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

70	Глава 2. Генезис климата
Зависимость <р	от AQ sp IQ sp изображена в виде системы жир­

ных линий, которые показывают, что эта связь имеет неоднознач­ ный характер и что она существенно различается для случаев увеличения и уменьшения притока тепла к внешней границе ат­ мосферы.

Рассмотрим сначала случай увеличения притока тепла от на­ чального малого значения. При малых притоках тепла имеет место

т°с

Рис. 7. Распределение средних широтных температур воздуха.

а — первое полугодие, б — второе полугодие; 1 — данные наблюдений; 2 — резуль­ таты расчетов.

полное оледенение Земли (<р = 0°), которое сохраняется при уве­ личении притока тепла до его современного значения (точка 1) и до величины, превышающих указанное значение на несколько десятков процентов (точка А). Режим оледенения, соответствую­ щий точке А, неустойчив и при малом увеличении притока тепла переходит в режим полного отсутствия оледенения (точка А'). Дальнейшее увеличение притока тепла соответствует сохранению безледного режима.

При уменьшении притока тепла от начального значения, суще­ ственно превосходящего солнечную постоянную, сначала отмечаются

2.2. Полуэмпирическая теория климата

71

условия безледного режима (<р = 90°). При достижении точки Е, близкой к современному значению притока тепла, возникает по­ лярное оледенение, которое быстро возрастает при уменьшении притока тепла. После достижения точки 3, соответствующей совре­ менному климатическому режиму, при уменьшении притока тепла на величину около 2% наблюдаемого сейчас значения ледяной покров достигает 50° с. ш. (точка В). Режим оледенения, соот­ ветствующий этой точке, неустойчив и при малом уменьшении притока тепла переходит к режиму полного оледенения (точка В'), который сохраняется при дальнейшем снижении при­ тока тепла.

Рис. 8. Зависимость средней широты границы поляр­ ного ледяного покрова в северном полушарии от при­ тока радиации к внешней границе атмосферы.

Используя упомянутую выше модель, можно получить также зависимость между величинами ф и AQ sp /Q sp , изображенную пунк­ тирной линией АВ. Так как для этой кривой характерно увеличе­ ние значений ф при уменьшении ДQ sp /Q sp (или уменьшение ф при увеличении AQ s p /Q s p ), то можно думать, что она соответствует не­ устойчивым режимам оледенения, которые переходят к режимам полного оледенения или полного отсутствия оледенения при малых колебаниях притока тепла. В связи с этим точка на кривой АВ, соответствующая современному значению притока тепла (точка 2), характеризует неустойчивый режим, который не может существо­

вать длительное время.

Таким образом, зависимость полярных оледенений от притока тепла имеет вид гистерезисной петли, отрезки которой АА и ВВ', соответствующие переходу от одного решения использованных уравнений к другому, обозначены на рис. 8 стрелками. Другие от­ резки гистерезисной петли, соответствующие устойчивым режимам, могут характеризовать зависимость ф от AQspIQsp как при увели­ чении, так и при уменьшении притоков тепла.

72	Глава 2. Генезис климата

Для изучения зависимости, представленной на рис. 8, можно использовать также модель термического режима различных сезо­ нов. Применение этой модели дает результаты, несколько отли­ чающиеся в количественном отношении от схемы, изображенной на рис. 8, но полностью совпадающие в отношении основных каче­ ственных закономерностей рассматриваемой зависимости. Такой результат является естественным, поскольку эти закономерности можно установить на основании общих соображений, которые не­ обходимо принимать во внимание при построении самых различ­ ных моделей термического режима.

Как указано выше, при имеющейся в настоящее время величине притока тепла к внешней границе атмосферы возможно устойчивое существование полного оледенения планеты с очень низкими тем­ пературами на всех широтах («белой Земли»). Устойчивость та­ кого режима объясняется очень большим альбедо поверхности, покрытой снегом и льдом. В таком случае климатические условия, характерные сейчас для Антарктиды, могут существовать на всей поверхности Земли.

Вывод о возможности устойчивого существования «белой Земли», по-видимому, может быть получен из любой реалистиче­ ской теории климата.

Средняя температура воздуха у поверхности «белой Земли» может изменяться в широких пределах в зависимости.от альбедо системы Земля—атмосфера для планеты, покрытой снегом и льдом. Так как соответствующую величину альбедо можно оценить только приближенно, имеющиеся оценки средней температуры для «белой Земли» существенно различаются. Однако они во всех случаях оказываются значительно ниже точки замерзания воды, что сви­ детельствует о большой устойчивости термического режима в та­ ких условиях.

Следовательно, для существующего прихода солнечной радиа­ ции возможен режим полного оледенения Земли, обозначенный на рис. 8 точкой 1. Такой режим возможен также при приходе радиа­ ции, меньшем современного (что изображено на рисунке линией, уходящей по горизонтальной оси координат влево от точки 1), и при увеличении прихода радиации до значения больше совре-, менного, вплоть до величины, которая соответствует достижению в наиболее теплых районах земной поверхности температуры тая­ ния льда. После достижения этой температуры часть земной поверхности может освободиться от ледяного покрова, что приве­ дет к уменьшению альбедо и увеличению поглощенной радиа­ ции. Точка, соответствующая границе режима полного оледенения при увеличении солнечной радиации, изображена на рис. 8 буквой А.

Естественно предположить, что между условиями, изображен­ ными точками А и 3, существуют режимы частичного оледенения Земли, которые могут быть изображены на рассматриваемом гра­

2.2. Полуэмпирическая теория климата

73

фике в виде линии, соединяющей эти точки. Форму такой линии можно установить следующим образом.

Данные наблюдений, а также общие физические соображения показывают, что в современных климатических условиях при уве­ личении притока тепла к земной поверхности средняя темпера­ тура воздуха у земной поверхности возрастает и полярные льды отступают. При уменьшении притока тепла наблюдается уменьше­ ние средней температуры и наступание льдов.

Всоответствии с этой закономерностью линия, идущая от точки

Ак точке 3, должна приближаться к этой точке слева, что воз­ можно, если указанная линия пересекает вертикальную ось по крайней мере еще в одной точке (точка 2).

Таким образом, мы получаем вывод о возможности существо­ вания в современных условиях третьего климатического режима, который является вторым вариантом частичного оледенения Земли, с большей площадью ледяного покрова по сравнению с наблюдае­ мым сейчас климатическим режимом.

После пересечения вертикальной оси в точке 3 линия, характе­ ризующая режимы частичного оледенения, должна при некотором значении прихода радиации, превышающем его современную вели­ чину, достигнуть горизонтальной линии, соответствующей безледному режиму (точка Е) . От точки Е линия, соответствующая даль­ нейшему увеличению радиации, превращается в горизонтальную прямую, уходящую вправо.

В ряде упомянутых выше работ были выполнены расчеты, по­ казавшие, что при современном приходе радиации в Арктике воз­ можен безледный режим. Если принять этот вывод, то на рассмат­ риваемом графике следует представить указанный режим в виде точки на оси ординат графика при <р = 90°, причем в этом случае линия, характеризующая режимы частичных оледенений, должна достигать горизонтальной линии, соответствующей безледному ре­ жиму, не справа от этой точки, а слева. Такое положение точки соединения указанных линий объясняется тем, что если безледный режим возможен при существующем приходе радиации, то он также возможен и при уменьшении радиации на очень малую ве­ личину.

Таким образом, в рассматриваемом случае линия, характери­ зующая возможные режимы оледенения, проходит через указан­ ную точку как горизонтальная прямая, что требует пересечения этой линией вертикальной оси по крайней мере еще в одной точке. Следовательно, в условиях возможности существования безледной Арктики при современном уровне прихода солнечной радиации должен существовать еще один режим частичного оледенения с меньшей площадью льдов по сравнению с современными кли­ матическими условиями.

В дополнение к зависимости, представленной на рис. 8, приве­ дем на рис. 9 рассчитанную по той же модели зависимость

74 Глава 2. Генезис климата

средней планетарной температуры воздуха, от притока тепла. Все обозначения при этом рисунке совпадают с обозначениями, приня­

тыми на рис. 8.

Как видно из рис. 9, зависимость средней планетарной темпе­ ратуры от притока, тепла во многом аналогична соответствующей зависимости для границы полярных оледенений и также имеет характер гистерезисной петли.

Результаты расчетов, представленные на рис. 8 и 9, сущест­ венно зависят от величин разностей альбедо для системы Земля—

атмосфера при наличии и отсутствии снежного и ледяного покро^ вов. Как указано выше, значения альбедо, использованные в этих расчетах, определены по данным спутниковых наблюдений.

В связи с этим следует отметить, что новая обработка мате­ риалов этих наблюдений (Raschke е. а., 1973) дала несколько меньшие значения альбедо для полярных областей по сравнению с более ранними работами, данные которых использованы в ука­ занных расчетах. Применение в расчетах этих значений приводит к некоторым количественным изменениям зависимостей, представ­ ленных на рис. 8 и 9, но не влияет на их основные закономерности.

Заключение о неоднозначности современного климата получено в результате применения модели термического режима, описываю­

2.2. Полуэмпирическая теория климата

75

щей стационарное состояние системы атмосфера-—океан—ледяной покров. Такое состояние может соответствовать условиям постоян­ ного или медленно меняющегося климата.

При сравнительно быстрых изменениях климата предположе­ ние о стационарности упомянутой выше системы может оказаться неточным. Принимая во внимание большую устойчивость континен­ тальных ледяных покровов по сравнению с другими звеньями рас­ сматриваемой системы, можно прийти к выводу о возможности су­ ществования гораздо большего числа вариантов климата в неста­ ционарных условиях по сравнению с несколькими решениями, которые соответствуют стационарным условиям.

Предположим, что в эпоху послеледникового потепления все еще сохранились крупные континентальные оледенения, граница которых не соответствует изменившимся климатическим условиям. В таком случае возникает новый тип термического режима, кото­ рый можно рассчитать при помощи численной модели для задан­ ного положения границы ледяного покрова. При изменении этой границы соответственно будет меняться и термический режим, в ре­ зультате чего возникает неограниченно большое число вариантов климата, соответствующих заданным значениям внешних климато­ образующих факторов.

Следует отметить, что несмотря на существование в современ­ ную эпоху таких крупных континентальных оледенений, как ан­ тарктическое, полярные льды нашего времени можно приближенно рассматривать как стационарные, поскольку их средняя граница в северном и южном полушариях соответствует одним и тем же значениям климатических факторов, которые причинным образом определяют положение этой границы.

Стационарность современной средней границы полярных льдов в обоих полушариях, по-видимому, объясняется тем, что основная часть этой границы относится к морским льдам, толщина которых

сравнительно невелика.

Реальные изменения температуры в течение основной части ис­ тории Земли были ограничены небольшими отрезками линий на рис. 8 и 9, характеризующих возможные термические режимы нашей планет, от значений, расположенных немного выше точки Е, до величины, лежащей несколько выше точки В.

Представляет интерес сопоставление этой части рассматривае­ мой линии на рис. 9 с штрихпунктирной прямой, проведенной че­ рез точку 3 и соответствующей изменениям средней планетарной температуры при отсутствии влияния полярных льдов на термиче­ ский режим. Такое сопоставление показывает, насколько полярные льды усиливают изменения температуры, обусловленные колеба­ ниями притока тепла.

Таким образом, современный климат, по-видимому, не является единственно возможным для существующих внешних климато­ образующих факторов, т. е. он не является транзитивным в смысле

76 Глава 2. Генезис климата

определения, данного Лоренцом. Возможно, что, кроме рассмотрен­ ного здесь механизма, имеются и другие формы интранзитивности климата, которые будут установлены в дальнейших исследованиях.

Для оценки устойчивости современного климата можно исполь­ зовать зависимости, представленные на рис. 8 и 9. Как видно из этих графиков, климатические режимы, соответствующие отрезкам кривых BE, характеризуются очень высокой чувствительностью к малым изменениям притока тепла. Из этого следует, что срав­ нительно небольшие изменения внешних климатообразующих фак­ торов могут существенно изменить современный климат.

Такое заключение, с нашей точки зрения, имеет большое зна­ чение для понимания закономерностей изменений климата.

Результаты других исследований. После опубликования первой работы, посвященной вопросу об устойчивости современного кли­ мата (Будыко, 1968), этот вопрос рассматривался еще в не­ скольких исследованиях, на результатах которых следует остано­ виться.

Первое из этих исследований, выполненное независимо от упо­ мянутой выше работы, принадлежит Селлерсу (Sellers, 1969), ко­ торый построил основанную на уравнении энергетического баланса системы Земля—атмосфера полуэмпирическую модель термиче­ ского режима атмосферы, включающую учет обратной связи между термическим режимом и полярными льдами. Используя эту модель, Селлерс нашел зависимость средних широтных температур у зем­ ной поверхности от солнечной постоянной, альбедо системы Земля—атмосфера и других факторов, влияющих на климатиче­ ские условия. Затем он использовал эти зависимости для оценки влияния на климат изменений полярных льдов и изменений сол­ нечной радиации.

Из материалов работ Селлерса следует, что если при таянии полярных льдов альбедо системы Земля—атмосфера в Централь­ ной Арктике уменьшится от 0,62 до 0,32, то средняя годовая тем­ пература воздуха у земной поверхности повысится в этом районе на 13°, а в низких широтах — на 2°. Рассчитывая величину умень­ шения солнечной постоянной, достаточного для полного оледенения Земли при учете зависимости альбедо от температуры, основанной на данных наблюдений, Селлерс получил значение, равное 2% (при более слабой зависимости альбедо от температуры это значе­ ние возрастало до 5%, однако Селлерс считал такую зависимость не согласующейся с данными наблюдений).

Заслуживает внимания очень близкое согласование этих ре­ зультатов Селлерса с аналогичными результатами упомянутой выше работы (Будыко, 1968), где было найдено, что существующий ледяной покров снижает среднюю годовую температуру в Цен­ тральной Арктике на 14°, а в низких широтах — на 2°.

Величина уменьшения радиации достаточная для полного оле­ денения Земли, в указанной работе была найдена равной 1,6%■

2.2. Полуэмпирическая теория климата

77

Отмеченное в печати (Budyko, 1970; Sellers, 1970) совпадение ос­ новных результатов этих работ представляет определенный инте­ рес, так как, хотя основная идея моделей климата в указанных исследованиях была одинакова, использованные в них расчетные схемы были основаны на многих несовйадающих предположениях (так, в частности, Селлерс, в отличие от нашей модели, считал меридиональный поток тепла пропорциональным градиенту тем­ пературы в атмосфере и т. д.).

В следующей работе Селлерса (Sellers, 1973) была построена более детальная модель термического режима атмосферы для раз­ личных сезонов, главные результаты которой оказались близкими к выводам его предыдущего исследования.

Наряду с согласованием основных выводов, полученных из на­ званных выше полуэмпирических моделей термического режима, не­ которые результаты применения этих моделей различаются. Так, например, в работах Селлерса термический режим и положение ледяных покровов оказались сравнительно мало меняющимися при возрастании солнечной постоянной сверх ее современного зна­ чения и при увеличении концентрации углекислого газа. Как пра­ вильно указал Селлерс, эти свойства его моделей в основном за­ висят от особенности принятой им параметризации соответствую­ щих процессов.

Другая полуэмпирическая модель термического режима атмо­ сферы, включающая учет обратной связи между термическим ре­ жимом и полярными льдами, была построена Фегром (Faegre, 1972) , который подтвердил основные заключения указанных выше работ и обратил внимание, что из предложенной им модели сле­ дует вывод о неоднозначности современного климата. Фегр нашел пять различных решений уравнений, определяющих распределение средней широтной температуры у земной поверхности, из которой он выделил три, имеющих физический смысл: 1) соответствующее современным климатическим условиям, 2) соответствующее «белой Земле», 3) промежуточное между первыми двумя. Было отмечено (Budyko, 1972), что эти результаты совпали с выводами, которые следовали из разработанной нами модели.

В работе Берже (Berger, 1973) было показано, что из модели Селлерса также следует вывод о возможности существования в со­ временную эпоху трех климатических режимов, из которых первый соответствует наблюдаемым сейчас климатическим условиям, вто­ рой— более холодному климату, с температурами ниже современ­ ных на 10—15°, третий — очень низким отрицательным температу­ рам на всех широтах («белая Земля»).

Исследование Шнайдера и Гал-Чена (Schneider, Gal-Chen, 1973) посвящено изучению устойчивости климата при помощи полуэмпирических моделей термического режима, которые были до­ полнены учетом нестационарности изучаемых процессов. Для этой цели в уравнение теплового баланса системы Земля—атмосфера

78 Глава 2. Генезис климата

был включен дополнительный член, характеризующий нестационарность термического режима, в форме

* 4 r = 2 M t,		(2.30)
где dT/dt — изменение средней	температуры	земной поверхности
во времени; т — коэффициент,	характеризующий тепловую инер­

цию системы Земля—атмосфера; ^ M i — алгебраическая сумма членов теплового баланса системы Земля—атмосфера.

В этой работе был подтвержден вывод о высокой чувствитель­ ности термического режима атмосферы к малым изменениям сол­ нечной постоянной и наряду с этим показано, что при неизмен­ ности прихода солнечной энергии термический режим возвращается к исходному состоянию даже после очень больших понижений сред­ ней глобальной температуры, достигающих —18°. Только при бо­ лее значительном снижении средней температуры оказывается возможным полное оледенение земного шара. Таким образом, тер­ мический режим системы Земля—атмосфера обладает большой устойчивостью по отношению к колебаниям средней глобальной температуры, не связанным с длительными изменениями притоков тепла.

Анализ полуэмпирических моделей термического режима атмо­ сферы, включающих учет нестационарности этого режима, содер­ жится в работе Хелда и Суареца (Held, Suarez, 1974). В этой работе эмпирические параметры изложенной выше полуэмпирической модели были определены при использовании данных спут­ никовых наблюдений за уходящим длинноволновым излучением, причем полученные результаты оказались близкими к значениям, найденным в нашем исследовании. Хелд и Суарец подтвердили приведенное выше заключение о том, что обратная связь между термическим режимом и площадью полярных льдов значительно усиливает чувствительность колебаний границы ледяного покрова

кизменениям солнечной постоянной и других климатообразующих факторов. Они подтвердили также существование «критических ши­ рот», после достижения которых полярные льды распространяются

кэкватору при постоянных внешних климатообразующих фак­

торах.

В работе Хелда и Суареца рассмотрено влияние на устойчи­ вость климата включения в использованное в нашей модели урав­ нение теплового баланса системы Земля—атмосфера небольшого дополнительного члена, характеризующего горизонтальное пере­ распределение тепла под влиянием макротурбулентных процессов. Учет этого члена позволил получить непрерывное распределение средней широтной температуры воздуха при концентрическом рас­ положении полярных льдов по отношению к полюсам.

Развитие полуэмпирической теории термического режима ат­ мосферы содержится в работе Л. С. Гандина, Б. М. Ильина и

2.2. Полуэмпирическая теория климата

79

Л. В. Руховца (1973). В этом исследовании построена модель рас­ пределения средней по высоте температуры воздуха по двум коор­ динатам — по широте и долготе.

Используя уравнение теплового баланса системы Земля—атмо­ сфера, авторы указанного исследования учли перенос тепла в этой системе по горизонтали, считая, что он определяется микротурбулентным обменом. Коэффициент макротурбулентного обмена счи­ тался не зависящим от координат. Уходящее длинноволновое из­ лучение было определено в зависимости от температуры по приве­ денной выше эмпирической формуле. Влияние полярных льдов на термический режим атмосферы учитывалось методом, аналогичным использованному в нашей модели.

Принимая во внимание эмпирические данные об альбедо си­ стемы Земля—атмосфера, авторы рассчитали распределение сред­ ней годовой температуры воздуха над северным полушарием, кото­ рое оказалось близким к результатам наблюдений.

В дальнейшем были исследованы изменения распределения тем­ пературы воздуха и границы льдов при изменении солнечной по­ стоянной. Выяснилось, что при увеличении солнечной постоянной на несколько десятых процента полярные льды полностью тают, а при уменьшении этой постоянной на несколько десятых процента происходит полное оледенение Земли с резким снижением средней глобальной температуры («белая Земля»).

Авторы указанного исследования отметили, что столь высокая чувствительность результатов расчетов по отношению к малым из­ менениям солнечной постоянной отчасти зависит от выбора зна­ чений альбедо системы Земля—атмосфера при наличии и отсутст­ вии льдов. Уменьшение различий между этими значениями по­ зволяет получить критическую величину солнечной постоянной, соответствующей полному оледенению Земли, близкой к величи­ нам, найденным в ранее выполненных исследованиях, результаты которых изложены выше.

Поскольку в имеющихся эмпирических исследованиях значения альбедо системы Земля—атмосфера определяются с известной по­ грешностью, которая может заметно сказываться на результатах расчетов критических величин солнечной постоянной, обеспечиваю­ щих полное оледенение Земли или полное таяние полярных льдов, то очевидно, что все расчеты этих критических величин имеют при­ ближенный характер и в дальнейшем будут уточняться по мере по­ лучения более достоверных данных об альбедо и развития моделей термического режима атмосферы.

Заслуживает внимания, однако, согласование результатов рас­ четов по всем без исключения полуэмпирическим моделям терми­ ческого режима атмосферы, учитывающих обратную связь между полем температуры и полярными льдами. Из всех этих расчетов следует, что уменьшение солнечной постоянной на величину не бо­ лее нескольких процентов может привести к полному оледенению