О глобальном потеплении и методах его исследования и прогноза

Наша планета Земля получает почти всё свое тепло от Солнца. По современным спутниковым данным, площадка в один квадратный метр, расположенная вне атмосферы и подставленная под прямым углом к лучам Солнца, получает 1365 Ватт мощности солнечного излучения. Это так называемая солнечная «постоянная». Для скептиков надо указать, что никакая она не постоянная и меняется в пределах ±3% в зависимости от солнечной активности, сезона и способа измерения и подсчета [1]. Вклад изменений активности Солнца, так же как и вклад активности вулканов, учтен в моделях климата [2].

Учитывая полную площадь планеты, изменение угла наклона поверхности к солнечным лучам и то, что половина Земли находится в тени, реально получаемая в среднем за год энергия вне атмосферы уменьшается до 340 Ватт на квадратный метр (Вт ∙ м^-2). Попадая на Землю, часть этой энергии отражается от облаков, от поверхности континентов и океанов, поглощается в самой атмосфере и переизлучается обратно. В итоге для приведения в действие тепловой машины климата во всех ее формах доступно только 250 Вт ∙ м^-2. Вот эта-то величина известна намного менее точно (±10%), чем солнечная постоянная. Для сравнения: вклад тепла из недр планеты мал и составляет лишь 0.03 Вт ∙ м^-2 или около 0.01% от доступной энергии. Прямой вклад тепла, которое производит человек, примерно такого же порядка — около 0.04 Вт ∙ м^-2 [3]. С практической точки зрения климат воспринимается человеком, да и основной частью биосферы, в виде среднего режима погоды у поверхности земли, где мы, собственно, и обитаем, и ведем свою деятельность. Хотя у погоды много важных характеристик (ветер, осадки и т. п.), о климате удобно в первом приближении судить по изменениям температуры воздуха. Это интуитивно понятная величина. Она легко измеряется, и ее непосредственные измерения известны для последних примерно 200 лет, а если брать косвенные данные, например соотношение изотопов кислорода во льду Антарктиды, то и для более миллиона лет.

Если бы Земля была лишена атмосферы, то равновесная температура теплового излучения серого тела на орбите Земли была бы –18 °С. Газы в атмосфере частично непрозрачны для теплового излучения, поэтому, для того чтобы потоки приходящей и уходящей энергии были в среднем одинаковы, а иначе температура будет либо расти, либо падать, необходимо нагреть излучающую поверхность, то есть увеличить поток тепла на величину, которая будет переизлучена атмосферой обратно к Земле. При неподвижной атмосфере температура Земли выросла бы до +40 °С. С перегревом помогает бороться атмосферная конвекция, которая выносит водяной пар выше основной массы атмосферы, где он выделяет тепло при конденсации и тем самым более эффективно излучает тепло в окружающее пространство. Конвективное приспособление охлаждает поверхность Земли до наблюдаемых +15 °С [4]. Таким образом, климат планеты определяется не столько приходящей солнечной энергией, сколько тем, как устроена динамика атмосферы и океана. К сожалению, при изучении динамики простыми рассуждениями о физических эффектах и оценочными суждениями не обойтись. Любой, даже самый здравый эффект может быть нивелирован или, наоборот, усилен динамикой. Динамику климата Земли нужно моделировать!

Тем не менее некоторые рассуждения о климате могут быть полезны, исключая хорошо известные орбитальные факторы, которые на протяжении десятков тысяч лет медленно управляют циклами оледенений; в историческое время, т. е. последние пять тысяч лет современного межледниковья, температурные вариации определяются балансом доступного тепла от Солнца и обменом теплом с деятельным слоем океана. Вплоть до XX столетия такие температурные вариации для планеты в целом не превышали ±0.5 °С [5].

В настоящее время основным фактором, который мог бы менять величину баланса солнечного тепла, считается вулканическая активность. Геохимические исследования ледников и других отложений позволяют довольно хорошо восстановить активность вулканов в историческое время и сопоставить ее с изменениями температуры [6]. И действительно, многие исторические похолодания могут объясняться, хотя и не полностью, всплесками активности и ее «неудачной» географической и сезонной конфигурацией, тут опять проявляется динамика атмосферы: не все вулканы одинаково влияют на климат [7]. Ряд недавно опубликованных работ заставляют предположить, что изменения динамики конвективных процессов, которые отражаются на количестве, организации и отражательной способности облачности и выносе тепла от поверхности, также могут значительно влиять на баланс тепла и температуру планеты [8]. Обмен теплом с океаном может как непосредственно менять температуру — амплитуды таких изменений очень малы, — так и менять динамику атмосферных процессов и уже через эти изменения менять температуру. К сожалению, динамика взаимодействия атмосферы и океана всё еще недостаточно хорошо изучена из-за обилия обратных связей, резонансов и нелинейности [9]. Но, каковы бы ни были изменения динамики и термодинамики в историческое время, наблюдаемый факт состоит в том, что они не вызывали изменений температуры более чем на 0.5 °С.

С середины XIX века, однако, происходит нечто необычное. Два процесса — беспрецедентный рост температуры более чем на 1 °С за 100 лет и увеличение содержания углекислого газа (СО₂) более чем на 40% за это же время — разворачиваются параллельно. Кроме того, сильно растет концентрация метана, окислов азота и других «парниковых» газов. То, что сжигание ископаемого топлива и есть причина роста концентрации СО₂, доказать нетрудно. Для этого нет нужды изучать статистику добычи и использования угля, нефти, газа и т. д., впрочем, эта статистика довольно хорошо известна, достаточно изучить изменение изотопного состава углерода в атмосферном СО₂ и содержание кислорода в атмосфере (рис. 1). В природе встречаются три изотопа углерода в составе различных соединений, минералов, в воздухе и в воде океанов. Наиболее распространённый (около 98% от общего количества этого элемента) стабильный изотоп, ¹²С, содержит 6 протонов и 6 нейтронов. Стабильный изотоп ¹³С, с семью нейтронами, составляет примерно 1%. В воздухе и верхнем перемешанном слое океана имеется также некоторая малая примесь долгоживущего радиоактивного изотопа ¹⁴С, с восемью нейтронами, который получается из азота воздуха при воздействии космического излучения. Точное измерение соотношений изотопов, например отношение ¹²С/¹³С, в массе углекислого газа и метана воздуха позволяет выявить источники наблюдаемых изменений концентрации этих парниковых газов. Растения предпочтительно поглощают ¹²С. Поэтому ископаемое топливо обогащено этим изотопом, в то время как минералы небиологического происхождения и растворённый углерод океанов — нет. Как следствие, при сжигании ископаемого топ­лива, в воздухе будет меняться не только содержание СО₂, но одновременно и отношение ¹²С/¹³С, что и наблюдается. Этого не будет происходить при изменении активности вулканов или обмена с океаном или же при производстве цемента. Отношение ¹⁴С/¹²С позволяет установить возвращается ли в атмосферу ископаемый углерод, который не содержит ¹⁴С, или это сжигается современная биомасса (леса). Таким образом, с точностью до единиц процентов, установлено, что в атмосферу добавляется углерод из ископаемого топлива, при этом именно путём его сжигания, поскольку одновременно и пропорционально падает содержание кислорода в воздухе.

Радиационные свойства газовых смесей хорошо изучены в лабораториях, превращены в формулы и тщательно откалиброванные расчетные модели различной сложности. Поэтому нам известен эффект «парниковых» газов на радиационный баланс планеты, что называется, «из пробирки». Он составил к 2014 году в целом около 3 Вт ∙ м^-2, из них эффект собственно добавленного углекислого газа составил 1.7 Вт ∙ м^-2. Хотя мы и точно не знаем баланс тепла на поверхности планеты, мы знаем, что его изменения не вызывали изменений температуры, какие мы наблюдаем за время, совпадающее с периодом роста концентраций парниковых газов.

Мы можем также сравнить оценки температуры во время предыдущих межледниковий, когда концентрации парниковых газов мало менялись, с оценками изменений баланса тепла от орбитальных эффектов, которые известны хорошо. Полученные оценки чувствительности климата, т. е. отношения изменения температуры к изменению баланса тепла, хотя и имеют большой разброс, но хорошо согласуются с современными наблюдениями и данными модельных расчетов [10], давая в среднем 1.11 Вт ∙ м^-2 К^-1 с ­5%–95% интервалом 0.74–1.62 Вт ∙ м^-2 К^-1. Для нас важно следующее. Какое бы реалистичное значение чувствительности изменений температуры планеты к изменению баланса тепла мы ни выбрали, наблюдаемые изменения могут быть обеспечены только эффектом накопления СО₂ в атмосфере. Именно это и показывают оценки и модельные эксперименты с «включением» различных комбинаций радиационных эффектов, которые приводятся в докладе МГЭИК (рис. 2). Расчетные аномалии температуры систематически отличаются от ожидаемых аномалий при отсутствии выбросов углекислого газа, и это различие значимо не позже 1980 года.

Обратим внимание, что переход к более теплому климату, который соответствует современному содержанию СО₂ в атмосфере, растянут во времени. Температурная аномалия в 1.1 °С, наблюдаемая в настоящее время, соответствует концентрациям СО₂ в середине XX века, а нынешние 408 частей на миллион частей воздуха проявятся полностью только во второй половине века XXI. Поэтому даже если немедленно прекратить выбросы, то изменения климата и рост температуры не остановятся еще долго.

Кроме СО₂, главными парниковыми газами являются водяной пар и метан в атмосфере. Содержание водяного пара быстро растет с температурой, что формирует положительную обратную связь с содержанием углекислого газа [11]. Водяной пар в 3–6 раз усиливает эффект СО₂ на рост температуры. Однако при всей своей мощи это лишь вторичный эффект, который сам по себе не приводит к долгосрочным нарушениям теплового баланса. Кроме того, перенос водяного пара в верхние слои атмосферы и его конденсация приводят к охлаждению планеты. Среднее время жизни молекулы водяного пара в атмосфере до ее выпадения на поверхность лишь четверо суток, так что водяной пар находится в динамическом равновесии с более долгоживущими нарушителями теплового баланса. То же можно сказать и о метане. Его время жизни в атмосфере около 30 лет, что также заметно меньше, чем временной масштаб изменений климата. Без СО₂ воздействие и того и другого газа быстро вернется к своему историческому равновесию.

Итак, термодинамику и перенос радиации в атмосфере, т. е. общий баланс тепла, мы понимаем достаточно хорошо; динамику, т. е. перераспределение тепла по планете, — не очень хорошо. Вопрос о роли конвекции и крупномасштабной динамики планетарных волн в атмосфере еще далеко не решен. И та и другая динамика пока не слишком хорошо воспроизводится моделями. Впрочем, модели работают достаточно хорошо, чтобы давать прогноз потепления для наблюдаемого изменения содержания СО₂ (рис. 3). И достаточно хорошо, чтобы воспроизводить некоторую задержку потепления в середине и самом конце XX века [12].

В настоящий момент достигнуты концентрации СО₂, которые не наблюдались на протяжении последних трех миллионов лет. Полученная в результате множества модельных экспериментов и анализа огромного массива исторических и геологических данных зависимость между аномалиями температуры и содержанием углекислого газа позволяет предсказать, что температура вырастет к концу XXI века по меньшей мере еще на один градус. Данные показывают, что дискуссии о сокращении выбросов СО₂ несущественны (в исторической перспективе) (рис. 4). Если выбросы не сокращать, то будут получены совершенно определенные климатические изменения, может быть, только несколько раньше или позже. На временных масштабах развития государства и инфраструктуры различия в последствиях несущественны.

В целом антропогенное изменение климата есть доказанный наукой факт. При всех своих недостатках модели климата в настоящее время развиты настолько, что обладают значительной доказанной предсказательной силой и не только для планеты в целом, но и для некоторых отдельных регионов, например для ­Северной Атлантики и Арктики. На эти факты и достижения и опирается «климатический консенсус». Серьезные споры сместились либо в область более детального изучения различных процессов, той же динамики конвекции, либо в дискуссию о том, что с этим знанием о потеплении климата человечество должно делать.

К удивлению, наверное, многих, климатические знания всегда были и есть востребованы. Медленные изменения климата, температуры и осадков интересовали человечество с момента зарождения цивилизации. Да и сами цивилизации зародились по берегам великих рек, которые чувствительны к климатическим вариациям. Известны записи уровня воды в Ниле более чем 5-тысячелетней давности. Не утратили актуальности климатические сведения и ­сейчас. Без знаний температуры и ее изменений невозможно ни дом построить, ни планировать развитие регионов. Последствия выбросов углекислого газа для климата были ясны ученым еще 100 лет назад (рис. 5), хотя для перехода от качественных к количественным оценкам потребовалось развитие многих отраслей математики и физики, а также системы наблюдений. Нет нужды ­кого-­либо убеждать, что ­наблюдаемые изменения климата уже приняты во внимание страховыми компаниями и банками. Борьба разворачивается за принятие климатических прогнозов. Столь критикуемое климатическими активистами нежелание политиков и капитанов бизнеса противодействовать изменениям климата на деле во многом мнимое: конкретный бизнес и политика почти не имеют столь далеких горизонтов планирования, ведь требуется заблаговременность решений в 30–50 лет и более.

Тут, кажется, проявляется классическая проб­лема теории игр: платить надо сейчас, чтобы снизить риски, которые станут заметны ­через десятилетия. Поэтому внимание климатологов сосредотачивается на определении рисков климатических изменений в тех географических областях и в тех физических процессах, где они могут быть достаточно точно определены при современном уровне знаний. Одна из таких областей — Арктика и прилегающие территории — непосредственно касается России. Арктика освобождается ото льда на один, два, может быть, и три месяца в году уже через два-три десятилетия, при этом место толстого многолетнего льда занимает тонкий однолетний лед. В этом прогнозе у климатологов разногласий нет. Что за этим последует, кроме улучшения условий судоходства, не совсем понятно. Есть работы, которые указывают на усиление атмосферных волн тепла и холода в средних (более заселенных) широтах вследствие открытия Арктики. Есть другие работы, где эти выводы ставятся под сомнения. Цена вопроса для России высока. Может быть, вместо абстрактных споров о климатах далекого прошлого, что само по себе ценно, заняться более активным изучением сценариев и физических процессов климатов будущего, даже если какие-то из этих сценариев и не будут реализованы?

Игорь Эзау,
канд. физ.-мат. наук (Россия), PhD (Швеция),
старший исследователь климатической группы Нансен-центра (Берген, Норвегия)

1. Soon W., Connolly R., & Connolly M. (2015). Re-evaluating the role of solar variability on Northern Hemisphere temperature trends since the 19th century. Earth-Science Reviews, 150, 409–452.
2. Canty T., Mascioli N. R., Smarte M. D., & Salawitch R. J. (2013). An empirical model of global climate — Part 1: A critical evaluation of volcanic cooling. Atmospheric Chemistry and Physics, 13(8), 3997–4031.
   
3. “Key World Energy Statistics 2019”. International Energy Agency. 26 September 2019. Pp. 6, 36. Retrieved 7 Января 2020.
4. Manabe S. (1997). Early Development in the Study of Greenhouse Warming: The Emergence of Climate Models. Ambio, 26(1), 47–51.
5. Neukom R., Barboza L.A., Erb M.P. et al. Consistent multidecadal variability in global temperature reconstructions and simulations over the Common Era. Nat. Geosci. 12, 643–649 (2019) doi: 10.1038/s41561-019-0400-0
6. Robock, A. (2000), Volcanic eruptions and climate, Rev. Geophys., 38, 191–219.
7. Brönnimann S., Franke J., Nussbaumer S.U. et al. Last phase of the Little Ice Age forced by volcanic eruptions. Nat. Geosci. 12, 650–656 (2019) doi: 10.1038/s41561-019-0402-y
8. Schneider T., Kaul C. M., & Pressel K. G. (2019). Possible climate transitions from breakup of stratocumulus decks under greenhouse warming. Nature Geoscience, 12(3), 163–167.
9. Shepherd T. G. (2014). Atmospheric circulation as a source of uncertainty in climate change projections. Nature Geosciences.
10. Knutti R., Rugenstein M. & Hegerl G. Beyond equilibrium climate sensitivity. Nature Geosci 10, 727–736 (2017) doi: 10.1038/ngeo3017
11. Bony S. et al (2015). Clouds, circulation and climate sensitivity. Nature Geoscience, 8, 261–268.
    
12. Medhaug I., & Drange H. (2015). Global and regional surface cooling in a warming climate: a multi-model analysis. Climate Dynamics.
    
13. climate.nasa.gov/news/2943/study-confirms-climate-models-are-getting-future-warming-projections-right/