Болятко Основы екологии и охраны окружаюсчей 2008

этой реакции из атмосферы изымается очень значительное количество углекислого газа.

При подъеме Аппалачских гор процесс изменения содержания углекислого газа произошел, в геологическом масштабе, очень быстро за 7 8 млн лет. Соответственно, очень быстро изменился и климат планеты. Поэтому ученые приходят к выводу, что только геологические события такого масштаба, как поднятие горных массивов, могут быть реальным и действенным фактором снижения уровня углекислого газа в атмосфере Земли.

Рис. 3.6. Концентрации СО2 и температуры в Антарктиде по данным, полученным на станции Восток

Параллели с современностью можно найти только в гораздо более далеком прошлом в конце палеозоя (см. табл. 1.3), когда концентрация углекислого газа возросла (но не столь быстро) в десять раз и достигла той величины, которая прогнозируется в отдельных сценариях к моменту времени, когда на Земле будет сожжено все ископаемое топливо.

91

Многие ученые считают, что только рост антропогенных парниковых газов вызвал глобальное потепление, начиная со второй половины XX в., так как маловероятно, что наблюдаемое глобальное потепление атмосферы и океана, уменьшение массы ледников в различных регионах земного шара вызвано только естественной изменчивостью климатической системы.

Глобальная температура продолжает увеличиваться (рис. 3.7), и за последние сто лет она выросла на 0,75 С. Средняя скорость потепления, рассчитанная за последние 50 лет, составила 0,13 0,03 С за 10 лет, что в 2,5 раза выше, чем для всего столетнего периода времени.

Это хорошо согласуется с расчетами по современным климатическим моделям, учитывающим рост парниковых газов и аэрозоля в атмосфере. Однако если подставить в те же модели постоянные значения концентрации парниковых газов и аэрозоля, соответствующие доиндустриальному периоду, то роста температуры не будет.

Рис. 3.7. Изменения глобальной приземной температуры воздуха, по отношению к норме с 1951 по 1970 г.: 1 данные наблюдений; 2

полученные по модели; 3 расчет для доиндустриального периода. В показанные полосы разброса попадают 68% модельных значений

92

Изменение климата на Земле регионально происходит неравномерно. Широко известны опасения об альтернативном изменении климата на Европейском континенте. Возможное похолодание в странах Западной Европы связывают с ожидаемым изменением направления океанического течения Гольфстрим.

Средняя температура воздуха в арктическом бассейне в то же время за последние несколько десятков лет увеличивалась в два раза быстрее, чем возрастала глобальная температура.

На территории России потепление климата за последние 35 лет оказалось тоже более резким по сравнению с глобальным. По сравнению с климатической нормой за 50 лет температура выросла на 1,5 C.

За 16 лет, начиная с 1990 г., средняя температура на Земле возросла на 0,33 C. Эта величина соответствует прогнозам модели, но находится у верхней границы коридора допустимых значений (см. рис. 3.3). Модель предполагает, что при увеличении содержания СО2 в атмосфере в два раза температура возрастет на 3 C, а крайние значения доверительных интервалов соответствуют возрастанию средней температуры на 1,7 C и 4,2 C при удвоении концентрации СО2 в атмосфере.

Используя в качестве эталонного параметра температурное изменение вследствие удвоения концентрации СО2, в атмосфере изменения равновесной поверхностной температуры в других

	случаях описываются следующим образом:
	T	Td	ln	K		,	(3.4)
		ln2		K0

где Т – изменение равновесной глобальной температуры воздуха у поверхности; Тd – изменение равновесной глобальной температуры воздуха у поверхности, рассчитываемое для удвоения содержания диоксида углерода в атмосфере; K – концентрация диоксида углерода в некоторый момент в будущем; K0 – начальная концентрация диоксида углерода.

За величину начальной концентрации диоксида углерода, как правило, принимают значение содержания СО2 в атмосфере до промышленной революции, т.е. 280 ед./млн.

93

Климат на Земле никогда не был неизменным во всех временных масштабах, начиная от десятилетий до миллиардов лет, он был подвержен колебаниям. Ранее эти циклы вызывались естественными причинами. Если посмотреть на кривую климата, то на протяжении последних 3 млрд лет шло неуклонное снижение температуры. Особенно четко можно говорить о периодах изменения климата, когда стали очевидны астрономические причины, из которых наиболее значительные определяются регулярными изменениями параметров земной орбиты (циклы Миланковича).

Форма земной орбиты не круглая, а эллиптическая и эксцентриситет эллипса колеблется с периодом около 100000 лет. Флуктуирует также угол наклона земной оси – сейчас он равен 66º33′ к плоскости орбиты. Изменения происходили с периодичностью в 41000 лет. Третьим глобальным параметром является прецессия. Прецессия земной оси определяет, в каком месте орбиты в данном полушарии наступает лето. Период колебания этой величины – 23000 лет. На протяжении последнего миллиона лет было порядка 20 эпизодов потепления и похолодания. Таким образом, климат ведет себя все время как переменная, но не периодическая, а циклическая.

В результате исследований выяснилось, что за 800 тыс. лет на Земле было восемь ледниковых и восемь межледниковых периодов. Причем, каждый ледниковый период длился в среднем 100 тыс. лет, а межледниковый всего 10 тыс. Сейчас человечество и живет в таком коротком межледниковом периоде, в процессе перехода от одного ледникового периода к другому. Климат идет постоянно к похолоданию и примерно через 5 тыс. лет орбита Земли займет снова такое положение, когда наступит холод.

Но скорость изменений крайне мала – порядка 0,02 C за 100 лет. Вопрос, соответственно, в скорости процесса и масштабах перемен. С начала промышленной революции изменение климата происходит резко ускоренными темпами, по порядку величины в 50 раз быстрее, чем движение к очередному ледниковому периоду.

Много миллионов лет назад, во времена динозавров, климат был намного теплее, в среднем на 7 C по планете в целом (рис. 3.8). Затем климат постепенно становился холоднее, причем в истории

94

Земли были резкие изменения (в основном, похолодания), которые сопровождались массовым вымиранием живых организмов.

Рис. 3.8. Изменение температуры Земли в планетарном масштабе времени.

За нулевой уровень принята средняя температура за 1961		1990 гг.
Крупные точки – времена массового вымирания организмов
За последние 10	11 тыс. лет наблюдалось	несколько

периодов относительно быстрого естественного потепления. Два последних произошли около 6,5 и 4,5 тыс. лет назад. Далее в целом средняя глобальная температура начала снижаться. Естественная максимальная изменчивость за последние несколько тысяч лет не превышала 1,5 C.

Естественные факторы изменения климата включают колебания параметров орбиты Земли (эксцентриситет, прецессия, угол наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики); изменения солнечной активности; вулканические извержения; апериодические колебания в системе атмосфера – океан (явления Эль-Ниньо). К факторам, вызываемым в последние 200 лет в основном антропогенной деятельностью, относятся изменения концентрации парниковых газов в атмосфере и концентрации тропосферных аэрозолей.

95

В течение последнего миллиона лет ледниковые и межледниковые периоды менялись в большей степени в зависимости от параметров орбиты нашей планеты. В последние 10 тыс. лет наблюдались меньшие колебания орбиты, с чем связывают относительно стабильный климат планеты. В любом случае колебания орбиты – явление достаточно долгосрочное, в то время как антропогенное воздействие на климат имеет гораздо более короткий временной масштаб.

Крупнейшее за XX в. извержение вулкана Пенатубо на Филиппинах (1991 г.) выбросило в стратосферу 30 млн т серы. В

результате	средний уровень	солнечной	радиации снизился на
2,5 Вт/м2,	что соответствует	глобальному	охлаждению на 0,5

0,7 C. При извержении вулканов радиационный эффект определяется количеством аэрозолей, заброшенных на большую (более 10 км) высоту. Но, несмотря на это, последнее десятилетие ХХ в. было самым теплым за предшествующий период наблюдений.

Из природных явлений планетарного масштаба к числу наиболее мощных и оказывающих серьезные последствия следует отнести явление Эль-Ниньо (Южное колебание) – двухгодичная циркуляция атмосферы и океана в южной части Тихого океана. Этот процесс сопровождается значительным нагревом воды в экваториальной зоне Тихого океана и перераспределением масс воздуха в низких широтах Южного полушария между Индийским и Тихим океанами. Явления Эль-Ниньо оказывают влияние не только на региональный климат, но и возмущают атмосферную циркуляцию на всем земном шаре. Наступление Эль-Ниньо сопровождается заметным повышением средней глобальной температуры. В частности, мощное и сильное протекание процесса Эль-Ниньо в конце ХХ в. оказало существенное влияние на погодные условия 1997 1998 гг.

Оценка вклада различных естественных причин в радиационное воздействие (прогрев атмосферы) показывает, что имеется комбинация разнонаправленных факторов, каждый из которых значительно слабее, чем рост концентрации в атмосфере парниковых газов (рис. 3.9).

Для фундаментального решения проблемы оценки теплового баланса Земли и выяснения первостепенных причин потепления

96

климата необходимо создание глобальной скоординированной сети наземных и спутниковых наблюдений, оснащенной соответствующими техническими и алгоритмическими средствами.

Рис. 3.9. Изменение теплового потока (ΔF), достигающего земную

поверхность, за счет различных факторов (1 –			CO2; 2 – CH4; 3 – фреоны;
4	–	тропосферный озон; 5 – оксиды азота; 6	– тропосферные аэрозоли;
7	–	изменение облачного покрова; 8 – изменение состояние поверхности;
9	–	солнечная радиация; 10 – вулканические аэрозоли)
		Среди альтернативных гипотез	глобального потепления

серьезное внимание привлекала версия о значительном влиянии на современный климат Земли процессов изменения солнечной активности. Однако анализ наблюдений за Солнцем показал, что изменение солнечного потока в десять с лишним раз меньше воздействия всех парниковых газов и аэрозолей антропогенного происхождения на атмосферу. Поэтому столь небольшие колебания яркости не могут внести существенный вклад в глобальное потепление.

Суммарное антропогенное радиационное воздействие на глобальный климат определяется величиной потока 1,6 Вт/м2. Расчеты радиационного поля Земли показали, что нарушение среднего глобального радиационного баланса Земли достигло в настоящее время уровня 0,85 Вт/м2, отображающего происходящее потепление климата.

При отсутствии антропогенных воздействий должна соблюдаться сбалансированность усредненных за большие

97

промежутки времени значений прихода (поглощенная солнечная радиация) и расхода (длинноволновая уходящая радиация) энергии. Нарушение теплового баланса планеты отображает начало опасного процесса потери экологического равновесия в глобальных масштабах.

Внеатмосферный интегральный поток солнечной радиации составляет 340 Вт/м2, а среднее глобальное значение альбедо Земли принято считать равным 0,30. Изменение альбедо всего на 0,01 эквивалентно соответствующему изменению радиационного баланса на 3,4 Вт/м2, что не только превосходит современные оценки суммарного радиационного воздействия всех парниковых газов на климатическую систему, но сравнимо с эффектом удвоения концентрации СО2 в атмосфере.

При выходе потребления энергии всего человечества на уровень наиболее развитых стран в будущем потребуется многократный рост производства энергии. Это может стать фактором нарушения радиационного баланса Земли и повышения ее глобальной температуры.

Среди антропогенных причин именно концентрация углекислого газа в атмосфере является основным фактором, определяющим температуру на планете. Установлен трехкратный рост среднегодового ускорения общемировых выбросов углекислого газа за 2000 2004 г. по сравнению с 1990 г. Негативная тенденция вызвана увеличением как энергетической интенсивности экономики (расходом энергии на производство единицы национального валового продукта), так и углеродной интенсивности энергетических систем (количеством углерода на единицу энергии).

Первая характеристика связана с внедрением и распространением энергосберегающих технологий, вторая с нынешней структурой и возможными изменениями топливноэнергетического баланса в будущем. В табл. 3.1 приведены коэффициенты эмиссии углерода от сжигания основных органических источников выработки энергии.

Очевидно, что и с точки зрения парникового эффекта уголь является самым «грязным» видом топлива. Сжигание всех подтвержденных мировых запасов органических источников сырья реально может удвоить доиндустриальную концентрацию углекислого газа в атмосфере, а сжигание всех гипотетических

98

ресурсов ископаемого топлива может привести к угрожающему росту СО2, и, в первую очередь, этот эффект будет обусловлен использованием угля.

Таблица 3.1 Коэффициенты эмиссии углерода для различных видов топлива

Эмиссия	Природный	Нефть	Уголь
углерода	газ
млрд т/Q	14,5	20,8	25,2

Единица измерения энергии – 1 Q = 1,055 1021 Дж.

В конце палеозойской эры (см. табл. 1.3), в самом начале пермского периода, на смену долгодлившемуся (почти 0,5 млрд лет) и охватившему большую часть Земли оледенению пришло глобальное потепление. Оно сопровождалось резким возрастанием содержания СО2 в атмосфере: от уровня в 250 до 1000 и далее до 3000 млн-1. Анализ событий, имевших место в ту далекую эпоху, может пригодиться при прогнозировании ситуации в будущем. Например, в качестве возможного сценария, допустив, что если человечество сожжет все литосферные запасы ископаемого топлива, содержание СО2 в атмосфере может подняться вплоть до 0,2%, т.е. примерно до уровня конца палеозойской эры.

При этом жизнь на Земле в ту эпоху продолжала существовать и развиваться, хотя глобальное потепление, произошедшее примерно 250 млн лет тому назад, могло стать причиной массового вымирания на земле. В результате погибло почти 75% флоры и фауны на суше и до 90% всего живого в Мировом океане.

Существует точка зрения, что вымирание сильно затормозило развитие живого вещества на нашей планете. С другой стороны, катаклизм, радикально преобразивший планету, изменил соотношение в экологическом балансе Мирового океана между простыми примитивными организмами (морские лилии, губки, кораллы) и более сложными высокоорганизованными существами (рыбы, моллюски, ракообразные). До вымирания соотношение двух типов сообществ в Мировом океане было примерно 1:1, а сразу после него – 3:1 в пользу более сложных. Это соотношение

99

сохранилось и до наших дней. Вместо плавного эволюционного развития произошел положительный революционный скачок.

Поэтому изучение геологического прошлого Земли может стать главным аргументом в спорах о возможных причинах и последствиях современных изменений климата. Изучение геологического прошлого планеты доказывает, что похолодания климата всегда происходили в периоды снижения концентрации углекислого газа в атмосфере, а потепления, наоборот, во время подъема его уровня.

При этом прогнозируется, что в основном средняя глобальная температура будет расти за счет накопления парниковых газов в атмосфере, в то время как большинство естественных факторов будут действовать в противоположном направлении, тем самым ослабляя антропогенное воздействие. Но даже по всем оптимистическим прогнозам ожидается дальнейшее потепление на 1 2 C за текущий XXI в.

3.4. Киотский протокол

Для возможного решения возникших глобальных противоречий в 1997 г. представители более 160 стран в японском городе Киото подписали исторический протокол к Рамочной конвенции по изменению климата, ранее принятой в 1992 г. в Рио- де-Жанейро и вступившей в силу в 1994 г.

К основным парниковым газам, подпадающим под действие Киотского протокола, относятся шесть отдельных газов или групп химических соединений: СО2 (углекислый газ), СН4 (метан), N2О (закись азота), ГФУ (гидрофторуглероды), ПФУ (перфторуглероды), SF6 (гексафторид серы). Кроме них парниковым газом является водяной пар, но он не рассматривается в Протоколе ввиду своего преимущественно природного происхождения, сложности контроля и отсутствия данных о росте его концентрации в атмосфере.

Контролируемые Киотским протоколом парниковые газы сильно различаются не только по своей концентрации в атмосфере, но и по коэффициентам поглощения инфракрасного излучения. Для оценки относительного влияния различных газов на климат обычно используют величину глобального парникового потенциала, определяемого как усредненное изменение достигающего

100