книги из ГПНТБ / Будыко, М. И. Изменения климата

7.1. Перспективы изменений климата

231

Более существенное влияние на расчет времени, необходимого для полного таяния полярных льдов, могут оказать погрешности, связанные с неточностью формулы (3.1) для больших изменений площади льдов. Как отмечено выше, не исключена возможность, что полярные льды при их сравнительно малых площадях неус­ тойчивы и могут растаять без дополнительного увеличения темпе­ ратуры нижних слоев воздуха. При наличии такой возможности данные, представленные на рис. 34, должны преувеличивать дли­ тельность периода времени, необходимого для полного таяния льдов.

Как видно из этого рисунка, при принятых предположениях время, необходимое для полного таяния морских льдов в Арктике,

оказывается равным примерно 80 годам.								о	__2
Вероятность того, что эта							оценка	^
преувеличена, вытекает из расчета вели-								г
чины повышения средней глобальной тем­
пературы, соответствующей моменту пол­
ного таяния морских льдов. Эта величина
приблизительно равна 3,5° С,						т. е. близка
к приведенному выше значению, кото­
рое обеспечивает таяние полярных льдов
без учета		обратного			влияния		измене­
ния ледяного покрова на термический
режим.
Некоторые показатели изменений кли­
матических		условий,			связанных		с тая­		90 <р‘
нием полярных льдов, представлены на
рис. 35. На этом рисунке изображены								Рис. 35. Изменение средней
рассчитанные			по	формулам		полуэмпи-		широтной	температуры при
рической теории				термического			режима	таянии полярных льдов.
								/ — теплое полугодие, 2 —холод­
изменения		температуры в умеренных и						ное	полугодие.
высоких	широтах			северного		полушария		таяния полярных льдов.
к 2050	г.,	т.	е. к моменту			окончания

Из рисунка видно, что полное таяние полярных льдов приведет к громадным изменениям термического режима в высоких широтах.

Сопоставление данных рис. 35 с палеоклиматическими матери­ алами показывает, что термические условия в умеренных и высо­ ких широтах северного полушария при безледном режиме в Арк­ тике будут во многих отношениях сходны с условиями, которые наблюдались в конце третичного времени, миллионы лет тому назад. В связи с этим переход к новым термическим условиям можно представить как возвращение к климатическому режиму дочетвертичного времени. Заслуживает внимания громадная ско­ рость, с которой может произойти возвращение к прежним клима­ тическим условиям — она примерно в 105 раз больше скорости естественного процесса похолодания, который преобладал в по­ следнем геологическом периоде.

232 Глава 7. Климат будущего

Очевидно, что изменение климата при таянии морских поляр­ ных льдов не ограничится повышением температуры воздуха. Одним из возможных последствий таяния морских льдов может быть постепенное разрушение Гренландского и Антарктического ледников, что приведет к повышению уровня Мирового океана. Существенное практическое значение может иметь также измене­ ние условий влагооборота на континентах.

В третьей главе указано, что при таянии даже сравнительно небольшой части ледяного покрова Арктики в эпоху потепления 20—30-х годов на континентах умеренных широт северного полу­ шария заметно изменялся влагооборот. Изменения его приводили к возрастанию частоты засух в ряде районов, к изменению реч­ ного стока и уровней внутренних морей.

Многие аспекты изменения климата в первую половину XX в.

имели практическое значение.	В связи с этим следует думать,
что изменение климата, которое	может быть достигнуто к 1990—

2000 г., окажет большое влияние на различные стороны хозяй­

ственной деятельности в ряде стран.		Дальнейшее	усиление
изменений	климата, связанное с таянием	полярных льдов, при
отсутствии	специальных мероприятий по	подготовке	народного
хозяйства к этим изменениям, могло бы		приобрести	характер
стихийного бедствия.

Изложенные здесь соображения о климатических условиях бу­ дущего следует дополнить оценкой влияния на эти условия изме­ нений количества антропогенного аэрозоля.

Хотя, как отмечено выше, прогнозировать эти изменения за­ труднительно, можно, однако, думать, что значительный рост количества антропогенного аэрозоля в будущем мало вероятен, так как он приведет к крайне неблагоприятным для жизни насе­ ления условиям в районах, где существуют наиболее мощные источники этого аэрозоля,— городах и промышленных центрах. Поэтому вряд ли возможно, что в конце XX в. и особенно в XXI в. рост массы антропогенного аэрозоля компенсирует тенденцию к повышению температуры воздуха, обусловленную ростом про­ изводства энергии и увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере.

Учитывая влияние современного количества антропогенного аэрозоля на среднюю температуру воздуха у земной поверхности и принимая во внимание данные рис. 33, можно оценить массу антропогенного аэрозоля, которая обеспечит компенсацию роста температуры воздуха в XXI в. Считая, что в середине следующего столетия рост температуры воздуха может достигнуть нескольких градусов и что современный антропогенный аэрозоль снижает эту температуру на несколько десятых градуса, найдем, что для пред­ отвращения роста температуры воздуха требуется увеличение массы антропогенного аэрозоля в тропосфере примерно на поря­ док. Это явно несовместимо с сохранением минимальных гигиени­

7.1. Перспективы изменений климата

233

ческих требований по поддержанию чистоты воздуха в населенных пунктах.

Если допустить, что в результате успехов борьбы против за­ грязнения атмосферы, количество антропогенного аэрозоля в бли­ жайшие десятилетия снизится, то это приведет к ускорению опи­ санного выше процесса отступления морских полярных льдов и связанных с ним изменений климата.

Отметим, что наряду с антропогенными изменениями	теплового
и водного балансов существует возможность изменения	под влия­
нием хозяйственной деятельности человека количества	кислорода

в атмосфере,	который	расходуется на	сжигание	различных
видов топлива	и другие	производственные	процессы	(Давитая,

1971, и др.).

Выполненные расчеты показывают, что до достижения замет­ ного уменьшения количества кислорода произойдут громадные из­ менения климата в результате роста концентрации углекислого газа и увеличения производства энергии, составляющей дополни­ тельный источник тепла для атмосферы. Таким образом, проблема сохранения атмосферного кислорода может возникнуть только на более поздних этапах экологического кризиса, создаваемого деятельностью человека.

При обсуждении изложенных здесь материалов, характеризую­ щих возможные изменения климата в следующем столетии, необ­ ходимо учесть, что они во многих отношениях являются услов­ ными.

Прежде всего следует повторить высказанное выше соображе­ ние о том, что использованная в этих расчетах экстраполяция существующих темпов роста производства энергии и концентрации углекислоты в атмосфере является возможной, но не обязатель­ ной гипотезой в отношении хозяйственной деятельности буду­ щего.

Более того, можно думать, что если дальнейшие исследования подтвердят вывод о возможности резких изменений климата в те­ чение ближайшего столетия, то будут приняты меры, которые ограничат влияние промышленного развития на климатические условия. Этот вопрос рассматривается в следующих разделах дан­ ной главы.

Следует затем подчеркнуть, что приведенные здесь данные о возможных климатических условиях будущего получены в ре­ зультате очень приближенных расчетов. Эти расчеты основаны на сильно схематизированных моделях термического режима ат­ мосферы, применение которых при анализе климатических усло­ вий будущего связано с использованием многих приближенных до­ пущений.

По этой причине данные, представленные на рис. 33, 34 и 35, характеризуются значительными погрешностями. Хотя оценить величины этих погрешностей довольно трудно, можно высказать

234 Глава 7. Климат будущего

некоторые соображения о точности приведенных здесь результа­ тов расчетов будущих изменений климата.

Достоверность полученных результатов. В связи с большим практическим значением возможных изменений глобального кли­ мата вопрос о достоверности имеющихся оценок этих изменений заслуживает большого внимания. При рассмотрении этого вопроса можно использовать два различных подхода.

Первый из них основан на анализе физического обоснования численных моделей, используемых для расчетов изменений кли­ мата в прошлом и будущем, и сопоставления результатов таких расчетов, выполненных при помощи несовпадающих численных моделей. Второй подход заключается в проверке применяемых численных моделей по эмпирическим данным об изменениях кли­ мата в прошлом.

Использованная в этой книге полуэмпирическая модель терми­ ческого режима атмосферы включает учет всех составляющих теп­ лового баланса, влияющих на горизонтальное распределение тем­ пературы. Эта модель учитывает важнейшие обратные связи между температурой воздуха и другими метеорологическими фак­ торами, включая зависимость температуры воздуха от его абсо­ лютной влажности (обусловленную влиянием абсолютной влаж­ ности воздуха на уходящее излучение, которое учтено в формуле (2.5)) и зависимость температуры воздуха от положения поляр­ ных льдов. Обе эти обратные связи усиливают влияние изменений климатообразующих факторов на термический режим, что умень­ шает устойчивость климата.

Из различных упрощений, принятых при обосновании рассмат­ риваемой модели, следует выделить сильную схематизацию про­ цесса меридионального перераспределения тепла в атмосфере и гидросфере и отсутствие учета влияния возможных изменений облачности на термический режим атмосферы.

Как отмечено выше, эмпирическая связь, использованная для параметрического описания меридионального перераспределения тепла, удовлетворительно выполняется в широком интервале из­ менения распределения средних широтных температур воздуха, достигаемых в годовом ходе. В связи с этим можно думать, что применение данной связи не приводит к большим погрешностям при расчетах изменений термического режима, малых по сравне­ нию с его колебаниями в течение года. Менее ясен вопрос о воз­ можности использования этой зависимости при изучении крупных изменений термического режима, связанных, например, с разви­ тием планетарного оледенения.

Вопрос о влиянии изменений облачности на термический ре­

жим атмосферы	обсуждался	во многих исследованиях, причем
в ряде случаев	это влияние	преувеличивалось из-за отсутствия

должного учета уменьшения уходящего длинноволнового излуче­ ния при наличии облачности.

Т—данные наблюдений, таты расчета.

Г0— резуль­

Рис. 36. Распределение средних широтных температур воздуха.

т°с

7.1.	Перспективы изменений климата	235
Как видно из результатов	расчетов, приведенных во	второй

главе, для средних глобальных условий изменения облачности сравнительно мало влияют на температуру у земной поверхности, так как в этом случае уменьшение поглощенной радиации при росте облачности почти компенсируется уменьшением длинновол­ нового уходящего излучения. Из формул, приведенных в указан­ ной главе, следует, что влияние облачности на температуру воз­ духа у земной поверхности сильно зависит от величины солнечной радиации — при больших значениях прихода радиации на внеш­ нюю границу атмосферы рост облачности снижает температуру воздуха, при малом приходе радиа­ ции рост облачности повышает температуру.

В упомянутом выше исследова­ нии Шнейдера (Schneider, 1972)

установлено, что наряду с указан­ ным выше эффектом влияние облач­ ности на температуру воздуха зави­ сит от мощности облачного слоя, поскольку облака с высокой верхней границей сильнее снижают уходя­ щее излучение. Так как альбедо си­ стемы Земля—атмосфера возра­ стает при увеличении толщины слоя облаков, в определенных условиях уменьшение поглощенной радиации может компенсировать уменьшение уходящего излучения. Шнейдер от­ метил (Schneider, 1972, 1973), что обратная связь между полем тем­ пературы и облачностью может ока­ зывать влияние на устойчивость

климата, однако даже знак этой обратной связи в настоящее время неизвестен.

Существуют материалы, указывающие на сравнительно не­ большое влияние изменений облачности на распределение средних широтных температур воздуха. Этот вывод следует, в частности, из данных, представленных на рис. 36, где изображены результаты расчета распределения средней широтной температуры в север­ ном полушарии для средних годовых условий, выполненного при помощи изложенной во второй главе полуэмпирической модели (кривая Т). В этом расчете пренебрегается влиянием на темпера­ туру отклонений средних широтных величин облачности от ее среднего планетарного значения, равного 0,50.

Поскольку средние значения облачности на различных широ­ тах изменяются довольно сильно, достаточная близость ре­ зультатов этого расчета данным наблюдений (кривая То)

236 Глава 7. Климат будущего

свидетельствует об ограниченном влиянии изменений облачности на распределение средних широтных температур воздуха. Такое за­ ключение позволяет предполагать, что в расчетах изменений терми­ ческого режима в ряде случаев возможно пренебрежение учетом колебаний облачности.

Рассмотрим результаты применения различных моделей тео­ рии климата для изучения его изменений.

Во второй главе было отмечено, что полуэмпирические модели термического режима атмосферы, разработанные различными ав­ торами, дают в значительной мере сходные зависимости измене­ ний среднеширотных температур воздуха от внешних климатооб­ разующих факторов. В ряде случаев эти зависимости хорошо согласуются и качественно и количественно, в других случаях между ними существуют количественные различия, объясняемые особенностями параметризации отдельных атмосферных процес­ сов в соответствующих моделях.

Значительный интерес представляет сопоставление результатов использования полуэмпирических моделей и более общих моделей теории климата, непосредственно учитывающих циркуляционные процессы в атмосфере.

В предыдущих главах было проведено сравнение материалов расчетов изменений термического режима атмосферы по полуэмпирической модели и по трехмерной модели Манабе, в зависимо­ сти от колебаний солнечной постоянной и от содержания углекис­ лого газа в атмосфере. Это сравнение показало, что результаты указанных расчетов удовлетворительно согласуются друг с другом.

Рассмотрим еще один случай сопоставления данных расчетов изменений термического режима при применении более общих

иполуэмпирических моделей теории климата.

Вработе Вашингтона (Washington, 1971) при применении трехмерной модели теории климата было рассчитано изменение поля температуры воздуха в тропосфере в результате дополнитель­ ного притока тепла, созданного хозяйственной деятельностью че­ ловека. Этот приток тепла, равный 50 кал/(см2 • день), был равно­ мерно распределен по поверхности континентов.

Вашингтон нашел, что в таком случае средняя температура воздуха возрастает от 1—2° в тропиках до 8—10° в высоких ши­ ротах северного полушария.

Расчет по изложенной во второй главе полуэмпирической мо­ дели термического режима атмосферы дает для этих условий уве­ личение средней глобальной температуры на 3°, что хорошо согласуется с оценками Вашингтона (отметим, что в обоих слу­ чаях зависимость альбедо системы Земля—атмосфера от измене­ ний температуры не принималась во внимание).

В следующем исследовании (Washington, 1972) Вашингтон рассчитал изменения температуры при дополнительном притоке тепла, в шесть раз меньшем по сравнению с первым расчетом,

7.1. Перспективы изменений климата

237

причем этот приток был распределен в пространстве пропорцио­ нально плотности населения. Для этих условий изменение средней глобальной температуры оказалось малым по сравнению с ее есте­ ственными флюктуациями за периоды в несколько десятков дней (эти флюктуации, по расчетам Вашингтона, при использовании той же модели теории климата составляли несколько градусов).

Оставляя в стороне вопрос о реальности таких естественных флюктуаций средней глобальной температуры, отметим, что дан­ ный вывод Вашингтона согласуется с результатами расчета по полуэмпирической модели, которая для рассматриваемого случая дает изменение средней глобальной температуры равным 0,5°, т. е. величине, значительно меньшей значений естественных флюктуа­ ций, характеризующих модель, использованную Вашингтоном.

При обсуждении результатов расчетов изменений климата, вы­ полненных при применении различных моделей, следует подчерк­ нуть необходимость сопоставлять эти результаты при одинаковых постановках задачи в соответствующих исследованиях.

В некоторых обзорах значительные различия в расчетах изме­ нений климата считались следствием особенностей примененных моделей, тогда как эти различия в основном объяснялись несовпа­ дением исходных параметров расчетов в рассматриваемых иссле­ дованиях.

Принимая во внимание это соображение, можно заключить, что различные модели теории климата в большинстве случаев дают сходные результаты при оценке колебаний климата для од­ них и тех же изменений климатообразующих факторов.

Некоторые различия в таких оценках, существующие, напри­ мер, в расчетах влияния концентрации углекислого газа на темпе­ ратуру воздуха, по-видимому, часто объясняются не детальностью примененных моделей теории климата, а особенностями парамет­ ризации отдельных атмосферных процессов, которые во всех тео­ риях климата учитываются только параметрически. Другая при­ чина возможных расхождений в оценках изменений климата — различия задаваемых в расчетах значений таких физических величин, как, например, альбедо системы Земля—атмосфера при наличии и отсутствии снежного покрова. Сравнительно небольшие изменения этих величин в некоторых случаях приводят к замет­ ным различиям в оценках изменений термического режима.

Переходя к вопросу о проверке примененной в этой книге мо­ дели термического режима атмосферы по данным об изменениях климата в прошлом, отметим, что результаты такой проверки, из­ ложенные в третьей и четвертой главах книги, свидетельствуют о достаточной точности указанной модели для изучения изменений термического режима.

Эти результаты указывают также, что, по-видимому, не сущест­ вует каких-либо не учтенных в этой модели факторов, которые, как это иногда думают, обеспечивают стабильность современного

•238 Глава 7. Климат будущего

климата. Легко понять, что если бы такие факторы оказывали зна­ чительное влияние на термический режим атмосферы, расчеты -современных изменений климата при помощи модели, не включаю­ щей учета этих факторов, дали бы существенно преувеличенные значения колебаний элементов метеорологического режима. Между тем, как показывают эмпирические данные, результаты расчетов колебаний температуры в XX в. оказываются близкими к материалам, полученным из наблюдений.

Аналогичный вывод можно сделать также в отношении значи­ тельных изменений климата, которые имели место в четвертичное время.

Обращаясь к обсуждению достоверности приведенных выше

•оценок климатических условий будущего, следует принять во вни­ мание особый характер закономерностей изменений климата в ус­ ловиях быстро усиливающегося влияния хозяйственной деятель­ ности человека на климат.

Так, в частности, из рис. 34 следует, что после начала таяния полярных льдов скорость сокращения их размеров будет быстро возрастать. Такая закономерность позволяет получить сравни­ тельно точную оценку времени, необходимого для полного таяния

.льдов, даже при очень больших погрешностях в расчете кривой, представленной на рис. 34. Изменение ординат этой кривой в два раза в сторону их увеличения или уменьшения изменит период времени, необходимый для полного таяния льдов, на величину по­ рядка 10%, что несущественно с практической точки зрения. Иначе говоря, в связи с быстрым изменением климатических усло­ вий при приближении «теплового барьера» трудно допустить боль­ шую ошибку в расчете времени таяния полярных льдов даже при применении очень схематических климатических моделей.

Также мало влияют на результаты расчета различные гипотезы об изменении концентрации углекислоты в атмосфере в XXI в. (предположение о том, что после 2000 г. концентрация углекис­ лоты останется постоянной, увеличивает время таяния льдов на

•сравнительно небольшую величину).

Считая, что приведенные здесь результаты дают общее пред­ ставление о возможных климатических условиях будущего, сле­ дует признать необходимым получение новых независимых данных по этому вопросу, которые можно было бы сопоставить с приве­ денными здесь результатами.

Потребность в таких данных прежде всего определяется очень большим практическим значением проблемы изменения климата в будущем — сведения о климате будущего могут изменить перс­

пективы развития важнейших отраслей народного хозяйства мно­ гих стран.

Наряду с этим представленные здесь результаты дают только

•общее и весьма схематичное представление о возможных измене­ ниях климата. Очевидно, что эти результаты должны быть допол-

7.2. Возможный экологический кризис

239

йены гораздо более детальными разработками, включающими, в частности, оценки изменений условий влагооборота на различ­ ных территориях.

Единственный путь получения таких детальных данных — при­ менение более общих моделей теории климата, которые успешно разрабатываются в исследованиях Смагоринского, Манабе и их сотрудников (Smagorinsky, Manabe, Holloway, 1965; Holloway and Manabe, 1971, и др.), Минца (Minz, 1965 и др.), М. Е. Швеца

(Швец и др., 1970) и других.

Нам представляется, что несмотря на необходимость преодоле­ ния больших трудностей для широкого применения моделей общей теории климата в изучении его изменений, эта задача будет ре­ шена в сравнительно близком будущем.

7.2. ВОЗМОЖНЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС

Экологические кризисы прошлого. Основной чертой доголоценовой биосферы был ее сбалансированный характер. Это делало возможным длительное существование видов живых организмов, достигавшее для ряда видов многих миллионов лет (Шварц, 1969,

и др.).

Рассмотренные в пятой главе случаи глобальных нарушений сбалансированной экологии биосферы в критические эпохи геоло­ гической истории были сравнительно редкими — они происходили через интервалы времени, сравнимые с длительностью геологиче­ ских периодов. Значительно чаще имели место локальные нару­ шения сбалансированной экологии, связанные с нарушением изо­ ляции экологических систем различного масштаба. В пятой главе упомянут пример такого нарушения, произошедшего в конце плио­ цена, когда после соединения Северной Америки и Южной Аме­ рики Панамским перешейком произошел обмен многими предста­ вителями фаун этих континентов.

Хотя изменения условий внешней среды оказывали заметное влияние на эволюцию живых организмов, крупные нарушения сба­ лансированной экологии биосферы до появления человека были сравнительно редкими, что объяснялось высокой устойчивостью доголоценовых экологических систем, достигнутой в результате

взаимного приспособления организмов, входящих в	эти си­
стемы.	оказывает
Известно, что современная деятельность человека

большое влияние на многие природные процессы, формирующие географическую среду, причем это влияние проявляется почти во всех районах земного шара.

Особенно сильно изменены флора и фауна нашей планеты. Многие виды животных полностью уничтожены человеком, а еще

240 Глава 7. Климат будущего

большее количество видов существует при резко пониженной чис­ ленности их популяций и находится под угрозой исчезновения.

Характерно, что в число этих видов входят не только		почти все
крупные животные суши, но и многие	виды морских	животных,
в том числе морские млекопитающие,	которые особенно сильно

пострадали в результате преследования их человеком. Растительный покров суши на большей части поверхности кон­

тинентов претерпел громадные изменения. На обширных прост­ ранствах дикая растительность уничтожена и заменена сельскохо­ зяйственными полями, сохранившиеся до настоящего времени леса в значительной части являются вторичными, т. е. сильно из­ мененными по сравнению с естественным растительным покровом в результате воздействия человека. Большие изменения произошли также в растительном покрове многих районов степей и саванн из-за интенсивного выпаса домашнего скота.

Воздействие человека на естественный растительный покров оказало заметное влияние на процесс почвообразования в соответ­ ствующих районах и привело к изменению физических и химиче­ ских свойств почв. Еще больше изменились почвы на сельскохо­ зяйственных полях в результате их систематической обработки, применения удобрений и изъятия значительной части биомассы произрастающих растений.

Быстро возрастает влияние деятельности человека на гидроло­ гический режим суши. Сток не только малых, но и многих круп­ ных рек существенно изменен в результате его регулирования пу­ тем создания гидротехнических сооружений, значительная часть воды речного стока изымается для обеспечения нужд промышлен­ ности и городского населения и для орошения сельскохозяйствен­ ных полей. Создание крупных водохранилищ, площадь которых во многих случаях сравнима с площадью больших естественных озер, резко изменяет режим испарения и стока на обширных терри­ ториях.

Все возрастающие масштабы приобретает загрязнение челове­ ком окружающей среды, которое распространяется на воды кон­ тинентов, океаны и атмосферу.

До недавнего времени преобладала точка зрения, что воздейст­ вие человека на окружающую природу начало проявляться в боль­ ших масштабах в основном в последние десятилетия, когда резко усилилось техническое развитие и начала быстро возрастать чис­ ленность населения на нашей планете.

Исследования последних лет показали, что уже тысячи лет назад стихийная деятельность человека приводила к крупным изменениям природной среды, которые в некоторых случаях

ставили под угрозу дальнейшее существование человеческого общества.

Первый случай такого рода, по-видимому, связан с развитием культуры верхнего палеолита в Европе, Азии и Америке.