еще небольшая и поэтому в нем можно выделить естественные со- ставляющие только двух основных масштабов: межгодовые коле- бания и колебания десятилетнего масштаба. Колебания столетнего масштаба при этом представлены или одним циклом или его частью в виде ветви падения или спада. Главная особенность современного климата состоит в том, что за счет интенсивного сжигания органи- ческого топлива человечеством в атмосфере существенно возросла концентрация парниковых газов, как показано на рис. 18.1.
Как видно на графиках, имеет место резкий подъем концентра- ции парниковых газов, начиная с XIX в. и еще более интенсивный
–
вXX в. При этом концентрация CO2 к 2012 г. достигла 390 ppm,
ак 2015 – практически 400 ppm в Северном полушарии. Рекорд-
ные значения предшествующих изменений в составе атмосферы на
протяжении последнего тысячелетия свидетельствуют о быстром увеличении содержания парниковых газов и сульфат- аэрозолей, которое объясняется, главным образом, развитием
1750
со
Рис. 18.1. Глобальные атмосферные концентрации трех основных хорошо смешивающихся парниковых газов
322
линии). Эти газы хорошо перемешиваются с атмосферой и их кон- центрации отражают выбросы из источников в самых разных точ- ках земного шара. Предполагаемое радиационное воздействие этих газов показано на шкале справа.
Наиболее ярким откликом на рост парниковых газов является глобальная приземная температура воздуха, осредненная по всей Земле, так как именно в ней осуществляется пространственно-вре- менная фильтрация случайных составляющих и наглядно выделя- ется антропогенный «сигнал». Вместе с тем, необходимо помнить о надежности или однородности определения глобальной темпера- туры, нарушения которой может быть связано со следующими при- чинами:
–разное число пунктов наблюдений, которое было в XIX и на протяжении XX в. и привлекалось для расчета средней планетарной температуры;
–локальное антропогенное влияние за счет роста городов, так как большинство длиннорядных станций, используемых для под- счета глобальной температуры, вначале находились в пригородах, а затем стали внутри урбанизированных территорий;
–на океанах, которые занимают большую часть площади пла- неты, практически отсутствуют стационарные наблюдения;
–неоднородность различных частей планеты в проявлении глобального потепления: больше всего теплеет сухая аридная суша Северного полушария (40–70° с.ш.), меньше всего – океан и поэто- му имеет место термин: «холодный океан – теплая суша» (COWL – Cold Ocean – Warm Land).
Хронологический ход глобальной температуры с 1850 г. пока- зан на рис. 18.2 (верхний график), а ее последовательные 10-летние средние значения – на рис. 18.2 (нижний график) [6].
При внимательном рассмотрении графиков, можно сделать вы- вод, что глобальная температура имеет не только тренд роста, обу- словленный антропогенным воздействием, но и циклические коле- бания за счет влияния естественных факторов климата. При этом тренд роста начинается только с 1910-х годов и длится до 1930-х, затем наступает период стабилизации до начала 1980-х, затем сно- ва резкий подъем до конца XX в. и стабилизация в начале XXI в. Примерно такая же картина динамики глобальной температуры на- блюдается и в последовательных 10-летках: подъем до 1880-х, затем падение до 1910-х, далее рост до 1930–1940-х, затем стабильность до 1980-х и снова рост.
Рис. 18.2. Изменения глобальной температуры в отклонениях от среднего за период 1961–1990 гг.: (вверху) ежегодные данные с 1850 по 2012 г., полученные по трем источникам информации; (внизу) 10-летние средние, включающие интервальную оценку неопределенности
В связи с тем, что на глобальную температуру воздействует це- лый комплекс факторов, то все их следует рассматривать совместно. На рис. 18.3 из 5-го доклада МГЭИК (слева) вместе с динамикой глобальной температуры показаны вклады в эти колебания следу- ющих основных факторов климата в аномалиях температуры (°С):
a)наблюденная глобальная температура воздуха за период с 1890 по 2010 г. по данным реанализа Хадлей Центра и ее сглажива- ние по данным разных авторов (Lean, Lockwood, Folland, Kaufmann);
b)индекс Эль-Ниньо – Южное Колебание (ЭНЮК или ENSO);
c)вулканическая активность;
d)колебания приходящей солнечной радиации;
e)антропогенные воздействия;
f) другие факторы, включая межгодовые атлантические колеба- ния (Folland), колебания в 17,5 лет и полугодовые колебания, индекс Арктического колебания (Lean, Lockwood, Lean and Rind,
Folland, Kaufmann, Imbers et al.)
Как следует из анализа составляющих, циклические компо- ненты в колебаниях глобальной температуры и отдельные ее паде- ния обусловлены естественными факторами (Эль-Ниньо, вулканы, приходящая солнечная радиация), а направленное повешение – ан- тропогенными. Причем, в последние годы, как видно из рис. 18.3, глобальная температура несколько стабилизировалась, что обуслов- лено уменьшением в приходящей солнечной радиации и индекса ЭНЮК.
Главная проблема современной теории климата состоит в пра- вильном разделении колебаний температуры на естественную и антропогенную составляющие. В настоящее время такое разделе- ние глобальной температуры воздуха осуществляется, как правило, с помощью физико-математических моделей климата и полученные результаты по данным 5-го доклада МГЭИК показаны на рис. 1 Приложения. На левых графиках этого рисунка приведены анома- лии глобальной температуры воздуха (в °С) за период 1860–2010 гг. с учетом моделирования только естественных факторов (верхний график) и за счет совместного воздействия естественных и антро- погенных факторов (нижний график), по данным наблюдений (чер- ная линия) и по данным двух ансамблей климатических моделей (CMIP3 – синяя линия для среднего и голубая полоса для всех моде- лей и CMIP5 – красная линия для среднего ансамблевого
значения |
и желтая полоса для диапазона, полученного по всем |
||
моделям). |
Из |
рассмотрения графиков следует, |
в последнее |
десятилетие средне- ансамблевые значения дают |
завышенные |
||
значения по отношению к глобальной температуре, хотя последние данные по CMIP5 им больше соответствуют.
В целом же за весь период наблюдений модели достаточно эф- фективно воспроизводят колебания глобальной температуры и по- этому можно считать, что рост температуры с начала 1960-х годов обусловлен практически только антропогенным фактором. На пра- вых схемах рис. 1 Приложения показано пространственное распре- деление температурных трендов (в °С за период) по Земному шару только за счет естественных факторов по данным моделирования на основе ансамбля моделей CMIP5 (верхний рисунок), по данным наблюдений (реанализ) за период 1951–2010 гг. (средний рисунок) и в суммарной смоделированной температуре за счет естественных
Рис. 18.3. Аномалии колебания глобальной температуры и основных формирующих ее факторов [16]
и антропогенных факторов (нижний рисунок). Из рассмотрения и сопоставления рисунков правой части следует, что по данным моде- лей рост температуры увеличивается от средних широт к высоким, в то время как по данным наблюдений такой закономерности явно не наблюдается и значительные тренды роста температуры имеют место на всех широтах, хотя и выражены локально. Поэтому модели климата еще требуют дальнейшего развития и совершенства.
Количественная оценка вклада антропогенных и естественных факторов в наблюдающееся приповерхностное глобальное потепле- ние последних 50–65 лет в процентах приведена на верхней диа- грамме рис. 18.4 (5-й доклад МГЭИК) по данным различных авто- ров: TOO – Tett et al. 2000; M04 – Meehl et al. 2004; S07 – Stone et al. 2007; LR08 – Lean and Rind 2008; HK11 – Huber and Knutti 2011; G12 – Gillett et al. 2012: WS12 – Wigley and
Santer 2012; и J12 – Jones et al. 2013.
В отличие, например, от 4-го доклада МГЭИК, здесь рассма- тривается не раздельное влияние каждого парникового газа или каждого естественного фактора, а их совместный эффект. Несмотря на различие в оценках разных авторов, общие выводы состоят в том, что суммарное антропогенное воздействие, приведенное в левой ча- сти рисунка, ведет к росту температуры и его вклад в среднем около 100 %, в то время как сумма естественных факторов (правая часть рисунка) дает в большинстве случаев уменьшение температуры со средним вкладом – около 15–20 %. В результате преобладающим является антропогенное воздействие, ведущее к росту глобальной температуры. На нижней диаграмме рис. 18.4 показаны вероятност- ные границы (горизонтальные интервалы) и средние значения (пря- моугольники) оценок установленного вклада разных факторов в ли- нейный тренд наблюдавшегося потепления в 1951–2010 гг.
Очевидно, что одной глобальной температуры недостаточно, чтобы идентифицировать современное потепление климата, кото- рое должно проявляться и в остальных показателях климатической системы. Поэтому в настоящее время обследование (мониторинг) такого сложного «пациента», как планета Земля, осуществляется по многим параметрам разных частей климатической системы. На рис. 18.5 показаны примеры проявления глобального потепления в некоторых индикаторах климатической системы среди которых уменьшение площади снежного покрова перед началом снеготая- ния, особенно с начала 1990-х (a); уменьшение площади морского
льда в Арктике летом, имеющее тренд с конца 1950-х (b); увели-
1980-х и тренд роста уровня Мирового океана за XX в. – начало XXI в., который составил примерно 18 см. При этом полученные эмпирические факты взаимосвязаны между собой. Так рост гло- бальной температуры приводит к увеличению теплосодержание
Рис. 18.4. Суммарные вклады (в %) и ºС естественных и антропогенных факторов в современное изменение климата [16]
328
Рис. 18.5. Основные наблюдаемые индикаторы изменения глобального климата по разным наборам данных, включая данные спутниковых наблюдений с конца
XXв.: (a) площадь снежного покрова в Северном полушарии весной (март–апрель)
вмлн км2; (b) площадь морского льда в Арктике летом (август–сентябрь) в млн км2; (c) теплосодержание верхнего слоя Мирового океана (0–700 м); (d) уровень Миро- вого океана в отклонениях от среднего за период 1900–1905 гг. (в мм)
океана, а уменьшение площади материковых льдов – к повышению уровня Мирового океана.
Еще одним доказательством правильности механизма гло- бального потепления за счет роста поглощения уходящего длин- новолнового излучения парниковыми газами является снижение температуры нижней стратосферы на уровнях 100–50 гПа и прак- тическое отсутствие изменения температуры в районе тропопаузы (рис. 18.6).
Причиной является возрастающий теплоизолирующий эффект в тропосфере, он должен удерживать больше тепла и не позволять ему достигнуть стратосферы. Если бы глобальное потепление вы- зывалось солнцем, оно приводило бы к росту температур, как в тро- посфере, так и в стратосфере. Наблюдения, как спутниковые, так и с метеорологических зондов, показывают картину охлаждения стра- тосферы и нагрева тропосферы, что соответствует потеплению от диоксида углерода.
В настоящее время спутники измеряют инфракрасное излуче- ние, уходящее вовне, в космос. Сравнение между спутниковыми данными 1970 и 1996 гг. показывает, что в космос уходит меньше
329
энергии на тех длинах волн, на которых поглощают энергию пар- никовые газы (Harries 2001). Таким образом, это исследование пре- доставляет «прямое экспериментальное подтверждение значитель- ного увеличения парникового эффекта Земли». Данный результат подтверждается и более свежими данными с нескольких разных спутников (Griggs 2004, Chen 2007).
Тот факт, что меньше энергии уходит в космос, подтвержда- ется поверхностными измерениями, показывающими увеличение
Рис. 18.6. Изменение температуры нижней стратосферы по спутниковым данным (UAH, RSS) и данным метеозондов (HadAT2 and RATPAC) относительно периода 1979–1997 гг., сглаженные семимесячные средние значения (вверху). Основные вулканические извержения обозначены вертикальным пунктиром (Karl 2006). Температура на границе тропосферы и стратосферы (внизу)
330
возврата инфракрасного излучения на землю, происходящего из-за возрастающего парникового эффекта (Philipona 2004, Wang 2009). Анализ спектральных данных высокого разрешения позволяет ис- следователям количественно оценить роль каждого из парниковых газов в увеличении инфракрасной радиации, направленной к земле. (Evans 2006). Результаты приводят авторов к заключению, что «эти экспериментальные данные должны положить конец возражениям скептиков о том, что якобы не существует экспериментального под- тверждения связи между ростом уровня парниковых газов в атмос- фере и глобальным потеплением». Если возрастающий парниковый эффект является причиной глобального потепления, следует ожи- дать, что ночи будут теплеть быстрее, чем дни, так как парнико- вый эффект действует днем и ночью. Напротив, если причиной гло- бального потепления является солнце и рост солнечной радиации, то можно ожидать, что тренд потепления будет выше для дневных температур. В действительности наблюдается снижение числа хо- лодных ночей большее, чем холодных дней, и рост числа теплых ночей больший, чем теплых дней (Alexander 2006, Fan 2010), что соответствует парниковому потеплению (рис. 18.7).
Другие эмпирические результаты, подтверждающие концеп-
Рис. 18.7. Наблюдаемые тренды (дни по декадам) числа экстремально холодных и теплых дней и ночей в году для периода 1951–2003 гг.
Холодными считаются нижние 10%, теплыми – верхние 10% значений (IPCC AR4 FAQ 3.3 adapted from Alexander 2006) [10])
331