Чтение онлайн

Предположим, что только 40% излучения «проходит» в космос, а 60% энергии отражается и попадает обратно на Землю. Тогда на поверхность Земли попадет не только коротковолновое излучение, но и отраженное длинноволновое излучение. Если бы наша система изначально имела температуру – 10 °С, то она стала бы нагреваться, так как происходило бы накопление энергии. Но потепление приводит к тому, что длинноволновое излучение становится более высокоэнергетичным, при том что в Космос по-прежнему уходят лишь 40%. Однако коль скоро интенсивность излучения возрастает пропорционально 4-й степени температуры, от земли в чистом виде будет отражаться больше энергии, чем до потепления. В конце концов, процесс потепления прекращается, когда достигающее Космоса излучение уравновешивает излучение, достигающее поверхности Земли. Очевидно, что эта «конечная температура» намного выше, чем – 10 °С, из которых мы исходили. Однако из-за того, что атмосфера не только отражает длинноволновое излучение, но и защищает приземный слой от коротковолнового излучения, поверхности Земли достигает не все солнечное излучение, а лишь небольшая его часть. Эта защита зависит от альбедо (отражательной способности) 1 , на которое, в свою очередь, влияют облака, морские льды, снежные покровы, пустыни и землепользование. Благодаря этому эффекту в конечном итоге мы получает среднюю температуру атмосферы Земли около 15 °С, что вполне соответствует действительности 2 .

Это теория получила название «парниковой теории», что, однако, не совсем верно, так как температура в теплице нагревается по другим причинам, нежели температура наружного воздуха. В данной теории примечательно то, что она до сегодняшнего дня, т. е. на протяжении ста лет после первого опубликования, считается верной в том самом виде, в каком она была сформулирована изначально 3 . Сванте Аррениус показал, что изменения концентрации углекислого газа в атмосфере могли быть причиной наступления ледникового периода. Он был убежден в правильности найденного объяснения. И действительно, анализ ледяных кернов показал, что ледниковые периоды были связаны с существенными изменениями концентрации двуокиси углерода (ледяной керн «Восток»). Однако речь здесь не идет о прямой причинно-следственной связи, так как вполне возможно, что изменение концентрации углекислого газа было вызвано изменениями климатических условий. Высказывались и другие убедительные гипотезы, объясняющие периодичность ледниковых периодов. В этой связи следует упомянуть прежде всего циклы Миланковича – гипотезу, связывающую изменения климата с изменениями в земной орбите.

«Побочным продуктом» размышлений Аррениуса стала оценка того, как быстро будет увеличиваться температура воздуха, если человечество, сжигая ископаемое топливо, удвоит концентрацию диоксида углерода в атмосфере. Сванте Аррениус исходил из повышения температуры примерно на 3 °С, но при этом полагал, что увеличение концентрации СО2 вдвое может наступить не ранее, чем через 1000 лет, так как 85% углекислого газа сосредоточено в океане. Для общественно-политических дискуссий этот сценарий развития событий не имел большого значения 1 . Этот уровень в 85% и сегодня считается верным, но только для равновесного состояния. За нынешними, невероятно возросшими показателями выброса «океан уже не поспевает», так что в атмосфере сосредотачивается большое количество углекислого газа, и сценарий увеличения его концентрации в атмосфере вдвое в ближайшие 30–70 лет представляется вполне реалистичным (см. отчеты МГЭИК за 1990, 1992 под редакцией Хьютон и коллег). Мы еще рассмотрим вопрос изменения климата под влиянием человеческой деятельности в четвертой главе.

Итак, мы видим, что эти климатологические изыскания не ограничиваются подробными измерениями и обработкой их результатов с целью сформулировать ценные рекомендации для планирования человеческой деятельности в различных областях. Здесь мы имеем дело с дедуктивными выводами из фундаментальных законов физики, в данном случае из первого закона термодинамики – закона сохранения энергии. Климат оказывается в центре интеллектуальной любознательности, и значение наблюдений сводится к «верификации» гипотез, теорий и моделей. Тем не менее, подобные научные методики, относящиеся скорее к области фундаментальных исследований, привели к открытиям, взбудоражившим международную политику. Понятие «парниковый газ» стало общеупотребительным и уже не нуждается в объяснениях, когда речь о нем идет, например, в телевизионных новостях. Следует отметить, что в данном случае именно наука обнаруживает проблему и формулирует ее именно как проблему для обсуждения и решения в политике и обществе. Глобальное изменение климата, парниковый эффект и повышение температур не являются бытовой проблемой. Именно научные открытия и научные формулировки проблемы определяют в данном случае характер и масштаб политических мер. Подробнее об этом мы расскажем в четвертой главе.

Рис. 12. Описание ячеистых структур циркуляции атмосферы, сделанное Джорджем Хэдли в XVII веке в условиях неполной информации.

Ср. также с современной схемой на рисунке 14.

Другие значимые работы, в которых предпринимается попытка объяснить всеобщую атмосферную циркуляцию (например, факт существования областей пассатов), принадлежат перу английского ученого Джорджа Хэдли (1685–1768). Несмотря на то, что ему были доступны лишь очень немногочисленные эмпирические данные, Хэдли верно сформулировал основные положения теории общей циркуляции воздуха (рисунок 12), в частности, пассатов, не имея возможности вывести из своей теории другие важные аспекты данного явления.

Философ Иммануил Кант (1724–1804) также внес свой вклад в изучение этого явления. Проанализировав результаты наблюдений мореплавателей за изменениями ветра в Юго-Восточной Азии, он пришел к выводу, что дальше на юге должен находиться еще один континент – на тот момент еще не открытая Австралия.

Очередной прорыв в области физической климатологии связан с именами таких исследователей, как норвежец Вильгельм Бьёркнес (1862–1951), который внес большой вклад в объяснение внутренней структуры штормов в средних широтах, швед Карл Густав Россби (1898–1957), который выявил причины неустойчивости погоды в средних широтах, и, наконец, американец Джон Нойманн (1903–1957), который после второй мировой войны раньше других понял, какие возможности открывает электронная обработка данных перед метеорологией, и применил новые подходы на только появившихся в то время компьютерах. Это компьютерное моделирование с целью прогноза погоды легло в основу современных климатических моделей; важнейший вклад в развитие этой области внесли метеорологи и океанографы Сьюкуро Мэйнаби и Кирк Брайан из Геофизической лаборатории гидродинамики в Принстоне.

В современной климатологии климатическая система трактуется как взаимодействие или процесс взаимного влияния атмосферы, гидросферы, криосферы и биосферы и не ограничивается исключительно приземной атмосферой. На передний план выходят уже не описательные исследования, а прежде всего системно-аналитический подход. Краткое изложение современных подходов к климатической системе можно найти в работах Жуссом (Joussaume 1996), Филэндера (Philander 1998) и фон Шторха с соавторами (von Storch et al. 1999). Принцип действия здесь аналогичен принципу действия теплового двигателя, работающего благодаря разнице температур в камере сгорания и радиаторе. Применительно к атмосфере мы можем говорить о том, что «активным элементом» являются (тропические) камеры сгорания, тогда как в океанической системе поддержание (термической и галинной) циркуляции обеспечивается (субполярным) «радиатором».

Рис. 13. Норвежский метеоролог и создатель теории полярных фронтов Вильгельм Бьёркнес, портрет кисти Рольфа Гровена. Портрет выставлен на факультете геофизики Университета г. Бергена.

Рис. 14. Современная схема общей циркуляции атмосферы.

Источник: von Storch H., Guss S., Heimann M. Das Klimasystem und seine Modellierung. Eine Einfuhrung. Springer Verlag, 1999. S. 255 и далее.

Современное понимание циркуляции атмосферы схематично представлено на рисунке 14.

Нагревание атмосферы происходит в первую очередь в тропиках за счет поступления солнечного тепла в виде коротковолнового излучения. Приземный воздух в тропиках сильно нагревается, вследствие чего стратификация атмосферы становится нестабильной. Воздух в низших слоях атмосферы становится легче воздуха более высоких слоев. Это приводит к интенсивному перемещению воздуха, усиливаемому наличием водяных испарений. Воздух, поднимающийся наверх, расширяется, остывает и уже не в состоянии удерживать пар в прежнем объеме. Часть паров конденсируется, и в результате снова высвобождается тепловая энергия, изначально задействованная в испарении воды. (В этом случае говорят также о «скрытой тепловой энергии», в отличие от «воспринимаемой тепловой энергии», связанной с температурой). Эта высвободившаяся энергия нагревает воздух, который опять становится легче своего окружения и, следовательно, продолжает движение вверх. Если вы летите на самолете в тропической зоне, вы можете наблюдать этот процесс по гигантским нагромождениям облаков, которые нередко скапливаются даже выше уровня полета, т. е. выше 11–13.000 метров.

У верхней границы тропосферы (за которой начинается стратосфера, где господствуют совершенно иные условия, поскольку происходящие там процессы определяются химическими реакциями и высвобождающейся в результате энергией), т. е. на высоте 10–14.000 метров, поднимающийся вверх воздух направляется к полюсам и постепенно опускается в субтропиках. Завершается цикл движением приземных потоков воздуха в направлении экватора – пассатами. При этом установившиеся режимы ветра не всегда направлены точно на север (в южном полушарии) или точно на юг. Вследствие вращения Земли (под влиянием силы Кориолиса) эти течения воздуха принимают северо-западное или юго-западное направление.

В средних широтах образуются вторичные фронты. И главные, и вторичные фронты переносят не только тепло, но и импульсы, вследствие чего у верхней границы тропосферы образуется мощный западный поток – так называемое струйное течение, которое становится неустойчивым. Вместо постоянного вертикального вихря формируются горизонтальные, крайне непостоянные вихри до нескольких тысяч километров в диаметре. Это и есть наши постоянные спутники – ураганы. Эти вихри переносят тепло в сторону полюсов как в скрытой, так и в ощутимой для человека форме. По ходу движения от Земли исходит длинноволновое излучение в космос. В начале пути коротковолновое излучение сильнее, чем длинноволновое, но по мере продвижения в сторону того или иного полюса коротковолновое излучение уменьшается, и в результате мы получаем отрицательный энергетический баланс. Система теряет больше энергии, чем получает. Этот разрыв компенсируется переносом энергии ветрами (или океаническими течениями). Таким образом, возникновение ветров обусловлено разностью между получаемой и выделяемой атмосферной энергией («чистая прибыль» в тропических широтах; «чистый расход» в полярных широтах). Подобно тому, как приводится в действие кривошипно-шатунный механизм в паровозе, так и здесь движение ветра возникает за счет термического равновесия между паровым котлом и радиатором.