К.Я. Кондратьев, академик, В.Ф. Крапивин, доктор физико-математических наук
Идущие в последние десятилетия дискуссии о глобальном потеплении с прогнозами природных катастроф мирового масштаба, как правило, заканчиваются безрезультатно по той простой причине, что выводы делаются на основе анализов ограниченного ряда наблюдений и использования неадекватных климатических моделей. Тем не менее, «ортодоксальная» концепция наступающей всемирной экологической катастрофы, вызванной глобальным потеплением, поддерживается многими международными документами. Понимание же реальной динамики интерактивной и функционирующей в режиме хаоса климатической системы «атмосфера-гидросфералитосфера-криосфера-биосфера» остается далеким от адекватности, тем более, что следует учитывать еще и внешние (космические) воздействия на эту систему.
Одна из важных причин противоречивости суждений об изменении глобального климата связана с ограниченностью эмпирической диагностики климата главным образом анализом сравнительно коротких (около полутора столетий) рядов данных о приземной температуре воздуха. С другой стороны, очевидно, что основополагающее значение для понимания закономерностей пространственно-временной изменчивости климата имеют данные об энергетике климатической системы — прежде всего результаты наблюдений и численного моделирования радиационного баланса Земли. Именно поэтому его исследования имеют относительно долгую историю, хотя лишь в течение последних нескольких десятилетий осуществлялись регулярные спутниковые наблюдения составляющих радиационного баланса планеты, которые позволили накопить сравнительно репрезентативный массив данных, характеризующих динамику радиационного поля Земли и его компонентов — поглощенной системой «Земля-атмосфера» солнечной радиации и уходящего длинноволнового излучения.
Только за последние годы были предприняты первые попытки расчета полей радиационного баланса Земли и его компонентов не по заданным входным характеристикам полей температуры, облачности и состава атмосферы, а в рамках численного моделирования климата с использованием трехмерных глобальных моделей динамики климатической системы. Примером успешного моделирования является расчет радиационного поля Земли с помощью модели, созданной в Годдардовском институте космических исследований (США). Величины радиационного баланса рассчитаны при задании эволюции радиационных возмущающих воздействий за период 1880-2003 гг., обусловленных следующими климатообразующими факторами: парниковые газы, включая CO2, CH4, N2O, CFCI и некоторые другие малые газовые компоненты; рассеивающий (сульфатный) и поглощающий (черный углерод) аэрозоль; внеатмосферная солнечная радиация («солнечная постоянная»); альбедо снега; стратосферный аэрозоль; косвенное воздействие тропосферного аэрозоля на климат (посредством изменения процессов в облаках); процессы на поверхности суши (землепользование). Данные табл. 1 иллюстрируют полученные результаты.
| Таблица 1Эффективное радиационное возмущающее воздействие за период 1880-2003 гг. с учетом парниковых газов, атмосферного аэрозоля и других факторов | |
| Фактор воздействия | Радиационноевозмущающеевоздействие, Вт/м2 |
| Парниковые газыХорошо перемешанныеОзонСтратосферный H2O(за счет CH4)СуммаВнеатмосферная солнечнаярадиацияЗемлепользованиеАльбедо снегаАэрозольВулканическийЧерныйРассеивающий тропосферныйКосвенные воздействияаэрозоляСуммаАрифметическая суммаотдельных радиационныхвозмущающих воздействийИнтерактивный учет всехрадиационных возмущающих воздействий | 2.750.240.063.05 ± 0.40.22(x2)-0.09(x2)0.74(x2)0.000.43-1.05-0.77-1.39 ± 0.71.931.80 ± 0.85 |
Результаты оценок среднеглобальных значений радиационного баланса Земли подтверждают их дезориентирующий характер при выводах о состоянии пространственно-временной изменчивости его компонентов. Достаточно отметить, что при оценке радиационного возмущающего воздействия за счет косвенного влияния аэрозоля, составившего в 2003 г. 1.39 Вт/м2, погрешность составила примерно 50%. Согласно данным табл. 1, суммарное эффективное радиационное возмущающее воздействие составляет +1.8 Вт/м2 при главном вкладе парниковых газов и неопределенности ±0.85 Вт/м2; обусловленной исключительно аэрозолем. Таким образом, аэрозоль оказывается в фокусе проблемы неопределенностей оценок изменений глобального климата, хотя не вызывает сомнений, что это только часть проблемы. Более сложные задачи возникают при попытках оценить ведущую роль внутренней нелинейной динамики климатической системы в формировании климата Земли.
Главный результат численного моделирования, полученный в Годдардовском институте, состоит в оценках нарушения среднеглобального радиационного баланса Земли (положительного «разбаланса»), который до 1960 г. составлял лишь несколько десятых Вт/м2, но затем (исключая кратковременные периоды взрывных вулканических извержений) непрерывно возрастал, достигнув в настоящее время уровня +0.85 ± ± 0.15 Вт/м2, отображающего происходящее глобальное потепление климата. Подтверждением реальности «разбаланса» является наблюдаемая аккумуляция тепла Мировым океаном — главным резервуаром для избыточной энергии. Согласно расчетным данным, возрастание теплосодержания верхнего слоя океана толщиной 700 м за последнее десятилетие составило 6.0 ± ± 0.6 Вт/м2, тогда как соответствующее наблюдавшееся значение равно 5.5 Вт/м2. Результаты вычислений меридионального разреза («глубина-широта») поля температуры океана для различных вариантов численного моделирования выявили наличие значительных расхождений, отображающих хаотичность «океанической погоды», хотя основные особенности среднезонального поля трендов температуры океана в целом соответствуют наблюдаемым, выявляя более глубокое проникновение аномалий тепла вглубь океана в средних и высоких широтах и менее глубокое — в тропиках.
Следует подчеркнуть, что обнаружение среднеглобального энергетического «разбаланса» имеет концептуальное значение, поскольку подобный «разбаланс» служит индикатором нарушения глобального экологического равновесия. Понятно, что при отсутствии антропогенных воздействий должна иметь место сбалансированность усредненных за большие промежутки времени значений прихода (поглощенная солнечная радиация) и расхода (длинноволновая уходящая радиация) энергии. Нарушение энергетического (теплового) баланса планеты отображает начало опасного процесса потери экологического равновесия в глобальных масштабах. Другим индикатором подобной потери является нарушение замкнутости глобальных биогеохимических круговоротов.
Наблюдавшееся в период 1880-2003 гг. повышение среднеглобальной приземной температуры воздуха составило 0.6-0.7°С, что соответствует уровню возмущающего воздействия ~ 1 Вт/м2. Наличие избыточного тепла означает существование резервуара тепла (0.85 Вт/м2), который из-за большой инерционности климатической системы должен обусловить дальнейшее развитие процесса глобального потепления даже при неизменности содержания парниковых газов в атмосфере. Исторические аналогии говорят о том, что такой уровень возмущающего воздействия не мог существовать длительные периоды. В самом деле, если бы величина «разбаланса» сохранялась на протяжении всего периода голоцена (10 тысяч лет) на уровне ~ 1 Вт/м2, этого было бы достаточно для таяния глобального слоя льда толщиной 1 км. Поэтому естественно считать, что в геологических масштабах времени «разбаланс» не мог превосходить небольшой доли от 1 Вт/м2.
| Таблица 2Наблюдавшиеся значения среднеглобальных возмущающих воздействий и эквивалентные изменения альбедо Земли (х103) | |
| Возмущающие воздействия | Альбедо |
| Усиление парникового эффекта атмосферы за время индустриальной эры (2.4 ± 0.2 Вт/м2)Антропогенное аэрозольное радиационное возмущающее воздействие за время индустриальной эрыОценки изменений альбедо по данным об отраженной Луной уходящей коротковолновой радиации (2000-2004 rr.)Изменения альбедо по данным спутниковых наблюдений (2000-2004 гг.)Изменения суммарной радиации: по спутниковым данным за период 1983-2001 гг.— по данным наземных наблюдений за период 1985-2000 гг.— по данным наземных наблюдений за период 1950-1990 гг. | -7+6-4±4+16-6-8-13+20 |
С точки зрения оценок достоверности вычислений среднеглобальных компонентов радиационного баланса Земли наиболее сложной является проблема учета роли альбедо. Анализ данных по годовому ходу альбедо, полученных с использованием моделей климата, выявил наличие значительных (превосходящих уровень изменчивости «парникового» радиационного возмущающего воздействия) расхождений, как между различными моделями, так и с результатами наблюдений, причем последние не обнаруживают того годового хода, который характерен для вычисленных величин альбедо. Такого рода расхождения свидетельствуют о недостаточной надежности результатов численного моделирования, обусловленной неадекватным учетом влияния облачности и аэрозоля на формирование альбедо. При современном уровне погрешностей спутниковых наблюдений достоверное распознавание таких изменений альбедо, которые эквивалентны антропогенно обусловленному усилению парникового эффекта атмосферы, оказывается невозможным. Существующую ситуацию иллюстрируют данные табл. 2. Видно, что уровень расхождений устрашающе значителен (рассматриваемые оценки расходятся даже по знаку). Отсюда следует очевидная некорректность использования понятия «глобальное потепление», отображающего иллюзию происходящего на всем земном шаре равномерного потепления климата. А это значит, что первостепенной задачей современной климатологии является продолжение развития систем наземных и спутниковых наблюдений с целью накопления длинных рядов достоверных данных наблюдений. Сложность и значимость этой задачи вытекает из сопоставления имеющихся спутниковых данных, согласно которым среднеглобальное альбедо Земли равно -0.29, а внеатмосферный интегральный поток солнечной радиации составляет 341 Вт/м2. Это означает, что изменение альбедо Земли всего на 0.01 эквивалентно изменению радиационного баланса на 3.4 Вт/м2, что сравнимо с эффектом удвоения концентрации CO2 в атмосфере.