Климат будущего | Журнал Природа 6/1971 17.05.1971

Член-корреспондент АН СССР М. И. Будыко

Михаил Иванович Будыко, директор Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова. Основной круг интересов связан с проблемами климатологии, гидрологии и физической географии. Автор более 150 научных работ и книг: Тепловой баланс земной поверхности (1956), Климат и жизнь (1971) и других научных и научно-популярных работ и книг. В журнале «Природа» была опубликована статья М. И. Будыко о тепловом балансе Земли (1962, № 8). Лауреат Ленинской премии.

Когда мы говорим о климатических условиях будущего, следует принимать во внимание как естественные тенденции колебаний климата, так и влияние на него деятельности человека. Рассмотрим сначала, какие естественные факторы могут влиять на будущий климат, а затем оценим роль человека в изменении климатических процессов.

Известно, что на климатические условия заметное влияние оказывает содержание вулканической пыли в нижних слоях стратосферы. Эта пыль увеличивает альбедо Земли и уменьшает количество солнечной радиации, поглощаемой Землей как планетой. В результате этого температура воздуха у земной поверхности снижается. Данные наблюдений показывают, что начиная с 40-х годов количество пыли в стратосфере возрастает. Таким образом, сейчас (начало 70-х годов) количество пыли в стратосфере сравнительно велико. Принимая во внимание относительно медленное выпадение этой пыли и учитывая влияние термической инерции Земли, можно думать, что в ближайшие годы существующая отрицательная аномалия температуры Земли сохранится.

Дальнейшие изменения климатических условий будут существенно зависеть от уровня вулканической активности, причем длительное усиление вулканизма приведет к общему похолоданию и наступлению ледников, а ослабление вулканизма — к потеплению и отступлению ледяного покрова. Чтобы разработать прогнозы ожидаемых изменений климатического режима, нужно иметь детальную информацию о вулканических извержениях и пылевом режиме атмосферы.

По-видимому, за период времени до нескольких столетии естественные колебания климата не могут существенно повлиять на метеорологический режим нашей планеты. Учитывая термическую инерцию океанов и принимая во внимание исторические данные по климату за последие тысячелетия, мы можем заключить что на протяжении нескольких столетий заметные колебания климата возможны только в высоких широтах, где метеорологический режим является чувствительным индикатором малых изменений климатообразующих факторов.

В течение нескольких тысяч или десятков тысяч лет могут иметь место более крупные изменения климата, как-то — появление и исчезнове ние крупных оледенений, которые имеют планетарное значение.

Выполненные исследования пока зывают, что для последнего этапа истории Земли возможны два устойчивых типа климатического режима нашей планеты. Первый из них — сравнительно высокие температуры как в низких, так и в высоких широтах, с малым меридиональным градиентом температуры и отсутствием полярных оледенений. Такой режим существовал в течение всей мезозойской эры и третичного периода т. е. не менее 200 млн лет. Другой вариант устойчивого климата относится к случаю полного оледенением Земли с очень низкими температурами на всех широтах. Подобный тип климатического режима, по-видимому, гораздо более устойчив чем первый, и его возникновение вероятно, было бы концом длительной эволюции климатов на нашей планете.

Промежуточные типы климата с оледенениями, занимающими часть поверхности Земли, не могут быть устойчивыми. Это подтверждается историей климата четвертичного времени, когда имели место резкие колебания метеорологических условий, связанные с пульсацией оледенений.

В некоторых исследованиях высказывалось предположение, что эволюция климата Земли в четвертичное время может привести к ее полному оледенению в течение очень короткого времени по сравнению с длительной историей нашей планеты. Можно, однако, думать, что влияние деятельности человека на климатические условия делает такую возможность маловероятной. Наоборот, есть основание считать, что в будущем рано или поздно климат вернется к первому устойчивому состоянию с высокими температурами на всех широтах.

Человек и климат

Влияние человека на климат начало проявляться еще несколько тысяч лет назад. Во многих районах для обработки земли уничтожалась лесная растительность, что приводило к увеличению скорости ветра у земной поверхности, некоторому изменению режима температуры и влажности нижнего слоя воздуха, а также — к изменению режима влажности почвы, испарения и речного стока. В сравнительно сухих областях уничтожение лесов часто сопровождалось усилением пыльных бурь и разрушением почвенного покрова, что могло заметно изменить природные условия. Однако сокращение даже обширных лесных массивов оказывает ограниченное влияние на метеорологические процессы большого масштаба. Уменьшение шероховатости земной поверхности и некоторые изменения испарения на освобожденных от лесов пространствах сказываются на режиме осадков незначительно, если леса заменяются другими видами растительного покрова.

Более существенное влияние на осадки может оказать полное уничтожение растительного покрова, что неоднократно происходило в прошлом, например, в горных районах со слабо развитым почвенным покровом. В таких случаях эрозия быстро разрушает незащищенную лесом почву, что делает невозможным восстановление растительности. Аналогичная картина возникала в некоторых областях сухих степей, где естественный растительный покров, уничтоженный при неограниченном выпасе сельскохозяйственных животных, не возобновлялся, и целые области превращались в пустыни. Поскольку земная поверхность без растительного покрова сильно нагревается солнечной радиацией, относительная влажность воздуха над ней падает, а это повышает уровень конденсации и может уменьшать количество выпадающих осадков.

Другой путь влияния деятельности человека на климат — искусственное орошение. Оно резко меняет микроклимат, так как в связи со значительным увеличением затраты тепла на испарение снижается температура земной поверхности и повышается относительная влажность, а также понижается температура нижнего слоя воздуха. Однако за пределами орошаемых полей такое изменение метеорологического режима быстро затухает. Поэтому при орошении происходят главным образом изменения местного климата.

Другие виды человеческой деятельности в прошлом не оказывали заметного влияния на метеорологический режим сколько-нибудь обширных пространств, в связи с чем до недавнего времени климатические условия на нашей планете в основном определялись естественными факторами.

С середины XX в. воздействие человека на гидрометеорологический режим усилилось. Это связано с развитием мелиоративных работ, которые в последние десятилетия быстро расширяются. Заметное влияние на климат оказывают орошение, осушение заболоченных районов и строительство водохранилищ. Рассмотрим более подробно физический механизм изменений метеорологического режима при орошении.

В условиях климата сухих степей, полупустынь и пустынь при орошении происходит существенное увеличение радиационного баланса земной поверхности (т. е. разности поглощенной коротковолновой радиации и длинноволнового излучения), которое может достигать нескольких десятков и более процентов от его первоначальной величины. Рост радиационного баланса объясняется, с одной стороны, увеличением количества поглощенной коротковолновой радиации, так как уменьшается альбедо, которое для влажной почвы, покрытой более или менее обильной растительностью, заметно меньше обычных значений альбедо поверхности пустыни и полупустыни. С другой стороны, снижение температуры земной поверхности и повышение влажности нижнего слоя воздуха при орошении обеспечивают снижение эффективного излучения. А это также увеличивает радиационный баланс.

При орошении резко увеличиваются затраты тепла на испарение, причем величина его определяется оросительными нормами. Обычно повышение затраты тепла на испарение превышает увеличение радиационного баланса, вследствие чего величина турбулентной теплоотдачи заметно уменьшается. При достаточно больших нормах орошения она достигнет отрицательных значений, соответствующих среднему направлению турбулентного потока тепла от атмосферы к земной поверхности. Таким образом, орошение в условиях сухого климата значительно уменьшает общий поток тепла от земной поверхности в атмосферу как за счет турбулентного потока (который может даже переменить знак), гак и за счет потока тепла, переносимого длинноволновым излучением. При орошении достаточно больших: площадей это обстоятельство может привести к заметным изменениям, условий нагревания воздушных масс на данной территории.

Рассмотрим характерный пример - (рис. 1) изменения теплового баланса для средних летних «условий юга - Нижнего Поволжья. При норме орошения 10 г/см2 мес., т. е. 1000 м3/га мес., в результате заметного уменьшения величин альбедо и сумм эффективного излучения, орошение обеспечивает увеличение радиационного баланса на величину порядка 40%• В этом случае значительное возрастание затраты тепла на испарение приводит к превращению в нуль турбулентной теплоотдачи земной поверхности к атмосфере и уменьшает общий приток тепла от поверхности земли к атмосфере (сумм турбулентной теплоотдачи и эффективного излучения) в 2 раза. Поэтому температура воздуха в орошенных оазисах несколько снижается по сравнению с окружающими районами. Такое снижение может достигать величины 3—5°.

Осушение заболоченных территорий обычно оказывает на климатические условия действие, обратное орошению. Поскольку уменьшается влажность почвы, происходит повышение температуры почвы, уменьшение испарения, увеличение потока тепла от земной поверхности к атмосфере. Одним из способов осушения и, тем самым, отепления переувлажненных почв служит гребневая вспашка, применяемая на севере. В результате такой обработки почва в пахотном слое оказывается теплее на 1—1,5°, чем на ровных полях.

Некоторые изменения климата наблюдаются и в районах крупных водохранилищ. Их влияние аналогично влиянию естественных мелких водоемов и, прежде всего, сводится к уменьшению шероховатости земной поверхности, что способствует усилению ветра. По сравнению с открытой ровной местностью скорость ветра над водохранилищами возрастает на несколько десятков процентов. Причем особенно заметно оно в осеннее время, когда вода теплее воздуха и над водоемами развивается большой турбулентный обмен. Наоборот, весной, когда водоем сравнительно холоден, увеличение скорости ветра над водохранилищем почти незаметно. Как правило, создание водного бассейна приводит к уменьшению суточных колебаний температуры, увеличению радиационного баланса (вследствие уменьшения альбедо земной поверхности). В среднем за год увеличивается и испарение, которое при этом распределяется в течение года иначе, чем над сушей.

Изменения метеорологического режима, связанные с насаждением лесов, в основном ограничиваются приземным слоем воздуха. Из различных форм лесонасаждений наибольшее влияние на климат оказывают полезащитные полосы. Главный фактор их влияния — это ветрозащитное действие, которое сводится к уменьшению средней скорости ветра на межполосных полях и к уменьшению интенсивности вертикальных движений воздуха вблизи земной поверхности.

Ослабление вертикальных движений воздуха в нижнем слое (до высот в несколько метров) на межполосных полях объясняется тем, что воздушные вихри, движущиеся вблизи поверхности земли, попадая в лесную полосу, дробятся и разрушаются. Вследствие этого воздушный поток, просочившийся через лесную полосу, оказывается лишенным крупных вихрей. А это значительно уменьшает интенсивность вихревых движений во всем потоке.

Следует отметить, что такой эффект будет наблюдаться только в более или менее хорошо продуваемой лесной полосе, через которую воздушный поток просачивается сравнительно свободно. Густая лесная полоса действует на воздушный поток совершенно иначе. За такой полосой создается сравнительно небольшая зона затишья, а затем скорость ветра быстро возрастает и приближается к условиям ветрового режима в открытой степи. При этом в приземном слое не наблюдается уменьшения размера воздушных вихрей. В таком случае воздушный поток, приближаясь к лесной полосе, несколько приподнимается, огибает ее сверху, и затем сразу же опускается, приходя в первоначальное состояние.

Уменьшение интенсивности вихревых движений в нижнем слое воздуха на межполосных полях имеет большое практическое значение. Исследования показывают, что вихревые движения непосредственно влияют на развитие двух метеорологических явлений — сдувание с полей снега и образование пыльных бурь. Уменьшение интенсивности вихрей устраняет или ослабляет пыльные бури и сохраняет запасы снега на межполосных полях. Существенное значение имеет также уменьшение турбулентного обмена для сохранения в почве запасов влаги в теплое время года.

Наряду с орошением и полезащитным лесоразведением, которые специально проводятся для изменения гидрометеорологического режима, влияние на климат оказывают другие аспекты человеческой деятельности, воздействие которых является побочным и иногда нежелательным. Прежде всего — это загрязнение атмосферы во многих промышленных и некоторых сельскохозяйственных районах. Сейчас еще не совсем ясно, в какой мере это явление захватило атмосферу Земли в целом, т. е. имеет ли оно планетарный характер. Надо отметить, что в последнее время мы получаем некоторые данные, свидетельствующие о том, что загрязнение атмосферного воздуха продуктами человеческой деятельности уже распространилось на большие пространства и может рассматриваться как фактор, влияющий на атмосферные процессы большого масштаба. Вполне возможно, в частности, что отмеченное в разных местах прогрессивное уменьшение прозрачности атмосферы в известной мере связано с деятельностью человека.

Влияние загрязнения атмосферы на климатические условия многообразно. Одновременно с развитием специфических форм туманов (смог) происходит уменьшение освещенности и количества коротковолновой радиации, приходящей к земной поверхности. Влияние загрязнения воздуха на конденсацию водяного пара, по-видимому, может увеличивать облачность и способствовать выпадению атмосферных осадков.

Более сложен вопрос о влиянии загрязнения атмосферы на термический режим. Изменение потоков коротковолновой и длинноволновой радиации в запыленном воздухе зависит от размеров пыли, ее концентрации и распределения по вертикали. Поэтому влияние пыли на радиационный режим и термические условия может быть в разных условиях различным.

По-видимому, при увеличении запыления атмосферы все же преобладает тенденция снижения средней температуры у поверхности Земли.

Не вполне выяснен вопрос о влиянии на термический режим увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере. Хотя в естественных условиях атмосфера содержит сравнительно немного углекислоты (около 0,03% по объемному содержанию), этот газ играет известную роль в поглощении длинноволнового излучения и в поддержании «парникового эффекта», повышающего температуру у поверхности Земли. Принимая во внимание, что увеличение концентрации углекислоты в атмосфере может изменить термический режим, следует оценить, насколько же в результате деятельности человека возросло содержание углекислоты в воздухе.

Известно, что только в результате сжигания каменного угля в атмосферу поступает ежегодно около 5 - 109 т углекислоты. К этому количеству добавляется поступление углекислого газа от сжигания других видов топлива и от различных производственных процессов. Если бы весь углекислый газ, создаваемый человеком сохранялся в атмосфере, его концентрация быстро бы росла. Однако в связи с постоянным обменом углекислоты между атмосферой и океаном (который может поглотить большое количество углекислого газа) только часть поступающего углекислого газа задерживается в атмосфере. Имеющиеся данные показывают, что начиная с конца XIX в. количество углекислоты в атмосфере возросло на 10—15%. По-видимому, для заметного повышения температуры у поверхности Земли такого изменения содержания углекислоты недостаточно. Мнение о возможном влиянии роста содержания углекислоты на термический режим было основано на расчетах, в которых влияние углекислоты на поглощение длинноволновой радиации оценивалось изолированно от влияния на этот процесс водяного пара. Одновременный учет обоих факторов показал, что наблюдаемое изменение концентрации углекислоты может изменить температуру на сравнительно небольшую величину.

Из других последствий деятельности человека, оказывающих влияние на климат, следует назвать рост производства энергии. Вся энергия, потребляемая человеком, в конечном счете превращается в тепло, причем основная его часть служит дополнительным источником энергии для Земли, способствующим повышению ее температуры.

Из всех более или менее значительных компонент современного потребления энергии человеком только гидроэнергия и энергия, заключенная в древесине и продуктах сельскохозяйственного производства, представляют собой преобразование энергии солнечной радиации, ежегодно поглощаемой Землей. Расход таких видов энергии не меняет теплового баланса Земли и не приводит к ее дополнительному нагреванию.

Однако указанные виды энергии составляют небольшую часть (менее 20%) от всей суммы энергии, потребляемой человеком. Другие виды - энергия угля, нефти, природного газа, а также атомная — это новые источники тепла, не зависимые от преобразований энергии солнечной радиации современной эпохи.

В наших работах уже приводились оценки количества тепла, которое возникает в результате хозяйственной деятельности человека. Для единицы поверхности Земли в целом это количество невелико и составляет около 0,01 ккал/см2 год, Для наиболее развитых промышленных районов такая величина на два порядка больше (1—2 ккал/см2 год на территориях в десятки и сотни тысяч квадратных километров). На территориях больших городов (десятки квадратных километров) эта величина возрастает еще на один-два порядка, т. е. до десятков и сотен ккал/см2 год. Легко подсчитать, как это дополнительное производство тепла влияет на среднюю температуру Земли.

Установлено, что изменение на 1 % притока энергии, получаемой Землей от Солнца, меняет среднюю температуру у ее поверхности на 1,5°. Считая, что производство тепла в результате деятельности человека составляет сейчас около 0,006% от общего количества радиации, поглощенной системой Земля — Атмосфера, найдем соответствующее этому количеству тепла повышение средней температуры, примерно равное 0,01°. Эта величина незначительна, однако при большой неравномерности размещения на поверхности Земли созданных человеком источников энергии, в отдельных районах такое повышение температуры будет значительно большим.

При отсутствии циркуляции атмосферы в наиболее развитых промышленных районах температура могла бы возрасти на величину порядка градуса, а в больших городах — на десятки градусов, что, очевидно, сделало бы там жизнь невозможной. Влияние атмосферной циркуляции значительно ослабляет соответствующие повышения температуры, причем это ослабление тем больше, чем меньше площадь, на которой сконцентрировано производство дополнительной тепловой энергии.

Наблюдения показывают, что средняя температура воздуха в больших городах часто на несколько градусов выше, чем в окружающих районах. Такое различие может зависеть от разных причин. В частности, в городах альбедо земной поверхности обычно меньше, чем в загородной местности. Средняя величина затраты тепла на испарение а городах также понижена, поскольку испарение с мостовых и крыш зданий незначительно. Хотя оба эти фактора способствуют повышению температуры воздуха, можно думать, что производство дополнительного тепла во многих случаях является не менее существенной причиной нагревания воздуха в больших городах.

Итак, изменения климата, возникающие как побочный результат хозяйственной деятельности, невелики и, за исключением загрязнения атмосферы, пока еще не оказывают большого влияния на природные условия. Однако эти изменения быстро усиливаются, что придает им большое значение при оценке климатических условий будущего.

Оледенений не будет

В заключение остановимся более подробно на возможности влияния на климат роста производства энергии, приводящего к дополнительному нагреванию Земли. Неоднократно отмечалось, что сохранение существующих темпов увеличения производства энергии в течение одного-двух столетий достаточно для радикального изменения климатических условий на всей планете.

Имеющиеся статистические данные показывают, что мировое производство энергии за последние десятилетия возрастает приблизительно на 5% в год. Это соответствует увеличению в 10 раз производства энергии за срок менее чем в 50 лет. Принимая во внимание такую оценку и учитывая значение дополнительного прихода тепла в наше время, найдем, что через 100 лет нагревание Земли в результате деятельности человека будет составлять более 1 ккал/см2 год, а через 200 лет—больше 100 ккал/см2 год, т. е. будет сравнимо с приходом энергии, получаемой Землей от Солнца. Реальны ли эти цифры?

При обсуждении такого вопрос прежде всего следует принять внимание наличие ресурсов для столь значительного производства энергии и потребности будущего общества в потреблении энергии. Легко понять, что такие традиционные источники энергии, как уголь, нефть и газ не могут обеспечить увеличу ния роста производства энергии на несколько порядков по сравнению с современным уровнем—в таком случае они будут быстро исчерпаны. Наряду с этим, специалисты в области атомной энергетики считают весьма вероятным создание в ближайшие десятилетия энергетически/ установок, использующих ядерные реакции, которые смогут обеспечить многократное увеличение производства энергии.

Вопрос об энергетических потребностях общества будущего можно более или менее уверенно обсуждать только в отношении минимальных размеров этих потребностей. По-видимому, они не могут быть меньше того уровня потребления на единицу земной поверхности, который уже сейчас достигнут в наиболее развитых странах. Как отмечалось, этот уровень соответствует дополнительному приходу тепла порядка 1—2 ккал/см2 год, т. е. около 1 % от солнечной радиации, поглощаемой Землей. При современных темпах роста производства энергии такой приход тепла будет достигнут приблизительно через 100 лет, а при крупных достижениях в развитии атомной энергетики, возможно, и скорее.

Если бы полярные льды были устойчивы, влияние такого дополнительного притока тепла на климат было бы ограничено повышением средней температуры воздуха у земной поверхности на 1—2°. Но, как показывают исследования, выполненные в последние годы, из-за неустойчивости полярных ледяных покровов, дополнительный приток тепла может привести к гораздо более значительным изменениям климатических условий.

Для выяснения этого вопроса большое значение имеют полученные в результате наблюдений на метеорологических спутниках данные об отражательной способности системы Земля — Атмосфера. Эти данные показали, что альбедо в областях с ледяным и снежным покровом в среднем примерно вдвое больше альбедо для районов без снежного покрова. Таким образом, ледяной покров резко уменьшает поглощение солнечной радиации и в результате этого снижает температуру воздуха в том районе, где он находится. Следовательно, ледяной покров является не только следствием холодных климатических условий, но и в некоторой мере причиной этих условий. В связи с этим увеличение площади льдов может способствовать охлаждению климата, что в свою очередь будет влиять на дальнейшее развитие ледяного покрова. Иначе говоря, полярные ледяные покровы могут быть неустойчивыми.

Для количественной оценки этого эффекта необходимо применение численных моделей теории климата.

В нашей работе, упомянутой выше, такая оценка была дана при использовании схематизированной модели, включающей учет влияния ледяного покрова на термический режим. Применение такой модели показало, что существующий термический режим атмосферы из-за влияния полярных льдов на альбедо очень неустойчив. Сравнительно небольшие колебания притока тепла к земной поверхности, имеющие порядок 1 % от приходящей солнечной радиации, могут значительно изменять среднюю температуру Земли и приводить к перемещению полярных льдов на большие расстояния. Впоследствии аналогичный вывод был получен в работе американского климатолога Селлерса.

Используя предложенную нами модель термического режима атмосферы, можно рассчитать распределение среднеширотной температуры воздуха у земной поверхности при увеличении прихода тепловой энергии на 1% по сравнению с современными условиями (рис. 2). Эти расчеты показывают, что для таяния ледяных покровов, окружающих оба полюса, достаточно увеличение прихода тепловой энергии на 1%. Однако, если основная часть арктического ледяного покрова (морские льды) при потеплении может растаять в короткое время, то главная часть антарктического ледяного покрова, представляющая мощное наземное оледенение, будет разрушаться в течение многих лет. В связи с этим, наряду с распределением температуры для устойчивого безледного режима (кривая Т2) представляет интерес распределение температуры для промежуточных условий,

когда после таяния арктических льдов антарктические льды еще сохраняются (кривая Т1). Как видно из этого рисунка, современный термический режим (кривая То) занимает промежуточное место между двумя режимами, из которых первый характеризуется кривой Тg, а второй — кривыми Т1 и Т2. Первый из этих режимов может создаться в ходе естественной эволюции климата, второй возникнет в результате дальнейшего прогресса человеческого общества в сравнительно близком будущем.

Можно думать, что термический режим, который характеризуется кривой Т2 (так же как и близкий к нему режим, соответствующий кривой Т1), сходен с тем распределением температуры, которое наблюдалось в Северном полушарии в конце третичного времени. Переход ко второму климатическому режиму выразится в резком повышении температуры воздуха в Арктике, в особенности в зимнее время. Меньшее, но все же значительное потепление распространится на умеренные широты.

Следует иметь в виду, что при переходе от режима То к режиму T1 одновременно с общим потеплением произойдут и другие изменения климата, включая перераспределение количества выпадающих осадков в ряде районов, повышение уровня океанов и т. д.

Таким образом, произойдут изменения гидрометеорологического режима, которые частично будут полезны, а частично и вредны. Грандиозный характер возможных изменений климата требует их детального изучения и учета при планировании развития энергетики в ближайшем столетии.

17 мая 1971 года.

содержание

Отзывы о статье (0) / +добавить