В течение 1760-1790 гг. продолжалось наступание альпийских ледников, максимум их распространения был достигнут в 1820 г., который был сходен с максимумом 1600 г. Новый глобальный максимум горного оледенения в Альпах, Исландии, Норвегии, Северной Америке, Британской Колумбии и Патагонских Андах Южной Америки был отмечен в 1850 г. Наступание 1850-1860 гг. было пос­ледним глобальным наступанием горных ледников, и оно знаме­новало конец малого ледникового периода.

Нужно заметить, что изменения климата как во время малого климатического оптимума, так и во время малого ледникового пе­риода в разных районах Земли происходили несинхронно. Точные причины этих изменений неизвестны. Существует предположе­ние, что малый ледниковый период связан с увеличением вулка­нических извержений, а также с уменьшением концентрации СО₂ в атмосфере в это время.

ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМТА В ПЕРИОД ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ О колебаниях климата в последней четверти XIX и в XX в. мож­но судить не только по косвенным данным, но и на основе обра­ботки прямых.метеорологических измерений. В настоящее время имеются многочисленные свидетельства того, что потепление, последовавшее за малым ледниковым периодом, продолжалось в конце XIX и первой половине XX в. Это не только отступание гор­ных ледников в Европе, Северной Америке и Азии, но и обрабо­танные ряды метеорологических измерений за 100 лет. На рис. 10.3 представлен вековой ход годовых и пятилетних средних аномалий температуры воздуха Северного полушария (по отношению к «нор­ме» за 1881-1975 гг.) для различных широтных зон и в целом для внеэкваториальной части Северного полушария (87,5-17,5° с.ш.). Ход кривых на рис. 10.3 позволяет сделать вывод о том, что с кон­ца прошлого века по 1940 г. происходило потепление на всем Се­верном полушарии, величина которого составила не менее 0,6^сС.

После 1940 г. и до середины 60-х годов происходило похолода­ние, которое составило около 0,4°С, затем началось новое по­тепление, продолжающееся и в настоящее время.

Как видно из рис. 10.3, наибольшие изменения среднегодо­вой температуры происходят в Арктике (пояс 87,5-72,5° с.ш.), здесь же наблюдается и наибольшая межгодовая изменчивость температуры. Наименьшие изменения и межгодовая изменчивость температуры наблюдаются в тропической зоне (37,5-17,5* с.ш.). Выводы, полученные на основе обработки наблюдений метеоро­логических станций Северного полушария, расположенных глав­ным образом на материках, недавно были подтверждены обра­боткой судовых наблюдений на всех океанах земного шара и наземных станций в Южном полушарии.

На рис. 10.4 представлен временной ход среднегодовых анома­лий температуры воздуха (°С) у поверхности Земли с 1861 по 2000 г. в отклонениях от средней температуры (нормы) за 1961-1990 гг.: для всего земного шара (а), для Северного полушария к северу от 30° с.ш. (Ь), для тропиков между 30° с.ш. — 30° ю.ш. (с), для Южно­го полушария к югу от 30° ю.ш. (d). Кривые в каждой зоне — ход температуры, сглаженной 10-летним скользящим осреднением. Видно, что температура во второй половине XIX века была значи­тельно ниже принятой нормы. Это конец малого ледникового пе­риода. Затем в течение XX в. начался рост температуры. Однако он не был одинаковым: наибольшее потепление отмечалось с 1910 по 1945 г. и с 1976 по 2000 г., а в 1946-1975 гг. наблюдалось похоло­дание. В Северном полушарии и в тропиках температура менялась синхронно с глобальной. Но в Южном полушарии рост температу­ры начался примерно на 20 лет позже. В целом по оценке Межпра­вительственной группы экспертов по изменениям климата* в те­чение XX в. глобальная температура воздуха увеличилась на 0,6 ± 0,2°С. Они же установили, что минимальные значения тем­пературы воздуха над сушей в 1950-1993 гг. увеличивались со ско­ростью примерно на 0,2°С за десятилетие, а максимальные темпе­ратуры — только на 0,ГС за Шлет. Кроме того, оказалось, что потепление в XX в. было наибольшим за последнее тысячелетие.

Спутниковые данные показывают, что начиная с конца 1960-х годов, площадь снежного покрова уменьшилась примерно на 10%, а наземные наблюдения — что продолжительность ледяного по­крова на реках и озерах в средних и высоких широтах Северного полушария уменьшилась примерно на две недели.

В XX в. наблюдалось повсеместное отступание горных ледников в неполярных районах и повышение уровня Мирового океана на 0,1-0,2 м, вероятно вызванное повсеместным таянием материкового льда

Межправительственная группа экспертов по изменениям климата учрежде­на Программой ООН по окружающей среде и Всемирной Метеорологической организацией в 1988 г.

508и тепловым расширением морской воды в результате глобально­го потепления.

Наконец, в XX столетии количество атмосферных осадков уве­личивалось на 0,5-1% за десятилетие в большинстве районов вы­соких и средних широт Северного полушария, при этом во второй половине века выросла повторяемость сильных осадков. Но в суб­тропиках Северного полушария (между 10-30* с.ш.) количество осадков, напротив, уменьшалось примерно на 3% за десятилетие.

Таким образом, последние 100 лет можно назвать периодом потепления климата.

64. АНТРОПОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В течение тысячелетий хозяйственная деятельность чело­века приспосабливалась к окружающим климатическим услови­ям, но не считалась с тем, производит ли она на климат положи­тельное или отрицательное воздействие. Когда население Земли было сравнительно небольшим и энергетическая вооруженность человека была относительно малой, казалось, что антропогенное воздействие человеческой деятельности на природу не может по­влиять на устойчивость климата. Но в XX в. деятельность человека все больше приобретала такие масштабы, что встал вопрос о непреднамеренном воздействии хозяйственной деятельности че­ловека на климат. Влияние на климат оказывает следующие, при­нявшие глобальный характер процессы:

— распахивание огромных массивов земли, вызывающее изме­нение альбедо, быструю потерю влаги, подъем пыли в атмосферу;

— уничтожение лесов, особенно тропических, влияющее на воспроизводство кислорода, изменения альбедо и испарения;

— перевыпас скота, превращающий степи и саванны в пус­тыни, в результате чего меняется альбедо, иссушается почва;

— сжигание ископаемого органического топлива и поступле­ние в атмосферу СО₂, СН₄;

— выбрасывание в атмосферу промышленных отходов, меня­ющих состав атмосферы, увеличивающих содержание радиационно-активных газов и аэрозолей. Последние два процесса уве­личивают парниковый эффект.

Особую тревогу вызывает прогрессирующее увеличение СО₂, фторхлоруглеводородов, метана, закиси азота и озона, ко­торые создают парниковый эффект (см. гл. третью, параграф 20). Оценки, сделанные в 2001 г., показывают, что в атмосфере с 1750 г. по 2000 г. увеличились концентрации углекислого газа (СО₂) — на 31%, метана (СН₄) — на 151%, закиси азота (NO₂) — на 17%. С 1995 г. продолжается рост малых газовых примесей, так­же оказывающих парниковое воздействие и содействующих умень­шению содержания озона. Увеличение концентрации этих газов дает радиационное повышение температуры атмосферы.

С другой стороны, выбрасываемый в атмосферу естественный (извержения вулканов) и антропогенный (выбросы хозяйствен­ной деятельности) аэрозоль способствует понижению темпера­туры атмосферы. Однако отдельные вулканические извержения не имеют долговременного действия, но антропогенный аэро­золь, который в индустриальную эпоху выбрасывается постоян­но, увеличивает концентрацию аэрозоля и главным образом SO₂, особенно в средних широтах Северного полушария.

Кроме эти радиационных воздействий нужно учитывать и из­менение притока солнечной радиации, который с 1750 г. увели­чился на 0,3 Вт/м².

Все перечисленные радиационные воздействия вносят различ­ный вклад в изменение климата, приводящий в итоге либо к потеплению, либо к похолоданию. Причем пространственный мас­штаб этою вклада различный: изменение притока солнечной ра­диации или увеличение концентрации углекислого газа действу­ют глобально, то антропогенные выбросы аэрозоля первоначально имеют локальное распространение и действуют локально. На рис. 10.5 показано осредненное, по земному шару, радиацион­ное воздействие внешних факторов на климатическую систему в 2000 г. по отношению к 1750г.

Совершенно ясно, что СО₂ и другие радиационно-активные газы благодаря парниковому эффекту приводят к нагреванию поверхности Земли и нижней атмосферы, а это несомненно при­ведет к изменению климата. Для того чтобы представить себе, что же будет с климатом в дальнейшем, важно оценить величину выброса этих газов в атмосферу. Величина выброса СО₂ в атмо­сферу зависит от сжигания ископаемого топлива (нефти, газа, угля), и с высокой степенью вероятности будет определять рост концентрации СО₂ в атмосфере в XXI столетии.

Выброс в атмосферу парниковых газов и аэрозолей зависит от развития человечества в XXI в., который в свою очередь будет определяться демографическими, экономическими и технологи­ческими факторами. Естественно, что точного прогноза такого развития нет. Поэтому Межправительственная группа экспертов по изменениям климата разработала различные сценарии выбро­сов, общее число которых равно сорока.

В соответствии с некоторыми из этих сценариев концентра­ция СО₂ в атмосфере к 2100 г. может достичь 540-970 млн"¹, т. е. ее концентрация будет на 90-250% больше, чем в доиндустри-альное время.

Рост концентрации других парниковых газов также зависит от конкретного сценария. Так к 2100 г. концентрация СРЦ может из­мениться от -190 до 1970 млрд"¹, ЩО — от 38 до 144 млрд"¹ и тропосферного озона от -12 до 62% по отношению к их концен­трациям в 2000 г. В некоторых сценариях концентрация озона в Северном полушарии может достичь предельно допустимого для жизни человека уровня.

Доля СО₂ в суммарном радиационном воздействии в течение всего XXI столетия будет возрастать от половины до двух третей. i Антропогенный аэрозоль может и увеличиваться и уменьшаться в зависимости от принятых в сценарии мер по ограничению выб-f росов аэрозолей в атмосферу и способов использования ископа­емого топлива.

1 Чтобы оценить возможные антропогенные изменения климата, необходимо иметь количественную теорию климата. В качестве такой теории в настоящее время созданы математические модели климата различной сложности, основывающиеся на фи­зических законах, выраженных дифференциальными уравнения­ми в частных производных. Современные глобальные климати­ческие модели (ГКМ) состоят из взаимодействующих друг с другом моделей атмосферы, океана, верхних слоев сущи, криосферы и биосферы. Подробное описание ГКМ выходит за рамки настоящего курса. На для демонстрации правдоподобности ре­зультатов интегрирования таких моделей на время порядка сто лет (а есть модели, проинтегрированные на 20 тыс. лет).

По расчетам разных ГКМ для набора сценариев Межправи­тельственной группы экспертов по изменениям климата средняя глобальная температура в течение 1990-2100 гт. может повысить­ся на 1,5-5,8'С. Такое потепление не встречалось в течение пос­ледних десяти тысяч лет. Разброс значений связан с использова­нием широкого набора сценариев, в том числе и «экстремальных». При таком росте температуры над земным шаром над сушей по­тепление будет еще большим и особенно в высоких широтах в холодное время года.

Количество осадков, вероятно, увеличится во внетропических широтах Северного полушария и в Антарктиде зимой. В низ­ких широтах возможны как усиление, так и ослабление осад­ков — в зависимости от сценариев выбросов,

Ожидается дальнейшее сокращение снежного и ледяного по­крова в Северном полушарии. Ледники, за исключением ледяных щитов Гренландии и Антарктиды в XXI в. будут отступать.

Наконец, принятые сценарии показывают, что в течение 1990-2100 гг. ожидается повышение среднего уровня Мирового океана на 14-80 см (в среднем на 47 см), что в 2-4 раза превосходит прирост уровня в XX столетии. Социальные последствия потепления клима­та сейчас трудно прогнозировать, поскольку прогнозы региональ­ного изменения климата в настоящее время не разработаны. Это одна из наиболее актуальных задач современной климатологии.

О значении озонного слоя для жизни на Земле и о влия­нии человеческой деятельности на озонный слой мы говорили в главе второй (параграф 10). Рамки этой книги не позволяют оста­новится на этом подробнее.

Говоря об антропогенных изменениях, нельзя обойти молча­нием возможные климатические последствия широкомасштабной ядерной войны. С точки зрения изменения климата наибольшее значение будут иметь возникновение пожаров и подъем в атмос­феру пыли. При крупномасштабном обмене ядерными ударами возникнут пожары, которые приведут к выбросу огромного ко­личества сажевых элементов, т. е. сажевых аэрозолей. По оцен­ке, размеры этих аэрозолей будут находиться в пределах от 0,1 до 1 мкм. А такие аэрозоли сильно поглощают коротковолновую ра­диацию и почти прозрачны для длинноволнового излучения. Та­ким образом, слой, где расположены эти аэрозоли, будет нагре­ваться, но и будет задерживать поступление коротковолновой радиации к земной поверхности. В то же время длинноволновое излучение земной поверхности будет продолжаться. Таким обра­зом, земная поверхность и нижний слой атмосферы будут охлаж­даться, а верхняя тропосфера и нижняя стратосфера, где будут расположены сажевые аэрозоли, будут нагреваться. Возникнет понижение температуры у земной поверхности и очень устойчи­вая инверсионная стратификация. Размеры этого похолодания зависят от принятой гипотезы о ходе ядерной войны. Если при­нять, что мощность ядерного удара будет составлять 6500 Мт (что составляет половину запасов ядерного оружия на 1983 г.) и бу­дет поражено 1000 городов, нефтехранилища и нефтяные про­мыслы, а также 1 млн км² будет охвачен лесными пожарами, то, по разным оценкам, в атмосферу будет выброшено аэрозолей от 180 млн т до 200 млн т при диапазоне от 20 до 650 млн т. При этом считается, что от 5 до 10% выброшенных частиц дыма от лесных и городских пожаров будет заброшено в стратосферу выше 10 км, где они могут оставаться в течение многих недель и переноситься на большие расстояния. Для расчета климатических последствий были использованы модели разной степени сложности. Расчеты по сравнительно простым моделям показывают, что в результате ядерного удара произойдет сильное охлаждение воздуха у повер­хности Земли и в нижних слоях тропосферы и интенсивный на­грев верхней тропосферы и нижней стратосферы. Наибольшее понижение температуры у поверхности Земли на 15-42 К про­изойдет между 14-м и 35-м днями после ядерного удара в зависи­мости от принятых предположений о прозрачности атмосферы. Более сложные трехмерные модели общей циркуляции атмосфе­ры показывают, что при ядерном ударе 10 000 Мт на 40-й день температура понизится на 40 К ниже обычных значений на мате­риках и на 10 К — над океанами. Имеются и другие оценки пони­жения температуры, рассчитанные при других предположениях о мощности ядерного удара, и ухудшения прозрачности воздуха. Все эти расчеты приводят к заключению, что даже половины накопленного ядерного оружия в случае его применения доста­точно для установления «ядерной» зимы на планете со всеми катастрофическими последствиями для человечества.