Наука и мир - Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?

Игорь Леонидович Кароль, Андрей Александрович Киселев

Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?

Одобрено к изданию Научно-редакционным советом проекта «Наука и мир» Председатель – В. А. Садовничий Заместители председателя – С. Н. Деревянко и И. В. Ильин Члены совета: И. А. Алешковский, А. И. Андреев, Н. Н. Андреев, К. В. Анохин, Е. Л. Вартанова, К. С. Деревянко, Б. Л. Еремин, Ю. И. Журавлев, А. А. Зализняк, Ю. П. Зинченко, Ю. А. Золотов, Д. С. Ицкович, А. А. Каменский, В. П. Карликов, С. П. Карпов, Н. С. Касимов, А. Е. Кибрик, М. П. Кирпичников, Н. П. Красинская, М. А. Кронгауз, В. В. Лунин, Е. И. Майорова, Д. Е. Перушев, А. Е. Петров, В. А. Плунгян, Д. Ю. Пущаровский, В. А. Рубаков, В. П. Скулачев, В. Б. Спиричев, В. А. Твердислов, В. А. Ткачук, В. И. Трухин, А. М. Черепащук, С. О. Шмидт, Я. Л. Шрайберг, А. Ю. Шутов, В. Л. Янин Научно-просветительский проект «Наука и мир» основан в 2009 году Ведущий редактор проекта Н. Красинская

К читателю

Наша книга посвящена современному климату Земли. На эту тему в последние годы написано немало. И потому закономерен вопрос о целесообразности нового к ней обращения. Приведем следующие аргументы в пользу необходимости написания книги нами, климатологами, именно сегодня. Во-первых, климат меняется, причем весьма интенсивно. Подтверждением тому служат не только наши субъективные ощущения, но и получаемые на бесперебойной основе данные наблюдений (мониторинга, в том числе спутникового). Растет число природных катастроф. Изменения эти происходят вокруг нас, в среде, в которой мы живем, а следовательно, касаются непосредственно каждого, лишая возможности занять удобную позицию стороннего наблюдателя. Выражаясь языком капитана Жеглова, здесь у нас «любовь с интересом»…

Во-вторых, как никогда, насущна задача отыскания причин изменений климата. Если надежно установить механизмы, определяющие поведение климатической системы Земли, можно успешно прогнозировать будущие изменения климата, а со временем, возможно, и направлять эти изменения в желаемое русло. Заманчиво? Безусловно, однако… Есть немало тем, вызывающих живой общественный интерес, сведущими в которых себя мнит большинство людей. Говорят, в голове каждого из 190 миллионов бразильцев имеется свой вариант непобедимой национальной футбольной сборной, а любой итальянец уверен, что только ему известен «самый правильный» рецепт приготовления пиццы. О причинах изменений современного климата, конечно, высказываются не все, но «свежий взгляд» на проблему обнародуют астрономы и географы, математики и историки… чиновники и экстрасенсы. Особой любовью тема пользуется у геологов. Несомненно, у климатологов нет эксклюзивного права на формирование гипотез о пружинах механизмов, изменяющих климат. Однако всякая гипотеза должна быть не просто сформулирована, но и подкреплена фактами и расчетами, она также не должна входить в противоречие с имеющимися основами климатологии. К сожалению, специалисты в смежных дисциплинах, что вполне объяснимо, «не держат руку на пульсе» последних изысканий в области климатологии и метеорологии, в результате чего их «астрономическая» или «геологическая» теории обязательно уходят корнями в поле деятельности автора, а для подкрепления теорий выбираются исключительно согласующиеся с ними данные мониторинга. Мы умышленно не персонифицируем и не излагаем подобные теории, памятуя об опыте древних, постановивших забыть Герострата…

В-третьих, наша книга – резонанс на «труды праведные» многих журналистов и деятелей искусства. Общественный интерес к проблеме изменений климата порождает соответствующее предложение. И вот уже на гребне этого интереса появляется несколько фильмов-катастроф, а телепередачам и статьям в печатных СМИ несть числа. При этом квалифицированные оценки специалистов воспринимаются буднично, без особых эмоций, и остаются почти незамеченными. Зато чем нелепее высказываемая «теория», тем выше ажиотаж в прессе. Понятно, что здесь главенствует принцип «деньги не пахнут». Но людям в нашей стране, традиционно привыкшим доверять печатному слову, тем самым наносится серьезнейший вред. Кто-то принимает такие публикации за чистую монету, кто-то, напротив, теряет доверие и составляет нелицеприятное мнение об «ученых», несущих несусветную чушь, кто-то, ознакомившись с двумя-тремя противоречащими друг другу нелепицами, и вовсе перестает интересоваться проблемой («пусть сначала они договорятся между собой, а потом дают интервью»). Очевидно также, что поток подобных спекулятивных опусов ведет к неизбежному падению и без того невысокого в России престижа науки и просто знаний.

И наконец, несмотря на обилие посвященных климату публикаций «малого формата» (заметок, интервью, статей и т. д.), существует … дефицит книг на эту тему. Именно книг, так как только в формате книги можно предоставить читателю необходимый объем информации и охватить весь клубок взаимодействий процессов, оказывающих влияние на климат нашей планеты.

Руководствуясь вышеупомянутыми мотивами, в этой книге мы постарались рассказать «правду, только правду и ничего кроме правды» о современном климате Земли, явлениях, формирующих климат, тенденциях его изменения, влиянии состояния природной среды на различные сферы человеческой деятельности, о том, каким образом скорее всего изменится климат в недалеком будущем и как это отразится на нашей повседневной жизни. В ней вы не найдете дутых сенсаций и рассказа о новых фундаментальных законах, сравнимых по значимости, к примеру, с законом всемирного тяготения. Зато узнаете о вехах в развитии климатологии, а также о многих любопытных фактах, случившихся на ее историческом пути.

Благодарности

Мы признательны сотрудникам Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова кандидатам физико-математических наук Юрию Эдвиновичу Озолину и Елене Ивановне Хлебниковой, ставшим первыми читателями и благожелательными критиками нашей рукописи.

В книге использованы иллюстрации из отчетов Межправительственной группы экспертов по изменению климата 2001 и 2007 гг. (http://www.ipce.ch/) и Доклада об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2010 г. (http://www. meteorf.ru/).

Глава первая

Говорим «климат» – подразумеваем «погода»

Не браните погоду – если бы она не изменялась, девять человек из десяти не смогли бы начать ни одного разговора.

Ф. Хаббард

Климат в Ирландии изумительный, но погода его гробит.

Тони Батлер

Погода и климат: в чем разница между ними

Давно замечено: если нужно поддержать разговор, а тему, как назло, не найти – говори о погоде. Вариант беспроигрышный: ведь все присутствующие – лица заинтересованные и до некоторой степени сведущие. В последние же годы интерес людей к данному фактору, в немалой степени определяющему наше бытие, многократно усилился, чему есть вполне объективные предпосылки.

Во-первых, еще совсем недавно погода воспринималась людьми как данность свыше, не зависящая от их воли и вынуждающая к себе приспосабливаться. Но сегодня, во многом благодаря настоящему прорыву в областях компьютерных технологий и спутниковых наблюдений, перед человечеством открылись возможности всестороннего изучения процессов формирования погоды и климата, причин их изменений, а также в какой-то степени, пусть ничтожно малой, влиять на эти процессы (в качестве примера – предотвращение осадков во время празднования дней города в Москве и Санкт-Петербурге).

Во-вторых, резко возросло количество людей, совершающих дальние поездки – деловые, туристические и пр. К слову, только в 2010 и 2011 гг. зарубежные вояжи совершили около 12 и 14,5 миллионов, соответственно, т. е. каждый двенадцатый из наших соотечественников. Во избежание неприятных сюрпризов, путешествующий должен соотнести свои программу и экипировку с особенностями погодных условий в месте пребывания.

В-третьих, накопленная в ходе исследований информация свидетельствует о том, что климат меняется, более того, темпы его изменения в ХХ в. были беспрецедентно высоки. Последнее обстоятельство стало предметом серьезной обеспокоенности, и сегодня о климате не рассуждает только ленивый. Однако с сожалением приходится констатировать явное несоответствие между важностью проблемы (ведь речь идет о «здоровье» среды нашего обитания!) и той легковесностью суждений, а порой некомпетентностью, которыми при обсуждении ее грешат многие, в том числе и весьма солидные издания и телеканалы.

Весомый вклад в «подогрев» интереса к данной проблеме внесло и «жаркое лето 2010». Чуть ли не каждый день приносил на европейскую территорию России рекордные температуры: +38,9 °C – 28 июня в Воронеже; +35,5 °C – 21 июля в Туле; +38,1 °C – 27 июля в Орле; 28 июля пал державшийся с 1981 г. московский рекорд – теперь он равен +38,2 °C. А 12 июля на калмыцкой метеостанции Утта зарегистрирована максимальная за весь период наблюдений в стране температура +45,4 °C. В Санкт-Петербурге рекорд устоял, но от жары треснула стеклянная Башня Мира, подаренная Францией к 300-летнему юбилею города. Неудивительно, что о «глобальном потеплении» в этот период говорилось повсюду.

Между тем считать тот почти двухмесячный изнуряющий зной очевидным свидетельством глобального потепления климата оснований не больше, чем, скажем, заранее объявить чемпионом команду, победившую в первых пяти играх из запланированных пятидесяти. Парадокс? Отнюдь! Дело в том, что в обиходе понятия «погода» и «климат» зачастую отождествляют, а это неверно. Чуть вольно перефразируя известнейшего российского специалиста в области геофизики академика А. С. Монина, можно определить климат как совокупность всех погодных условий, наблюдавшихся на конкретной территории за некоторый продолжительный промежуток времени. При этом такой «конкретной территорией» может быть как отдельная область (к примеру, Вологодская), так и вся Западная Сибирь или Южная Америка, а также и весь земной шар. Но даже школьник знает: холодно – на севере и зимой, жарко – на юге и летом, в тропиках – зной и ливни, а в полярных зонах – круглый год снег и льды. Поэтому, обсуждая климат относительно небольшого в глобальном масштабе региона, мы можем получить достаточно полное представление о его характерных чертах и особенностях. Однако описание материкового и тем более глобального климата неизбежно чревато утратой многих нюансов (например, среднегодовая средняя по земному шару температура воздуха у поверхности, рассчитанная с учетом, в частности, антарктической и тропической температур, сродни средней температуре по больнице) и пригодно только для изучения самых общих закономерностей климата нашей планеты.

Вышеприведенное определение климата содержит довольно расплывчатое указание на срок наблюдений. Действительно, какой промежуток времени следует считать «продолжительным» – месяцы, годы, десятилетия? Он не должен быть чересчур коротким, поскольку тогда изменениями климата придется признать и смену времен года, и аномально жаркий (или холодный) год, даже если многие предшествующие ему и последующие годы были близки к норме. С другой стороны, использование достаточно длительного промежутка времени (например, столетия) тоже вряд ли возможно хотя бы из-за отсутствия разветвленной сети станций, производивших по всему миру каждодневные измерения в течение такого срока. Следовательно, оптимальный выбор находится где-то посередине.

Согласно рекомендациям Всемирной метеорологической организации (ВМО), оптимальным полагается период продолжительностью 30 лет, а современным состоянием климата считается его среднее состояние за 1961–1990 гг.

Почему отсчет по сей день ведется именно до уже далекого 1990 г., а, например, не до 2000 или 2010 гг., вправе поинтересоваться читатель. В достаточно консервативной ВМО традиционно считается, что негоже менять границы выбранного интервала ранее его завершения (как, скажем, недопустимо сообщить футболистам в перерыве матча, что второй тайм будет играться по баскетбольным или хоккейным правилам). В этом есть определенный резон: результаты различных исследований приводятся к некоторому единому хорошо известному всем «знаменателю», и их удобно сравнивать и анализировать. Так что появления новых границ тридцатилетнего периода, официально рекомендованного ВМО, придется подождать до 2020 г., хотя в научной периодике уже сейчас встречаются работы, в которых в качестве «стандартного» рассмотрен период 1980–2010 гг. Несомненно, выбор промежутка времени несет в себе элемент произвола: почему именно 30 лет? Начиная с Международного геофизического года, проводившегося под эгидой ООН в 1957 г., мировое сообщество предприняло успешные шаги по созданию и развитию всемирной системы контроля за окружающей средой, включающей регулярный мониторинг метеорологических элементов – температуры воздуха, атмосферного давления, скорости и направления ветра, количества осадков и т. д. – не только у земли, но и на высотах. Таким образом, к моменту принятия вышеуказанной рекомендации уже существовал достаточно полный банк метеорологических данных, охватывавший приблизительно тридцатилетний период измерений. Дав волю фантазии, можно сравнить климат с толстенным отрывным календарем, рассчитанным на 30 лет, где каждый листок соответствует погоде в означенный на нем день.

Исходя из данного определения, скоропалительные выводы обычных людей, измаявшихся на солнцепеке («Вот оно глобальное потепление, а дальше будет еще хуже!») или продрогших в 30-градусный мороз на автобусной остановке («И они говорят о каком-то глобальном потеплении?!») спишем на всплеск эмоций и на… вполне простительную некомпетентность. В этих репликах, заметьте, главным является слово «потепление» (здесь и сейчас!), а определение «глобальное» добавляют, не задумываясь, следуя укоренившемуся словесному штампу. Однако в устах специалиста оба этих слова одинаково важны. В 2010 г. среднеиюльская температура воздуха в Москве превзошла среднеклиматическую (т. е. среднюю в июле за 30 лет) на 7,8 °C – это очень много, но… Чтобы получить «июльскую добавку» к московской среднегодовой температуре, нужно разделить ее на число месяцев в году (7,8 °C: 12 = 0,65 °C). Если же мы захотим найти долю этой «июльской добавки» в глобальной среднегодовой температуре, нам придется снова делить – теперь на количество разбросанных по всему миру метеорологических станций, исчисляемых тысячами, и в результате доля эта окажется ничтожно мала.

В то же время измерения показали рост глобальной среднегодовой температуры – той самой, которая сродни «средней по больнице» – с начала ХХ в. по настоящее время приблизительно на 0,7 °C (рис. 1), а это означает, что устойчивое увеличение температуры зафиксировано на большинстве действовавших в течение прошлого столетия метеостанций. Специально отметим: именно на большинстве, поскольку на земном шаре найдутся регионы, в которых не наблюдалось уверенного роста среднегодовой температуры, хотя в среднем по всему земному шару среднегодовая температура возрастала.

Рис. 1. Изменение среднегодовой среднеглобальной температуры приземного воздуха относительно средней за 1961–1990 гг. Усредненная кривая, кружки – значения отдельных лет

Резюмируем сказанное. В течение прошлого столетия среднегодовая температура у поверхности Земли в каких-то географических точках росла быстрее, в каких-то – медленнее, иногда и вовсе убывала. Рост этот не был монотонным: после нескольких лет увеличения температура могла снижаться, затем снова возрастать и т. д. (рис. 2). Но когда все данные о среднегодовых температурах «на местах» были собраны воедино и по ним была найдена среднегодовая температура – средняя по всей поверхности земного шара, оказалось, что она заметно возросла. И вот это явление (и только его!) климатологи называют «глобальным потеплением климата».

Рис. 2. Средние годовые аномалии температуры приземного воздуха (°С) для регионов России за 1936–2010 гг. Усредненные кривые; прямые линии иллюстрируют темпы роста температуры в период 1976–2010 гг.

Теперь еще раз обратимся к светской беседе о погоде. Почти наверняка она будет содержать «добрые» слова в адрес синоптиков. По мнению неизвестного острослова, «синоптик – человек, который ошибается только один раз, зато каждый день». Ему вторит вполне известный Ален Шеффилд: «Метеорология – научное обоснование неверных прогнозов». Пожалуй, ограничимся этими двумя суждениями, хотя на эту же тему высказывались такие великие остроумцы, как Оскар Уайлд, Марк Твен, Джером Клапка Джером, Станислав Ежи Лец. Безусловно, жертвами неудачных прогнозов погоды становились все, не минула чаша сия и авторов данной книги. Однако это обстоятельство не помешает нам сказать несколько слов в защиту людей, ежедневно кропотливо собирающих, обрабатывающих и анализирующих оперативную метеорологическую информацию, чтобы в урочный час сообщить нам, каких сюрпризов можно ждать от погоды в самое ближайшее время.

Начнем с банального: точных прогнозов погоды несравненно больше, чем ошибочных. Косвенным признанием этого факта служит то, что даже после провальных прогнозов мы проявляем интерес к очередному и в соответствии с ним зачастую планируем свои действия. Признайтесь, стали бы вы так поступать, если бы удача сопутствовала синоптическим оракулам лишь в одном-двух случаях из десяти?

Следующая мысль, скорее всего, вызовет искреннее недоумение читателя: абсолютно верный прогноз довольно часто воспринимается потребителем как ошибочный. И вот почему. Обычно прогноз дается для достаточно больших площадей – городов, областей или крупных районов. Конечно, если имеет место сплошная облачность, ошибиться в ближайших перспективах данной местности проблематично. А если облака на небе – все наперечет и на каждую деревню их не хватает? Как в этом случае отреагируют на прогноз «дожди» жители окропленной дождем деревни «А» и не дождавшейся осадков соседней деревни «Б»? По-разному… Потребитель всегда прав? Вряд ли в обозримом будущем кому-либо из нас доведется услышать такой прогноз: «Завтра в Кривоколенном переулке города N-ска сильный дождь будет идти с 15 час. 34 мин. до 17 час. 18 мин.». Увы, подобный точечный прогноз – несбыточная мечта.

Тем не менее время от времени синоптики ошибаются. Постараемся разобраться почему. Существуют три разных подхода к составлению прогноза. Первый из них основан на решении системы дифференциальных уравнений. Уравнений настолько сложных, что получить их точное решение фактически невозможно. Помогают компьютеры, позволяющие ценой некоторых упрощений найти решение, «близкое к правде». Во втором подходе прогноз зиждется на мастерстве и опыте конкретного синоптика, который, анализируя карты текущего (измеренного) состояния наиболее важных метеорологических величин («предикторов») и их изменчивость, выносит свой «вердикт». Третий подход – «примитивистский». В несколько упрощенном виде суть его такова. На метеорологических станциях по нескольку раз в сутки измеряются многие характеристики: температура, влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, балл облачности и др. Затем все полученные данные архивируются (с недавних пор они заносятся в мощный компьютер – не только текущие, но и датированные несколькими десятилетиями ранее). Для составления прогноза на следующий день компьютер перебирает все имеющиеся в архиве варианты в поисках совпадения метеорологических характеристик, имеющих место на текущий день. При достаточно обширном архиве подобное соответствие отыщется наверняка. Предположим, совпали метеорологические характеристики 4 июля 2012 г. и 18 июня 1982 г. Извлекаем из архива данные на 19 июня 1982 г., и прогноз на 5 июля 2012 г. готов! Идея третьего подхода не нова, однако его реализация стала возможной только после внедрения быстродействующих вычислительных систем, ведь оперативно перебрать десятки тысяч наборов ежедневных данных человеку не под силу. Хотя в общем-то народные приметы можно рассматривать в качестве предтечи третьего подхода.

Меньше всего неприятностей доставляет синоптикам ситуация, когда над регионом господствует циклон или особенно антициклон (области низкого и высокого давления, соответственно). Куда менее определенна ситуация, при которой равносильные циклон и антициклон соперничают между собой; она становится совсем скверной, если это соперничество затягивается надолго. В последнем случае погода может даже измениться несколько раз в течение одного дня. Ну, и куда, скажите, при этом скрыться бедному синоптику от праведного народного гнева? Отчасти спасти положение может наработанная годами интуиция профессионала.

Другой источник синоптических ошибок – большая заблаговременность прогноза. Практика показала, что прогноз на три дня чаще в целом соответствует действительности, прогноз на 5–7 дней – не исключено, что оправдается, но вот прогнозу на 10 дней и более может доверять лишь человек, непоколебимо убежденный в исключительном даре ясновидения у сотрудников Гидрометцентра.

Проиллюстрируем ситуацию с заблаговременным прогнозом примером стрельбы по мишени (рис. 3). При выстреле траектория пули неизбежно отклонится от прямой, соединяющей кончик оружия и центр мишени – точку «0». Пока мишень расположена достаточно близко, пуля все равно попадет в ее габариты. Однако по мере отдаления мишени от стрелка расстояние между местом попадания пули в мишень и точкой «0» будет увеличиваться, и в какой-то момент пуля пройдет мимо мишени. Теперь представим, что три изображенные мишени – это реальные погодные условия, которые будут иметь место через 1, 5 и 10 дней соответственно, а траектория пули – прогноз, сделанный сегодня на базе данных вчерашних измерений. При увеличении срока заблаговременности прогноза заложенные в самом прогнозе ошибки[1] к десятому дню накапливаются, и его качество стремительно падает.

Рис. 3. Иллюстрация зависимости степени точности заблаговременного прогноза от его сроков

По мнению практикующих синоптиков, 15 дней – предельный срок, на который теоретически допустимо давать прогноз (в данном случае речь идет о европейской территории России. В других местах с более или менее устойчивой погодой эти сроки могут быть иными, а вот на Мальдивских островах практически круглый год сохраняется одна и та же температура – около +28 °C, и тамошним жителям прогноз погоды вообще ни к чему…).

Почему именно 15 дней? Строгое обоснование этого утверждения требует знания основ гидромеханики. Не будем вдаваться в детали и опять прибегнем к аналогии. Каждый из нас, наблюдая за летящим самолетом, видел тянущийся за ним шлейф, состоящий из продуктов сгорания в авиамоторах. Сначала такой шлейф представляет собой четкую линию, но вскоре линия начинает размываться, а через несколько минут и вовсе исчезает из поля зрения. В момент выхода из сопла самолета все частицы продуктов сгорания в основном продолжают двигаться с одинаковой скоростью и в одном направлении, совершая упорядоченное движение. Однако далее эти вновь прибывшие в атмосферу частицы, подвергшись воздействию совершенно неупорядоченных турбулентных потоков, перемешиваются с фоновыми воздушными частицами, и шлейф перестает существовать. Причин возникновения турбулентных движений великое множество, например неровности и неоднородность земного рельефа, лесные пожары и пр. В большинстве случаев в атмосфере упорядоченные потоки имеют большую мощность, нежели турбулентные, но это не означает, что последние не играют заметной роли в атмосферной циркуляции. При существующих в атмосфере упорядоченных скоростях движения воздушных потоков упорядоченное движение разрушается турбулентным приблизительно за те самые 15 дней. А прогнозировать поведение образовавшегося хаотического движения – занятие бесперспективное.

Возвращаясь к погоде на европейской территории России, отметим, что для этого региона характерно регулярное вторжение воздушных масс с запада, с Атлантического океана. В случае передвижения воздушной массы над сушей Западной Европы, она прогревается и «усыхает». Если же ее маршрут пролегает над Скандинавией (1) или Средиземноморьем (2), она становится более влажной и холодной (в первом случае) или влажной и теплой (во втором). Типичной для европейской территории России является ситуация, когда одна такая масса «сменить другую спешит, дав» конкурентке 2–4 дня.

Все вышесказанное относится к прогнозу погоды. А как обстоят дела с прогнозированием климата? Предвидим отповедь внимательного читателя: «Если “они” с грехом пополам прогнозируют погоду на завтра, расписываются в полном бессилии прогнозировать ее даже на месяц, то что уж говорить о сроках, исчисляемых годами и десятилетиями!»

Так вот, предвосхищать изменения климата в некотором смысле проще, чем предсказывать изменения погоды. Все явления, происходящие в воздухе, в воде и на земной поверхности, строго подчиняются законам природы, многие из которых нам хорошо известны. А следовательно, если составленный прогноз не войдет в противоречие ни с одним из таких законов, у него очень хорошие шансы реализоваться. Обратите внимание, в отличие от прогноза погоды, в данном случае речь не идет о реализации прогноза к какой-то конкретной дате. Предсказываемое может произойти несколькими годами раньше или, наоборот, запоздать, но оно произойдет обязательно!

Поясним этот тезис на простом примере. Мальчики пустили по реке два кораблика (рис. 4). Первый из них, оказавшись на середине реки, беспрепятственно проследовал вниз по течению до условного пункта «А», второй же прибился к заводи, далее попал в водоворот и лишь затем, много позже первого, достиг того же пункта «А». Но достиг!

Рис. 4. Иллюстрация к вопросу об успешности климатического прогноза

Говоря о прогнозах изменения климата, необходимо упомянуть о двух важных аспектах. Во-первых, существуют предельные сроки, на которые в принципе возможно давать такие прогнозы, исходя из сведений о состоянии климата на сегодняшний день и в прошлом (климатологи в этом случае говорят о предсказуемости климата). Понятно, что несколько десятилетий вполне укладываются в такие временны?е пределы, а вот оценить, каким будет климат в IV тысячелетии, едва ли реально. Предсказуемость климата, совершенно очевидно, зависит от того, насколько точно нам известно его начальное состояние (предсказуемость I рода)[2], и от внешних воздействий на него в период, охватываемый прогнозом (предсказуемость II рода).

Для иллюстрации сказанного сравним предсказуемость климата с изменением состояния финансов некоего бизнесмена в течение ближайших трех месяцев. Размер его банковского счета через три месяца будет определяться суммой, находившейся на его счете сегодня, т. е. в начальный момент времени (аналог предсказуемости I рода), а также доходами и расходами в эти три месяца, как плановыми, так и, возможно, неожиданными. Произвести калькуляцию плановых операций, как правило, не трудно, хуже, когда возникают незапланированные («внешние») обстоятельства (аналог предсказуемости II рода). Последствия таких внешних обстоятельств могут быть как незначительными и кратковременными, так и существенными, приводящими к банкротству.

При реальном прогнозировании изменений климата мы всегда знаем лишь его приближенное начальное состояние, а о многих будущих внешних воздействиях нам ничего не известно. Например, невозможно предвидеть где, когда и какой силы будут извержения вулканов в 2020 г. Здесь мы подходим ко второму важному аспекту: прогноз представляет собой оценку изменений климата под действием «неслучайных» процессов («калькуляцию плановых операций» в вышеприведенном примере). Однако случайные процессы могут весьма заметно исказить эту оценку! И тут на помощь приходит математическая статистика. В частности, продолжая пример с вулканическими извержениями, отметим наличие баз данных, содержащих информацию об их ежегодном количестве, месте, размере и химическом составе вулканических выбросов, а также оценки воздействия этих выбросов на климат, в первую очередь на температуру воздуха. Тогда предположив, что вулканическая активность в 2020 г. будет близка к средней за последние десятилетия, мы можем внести коррективы в оценку будущего изменения климата. Однако в реалиях вулканическая активность 2020 г., вероятно, окажется несколько отличной от такой средней величины.

А потому любой климатический прогноз представляет собой оценку наиболее вероятного изменения климата. Чтобы дать представление о менее вероятных, но вполне возможных отклонениях от такой оценки, одновременно указываются пределы погрешностей климатического прогноза.

Разумеется, рано бить в литавры – вероятность ошибочности климатического прогноза достаточно велика. Во-первых, человеку, как известно, свойственно ошибаться. Он может недооценить или переоценить масштабы какого-либо явления или его интенсивность или банально «потерять» нолик в расчетах. Во-вторых, еще замечательный французский математик Пьер Лаплас однажды сказал: «То, что мы знаем, – ограничено, а то, чего не знаем, – бесконечно». Поэтому незнание каких-то законов природы на современном этапе развития науки может временно привести нас к неверным умозаключениям. При всем при этом необходимо понимать, что успешное прогнозирование изменений климата имеет исключительную важность, так как с оглядкой на предполагаемое его состояние уже сегодня принимаются многие хозяйственные и политические решения.

Итак, надеемся, вы почувствовали разницу между понятиями «погода» и «климат». Оставим заботы о состоянии погоды Гидрометцентру и продолжим наш рассказ о климате.

Глава вторая

Система, без которой нам не жить

Природа во всем действует постепенно, и больше тайно, чем открыто. Отношения и влияния здесь глубже и проще, чем кажутся при своем разнообразии, простираются удивительно далеко и чреваты последствиями.

К. Риттер

Климатическая система земли

По состоянию какой части природной среды люди судят о климате? Попробуйте с таким вопросом обратиться к случайному (расположенному к диалогу) прохожему. Почти наверняка его ответ будет кратким и безапелляционным: «Конечно, атмосферы!» Аргументы? – «Они очевидны. Температура, влажность, давление какой субстанции характеризуют климат? Атмосферного воздуха. Ветер – результат движения атмосферных воздушных масс. Ареал носителей осадков – облаков – снова атмосфера!» А температура воды в ближайшем водоеме, например в озере? – «Что ж, в купальный сезон это тоже немаловажно: озеро – не бассейн с подогревом, вода в нем нагревается опять же через атмосферу…». Если подходить с позиций обывателя (в изначальном, не уничижительном смысле этого слова), так оно и есть. Он, обыватель, имеет полное право не вникать в «климатологическую кухню», а пользоваться информацией, «приготовленной» специалистами. Но наш-то с вами путь лежит прямо на эту самую «кухню».

Достаточно очевидно, что климат тесно связан с особенностями границы атмосферы и поверхности Земли – подстилающей поверхности (суши с различными видами растительности и рельефа, океанами, морями и реками). Будет климат «сырым» или «сухим» зависит от близости водоемов или пустынь, свою специфику имеет горный климат и т. д. Климат – продукт целой системы. Природную среду, в которой мы живем и в которой формируется климат нашей планеты, обычно называют климатической системой Земли.

Климатическая система включает в себя не только атмосферу, но и гидросферу (все океаны, моря, озера, реки), и литосферу (сушу), и криосферу (снег, морской и горный лед, а также лед, содержащийся в материковых щитах Гренландии, Антарктиды и полярных островов, и, кроме того, «вечную мерзлоту», захватывающую, представьте, ²/3 российской территории), и, наконец, биосферу, объединяющую все виды живого. Все эти составляющие климатической системы находятся в тесной связи друг с другом, обмениваясь энергией и массой.

Классическим примером такого обмена служит круговорот воды в природе. Благодаря способности к фазовым переходам, вода присутствует в климатической системе в разных ипостасях. Водяной пар и мельчайшие облачные частицы являются «полномочными представителями» воды в атмосфере, снег и лед выполняют ту же роль в криосфере, гидросфера по самой своей сути – царство воды, даже тела многих живых организмов в значительной степени (человека – на 70–80 %) состоят из воды. Каждый фазовый переход сопровождается потреблением или выделением тепла (энергии); при этом общая масса воды во всей системе сохраняется, но происходит перераспределение масс в ее составляющих (рис. 5 и рис. 1 цветной вклейки).

Рис. 5. Составляющие климатической системы Земли и их взаимосвязи

Составляющие климатической системы существенно различаются по массе: масса атмосферы, оцениваемая примерно в 5,3·10¹⁵ т, меньше в 5 раз массы слоя грунта толщиной 10 м, в 15 раз уступает массе поверхностного слоя океана толщиной 240 м. Еще разительнее соотношение их суммарных теплоемкостей – 1(атмосфера): 11(грунт): 70(океан). Теплоемкость, как известно, есть мера тепловой инерции вещества. Каждому из нас случалось наблюдать, как летним вечером после захода Солнца раскаленный воздух довольно быстро становится прохладным, в то время как вода в небольшом водоеме вплоть до следующего восхода остается почти такой же теплой. Сказывается то обстоятельство, что вода сохраняет тепло в 4–5 раз эффективнее, чем воздух, т. е. обладает большей, чем воздух, теплоемкостью. Поэтому нет оснований удивляться тому, что 240-метровый поверхностный слой океана, превосходя в 15 раз по массе атмосферу, приблизительно в 70 раз лучше сохраняет тепло. Грунт также обладает большей теплоемкостью, чем воздух, хотя здесь разница заметно меньше.

Выбор 10-метрового слоя грунта и 240-метрового слоя океана не случаен – именно такие слои участвуют в сезонном энергообмене (летний нагрев и зимнее их охлаждение) с атмосферой.

Самые «тяжелые» сегменты климатической системы – глубинный океан с массой в 240 масс атмосферы и теплоемкостью, превышающей атмосферную в тысячу раз, и материковые льды, которые в 5,4 раза тяжелее атмосферы и обладают теплоемкостью в 11 раз выше атмосферной.

Прямым следствием сказанного является то, что океаны, моря и материковые льды образуют медленно меняющиеся составляющие климатической системы, а атмосфера, поверхность суши и морские льды с относительно малой массой и низкой теплоемкостью находятся в ряду быстро меняющихся сегментов системы. Характеристикой таких изменений служит так называемое время релаксации, т. е. время перехода и установления нового климатического режима при изменении внешних условий. Меньше всего оно у атмосферы – недели и месяцы, а также у поверхностного слоя океана – годы и десятилетия. У материковых льдов из-за больших затрат тепла на таяние время релаксации составляет тысячелетия, но в настоящий период потепления климата наблюдается заметное ускорение этого процесса в ледниках Гренландии и отчасти Антарктиды, что чревато сокращением времени релаксации (исчезновения) до нескольких столетий.

Изменения климатических режимов с периодами в несколько десятилетий происходят в атмосфере, биосфере, на поверхности суши и океана, отчасти «тревожа» материковые льды, однако они не захватывают глубинный океан. Только ледниковые периоды прошлого отражались на всех составляющих климатической системы и даже на верхнем слое земной коры – астеносфере, которая «проседала» под тяжестью больших ледниковых щитов Евразии и Северной Америки.

Понятно, что для описания и количественных оценок взаимодействий между всеми этими сегментами климатической системы необходимо значительное число соответствующих характеристик. Поэтому физических величин, характеризующих текущее состояние климатической системы, насчитывается несколько десятков. Лишь немногие из них (температура воздуха и водоемов, скорость и направление ветра, давление воздуха и осадки) представляют повседневный интерес для обычного человека. Но для специалистов – и синоптиков, и климатологов – не менее важны: положение областей низкого и высокого давления воздуха, наличие или отсутствие облачности, типы и толщина облаков, отражательная способность (альбедо) поверхности, уровни солености и кислотности морской воды, ее температура и многие другие показатели.

С тех пор как получение значений таких показателей посредством спутникового мониторинга стало рутинной процедурой, на головы специалистов регулярно сваливаются мегабайты необходимой им информации. С одной стороны, еще пару десятилетий назад об этом можно было только мечтать, но, с другой, в таком потоке чисел трудно не «утонуть». К счастью, в климатических исследованиях каждое число – результат замера высокочувствительного датчика – не имеет большой самостоятельной ценности, но важно в ряду себе подобных.

Поясним эту несколько заумную фразу на простом примере. Допустим, на метеостанции в течение часа произведено 10 замеров скорости ветра, которые дали следующие результаты:

В какие-то моменты ветер усиливался, в какие-то даже менял направление на противоположное, а общий разброс значений достигал 10,3 м/с. Однако если в нашу задачу не входит анализ его флуктуаций, а интересна лишь общая характеристика за весь час, то резонно использовать в качестве таковой среднее арифметическое всех приведенных замеров. В нашем примере оно равно 2,9 м/с. Два отрицательных значения, несомненно, не отражают превалировавших в этот час тенденций, но дают свой вклад в среднее значение за час (без них среднее из восьми положительных скоростей составляло бы 3,16 м/с, т. е. возросло на 9 %).

В отличие от рассмотренного примера, длина ряда спутниковых измерений выражается числом со многими нулями, так что возможность осреднять данные оказывается «спасательным кругом», который позволяет климатологам «держаться на плаву» в этом океане чисел. Разумеется, вычислением среднего арифметического обработка поступающей информации не ограничивается – используется весь арсенал методов математической статистики.

К сожалению, далеко не все климатические параметры можно непосредственно измерить, и для их получения приходится применять специальные методы (так называемое решение обратных задач), основанные на знании газовых законов, законов оптики атмосферы и др. При этом неизбежны погрешности в значениях таких параметров, устранить или хотя бы уменьшить которые также помогает математическая статистика.

В климатической системе Земли существуют две основные периодичности: суточная (вращение Земли вокруг своей оси) и сезонная (вращение Земли вокруг Солнца), и эти периодичности формируют распределение основных климатических характеристик в пространстве и времени (см. рис. 2 цв. вклейки). Для упорядочения и систематизации этих характеристик часто прибегают к уже знакомому нам усреднению по однородным регионам и интервалам времени, обычно связанным либо с указанными периодичностями (среднесуточные, среднегодовые значения), либо с частями этих периодов (средние часовые, среднемесячные и среднесезонные величины). Среди перечисленных особо выделим месячные осреднения как в некотором смысле естественные: в природе существуют колебания, период которых близок к 30 дням. (Отчасти такие колебания могут быть обусловлены лунными периодами – «лунными месяцами».)[3] Этот факт «узаконивает» широко распространенные месячные осреднения почти всех климатических величин в публикациях и архивах данных измерений. Анализ периодичности флуктуаций температуры нижней атмосферы показал, что их довольно четко можно разделить на флуктуации с периодами меньше месяца (синоптические) и больше месяца (до полугода) соответственно.

Не секрет, что всеобщий интерес вызывают в первую очередь события и явления, суть которых до конца неясна, а развитие проистекает у всех на глазах. Именно таковы климатические явления. Если бы климат не изменялся, едва ли он интересовал бы нас больше, чем упоминавшийся прогноз погоды жителей Мальдивов. Да и неразгаданных загадок у климатической системы осталось великое множество. (В данном случае под изменениями климата подразумевается устойчивая тенденция к изменению какой-либо из его характеристик за длительный промежуток времени.) Как мы уже знаем, увеличение среднегодовой среднеглобальной температуры приземного воздуха на 0,7 °C с начала ХХ века до настоящего времени дало основание говорить о глобальном потеплении, повлекшем попутно изменения и других климатических характеристик. Существующие же относительно кратковременные изменения будем рассматривать как колебания климата. К этой категории можно отнести и сезонные изменения климатических характеристик, и происходящую раз в два-три года (квазидвухлетнюю) смену направления переноса воздуха в экваториальной стратосфере (на высотах 15–50 км) с запада на восток или обратно, и периодическую перестройку температуры поверхности океана и циркуляции нижней тропосферы (на высотах до 15–17 км) в тропической зоне Тихого и Индийского океанов (явление Эль-Ниньо).

Влияние на текущее состояние климата могут оказывать и некоторые непериодические явления природы, в частности крупные извержения вулканов, сопровождающиеся забросом значительной массы газов и аэрозолей (пепла) в стратосферу. Как показывают измерения, продолжительность их воздействия составляет от одного года до трех лет.

Итак, отдельные части климатической системы Земли постоянно эволюционируют и взаимодействуют друг с другом.

Давайте поговорим об этом подробнее.

Глава третья

На земле, в небесах и на море

Все течет. Все меняется.

Гераклит (предположительно)

Что происходит внутри климатической системы

Земля, воздух, вода – три стихии, от состояния которых зависит и качество нашей жизни, и само ее существование. Они же (в большей степени – воздух, т. е. атмосфера, в меньшей – остальные) воплощают в нашем сознании климат и его изменения. Это ли не основание приглядеться к ним повнимательнее!

Океан

«Земля» в русском языке не только название планеты, но и синоним суши, почвы, грунта. Тем самым как бы подчеркивается точный адрес «места жительства» человеческой цивилизации. Однако если бы имя нашей «голубой планете» давал астроном-инопланетянин, скорее всего он назвал бы ее «Океан»: как-никак 70,8 % поверхности Земли (60,6 % в Северном полушарии и 81 % в Южном) покрыто водой.

Как уже говорилось, океан лидирует в климатической системе по массе и теплоемкости, а значит, и по роли в долговременных изменениях всей системы. Океан является основным энергоаккумулятором климатической системы, забирающим дополнительную энергию Солнца в теплое полугодие (в каждом полушарии свое!) и отдающим энергию в атмосферу в холодное полугодие. В этом океан подобен аккумулятору автомашины: как она не заводится без аккумулятора, так и климатическая система «не работает» без постоянного участия океана.

Подсчитано, что не будь на Земле океана, средняя температура ее поверхности была бы -21 °C, т. е. на 36 °C ниже существующей.

В отличие от атмосферы – единого слоя на земном шаре, Мировой океан состоит из четырех крупных сосудов – океанов: Тихого, Индийского, Атлантического и Северного Ледовитого. Иногда еще выделяют Южный океан – южные части Тихого, Индийского и Атлантического океанов, примыкающие к Антарктиде. Он соединяет все эти «сосуды» в одну систему – Мировой океан. Основные характеристики каждого из океанов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики океанов

^* Средняя глубина Мирового океана – ~3700 м.

^** Средняя приповерхностная температура вод Мирового океана – 17,5 °C

Ежегодно с поверхности океанов испаряется пласт воды толщиной около одного метра и примерно столько же воды возвращается в океан в виде осадков и стока с поверхности суши.

Морская вода представляет собой раствор 44 химических элементов; если всю морскую соль распределить в сухом виде по поверхности суши, образуется слой толщиной почти 150 м!

Средняя соленость воды Мирового океана составляет 35 г/кг (т. е. в 1 кг воды содержится около 35 г солей), в тропических морях она доходит до 42 г/кг, а наименьшие ее значения – в устьях крупных рек.

Океаны – сосуды сообщающиеся, и при их обмене водами происходит обмен теплом, который определяет региональный и глобальный климат.

Все океаны имеют свою специфику, поэтому кратко остановимся на их особенностях (см. рис. 3 цв. вклейки).

Начнем с Северного Ледовитого океана – по размерам самого маленького, но самого близкого и важного для нас, для России. Он имеет, по существу, один канал связи с Мировым (Атлантическим) океаном – через пролив Фрама и Гренландское море. Узкий и мелкий Берингов пролив не в счет: он не обеспечивает заметного водообмена между Северным Ледовитым и Тихим океанами. Части Северного Ледовитого океана, находящиеся в западном и восточном полушариях, различны: в восточном – более мелкая его часть от Норвежского моря до Берингова с цепочкой морей, разделяемых известными островами: от Шпицбергена до острова Врангеля. В моря между этими островами северные реки России выносят много относительно теплой пресной воды. На западное полушарие приходится север Гренландии и значительные по площади острова Канадского архипелага, продвинутые на север дальше островов Восточного сектора Северного Ледовитого океана. Здесь глубины океана больше и нет значительных рек, «согревающих» данный сектор.

Основная особенность Северного Ледовитого океана – морские льды, постоянно образующиеся, переносимые ветрами и морскими течениями и постепенно тающие. Общая площадь льдов Северного Ледовитого океана сильно меняется по сезонам с максимумом в марте (в холодное время года льдами покрыто около ⁹/₁₀ его площади) и минимумом в сентябре. Амплитуда этого сезонного изменения значительно больше в Восточном секторе и имеет тенденцию к росту в последние десятилетия.

Морские льды – «одеяло», затрудняющее поступление тепла из океана в холодную полярную атмосферу. Основной поток этого тепла поступает через разрывы льдов – полыньи, быстро меняющиеся по форме и местоположению в зависимости от дрейфа (переноса) морских льдов ветрами. Уменьшение площади льдов в Восточном секторе Северного Ледовитого океана усиливает там прогрев атмосферы океаном и еще больше сокращает эту площадь, что и отмечается наблюдениями в последние годы.

Атлантический океан связан с Северным Ледовитым океаном, он главный «организатор» глобального океанического конвейера (см. рис. 4 цв. вклейки) и формирователь погоды и климата Европы и большей части России. В его северной части образуется система дрейфовых течений, начинающаяся с экваториальных переносов поверхностных вод на Запад. Эта система производит переносящий 75 млн т воды в секунду Гольфстрим («поток из залива»). Гольфстрим – не единственный водный переносчик тепла из тропиков. Аналогичное течение Куросио (переносит 65 млн т воды в секунду) находится у берегов Японии, а холодные Камчатское и Лабрадорское течения охлаждают соседние регионы.

Системы дрейфовых течений поверхностных вод в Атлантике (и в других океанах) образуются под действием ветров постоянной силы и направления (пассатов, с ними мы еще встретимся). Такие течения служат главными переносчиками тепла и холода между тропиками и другими широтами и наблюдаются во всех океанах.

Однако в Атлантике основное значение для климатической системы имеют так называемые термохалинные (теплосолевые) течения – основа глобального океанического конвейера. В северной части океана поверхностные воды охлаждаются, опускаются в его придонный слой и движутся вдоль дна на юг, давая начало главной ветви глобального океанического конвейера. В южной Атлантике эти воды поступают в систему глубинных потоков Южного океана и заносятся с ними в Тихий и Индийский океаны. В ряде мест, в основном в субтропических и тропических широтах, данные глубинные холодные воды поднимаются к поверхностному слою и образуют так называемые зоны апвеллинга (upwelling, от англ. well – колодец). Здесь холодные глубинные воды, богатые химическими элементами, служат питательной средой для морской биоты (живых существ), а потому именно в этих местах преимущественно ведутся морские промыслы. В меньшей степени опускание на дно холодных поверхностных вод происходит в Южном океане у берегов Антарктиды, и они также поступают в глобальный океанический конвейер.

Тихий (Великий) океан – самый большой по площади и объему вод и соответственно по вкладу в массу и теплоемкость климатической системы. Важная особенность этого океана – система непериодических колебаний температуры поверхностных вод и нижней тропосферы в его тропической зоне – Эль-Ниньо (фаза Южного колебания), которое было изучено (не до конца!) сравнительно недавно. Название этого явления (Эль-Ниньо) происходит от испанского El Nino – мальчик, малыш, так как оно начинается в заметном объеме в конце года во время католического Рождества. Случается это не каждый год, а через промежутки в 2–5 лет с разной интенсивностью и продолжается весь следующий год, а иногда и дольше.

Зарождается Южное колебание в восточной части Тихого океана у берегов Перу. В обычных условиях в этом регионе властвует холодное Перуанское течение, несущее воды с юга на север. Вблизи экватора течение становится зональным, прогреваемый поверхностный слой воды, благодаря постоянно действующим пассатам, смещается в западном направлении (рис. 6). Здесь же имеет место апвеллинг — подъем холодных, богатых питательными веществами вод, что создает предпосылки для мировых рекордов вылова рыбы (анчоуса).

С наступлением Эль-Ниньо возникает температурная аномалия поверхностного слоя приэкваториальной части Тихого океана – температура повышается примерно на 0,5–1 °C. Одновременно ослабевают пассаты, и не подверженный их воздействию теплый поверхностный слой «растекается» и охватывает все большую площадь. В перуанскую акваторию с запада приходят теплые воды, отчасти подавляя апвеллинг. Как следствие, в этом регионе нарушается бесперебойное поступление планктона, возникает дефицит пищи для рыб и соответственно падают уловы. Обычно засушливый климат на западном перуанском побережье на время действия Эль-Ниньо резко меняется: приход с запада влажных воздушных масс сопровождается интенсивными осадками, ливнями. В Индонезию, напротив, Эль-Ниньо приносит засушливую погоду (рис. 6).

Рис. 6. Схема явления Эль-Ниньо. Тропическая часть Тихого океана при «нормальных» условиях (а) и при наступлении Эль-Ниньо (б).

Современные исследования показывают, что влияние Эль-Ниньо сказывается также в Африке и в Атлантике, но уже в меньшей степени. Вообще же в последние годы стало «модным» приписывать влиянию Эль-Ниньо изменения климатических величин в самых разных уголках земного шара, однако делать заключения о том, насколько справедливы такие выводы, в условиях недостаточной изученности данного явления, преждевременно.

В другой фазе Южного колебания – Ла-Ниньо (от испан. La Nina – малышка, девочка) – температура поверхностного слоя океана мало отличается от ее среднего значения в этом регионе. В отсутствие Эль-Ниньо над Индонезией расположена область пониженного давления, поэтому уровень Тихого океана здесь выше, чем над западным побережьем Перу. Это обстоятельство позволяет характеризовать явления Эль-Ниньо и Ла-Ниньо с помощью индекса Южного колебания (ЮК). Этот индекс представляет собой разность средних величин приземного давления воздуха в Дарвине (Австралия) и на о. Таити (или Кальяо, Перу). Отрицательные его значения соответствуют фазе Эль-Ниньо, а положительные – фазе Ла-Ниньо.

Индийский океан находится в основном в Южном полушарии. В нем есть два крупных острова – Цейлон и Мадагаскар. Известен Индийский океан главным образом муссонной циркуляцией на полуострове Индостан.

Муссонная циркуляция – часть общей циркуляции атмосферы, характеризующаяся муссонами – достаточно устойчивым режимом ветра с определенным преобладающим направлением с материка на океан и обратно в зимний и летний сезоны соответственно.

Значение данного явления для большого населения Индостана хорошо известно, менее «на слуху» значительные межгодовые колебания интенсивности осадков, приносимых летним муссоном, а также крупные погодные катастрофы (наводнения, засухи), происходящие на берегах этого океана.

Южный океан имеет особую циркуляцию вод и выполняет роль канала водообмена между «главными» океанами. В Южном океане нет препятствий течению вод в зональном направлении, вдоль кругов широты. Это самое мощное во всем Мировом океане Циркумполярное, или Антарктическое, круговое течение, обусловленное сильными и устойчивыми западными ветрами. Оно охватывает зону в 2500 км по ширине и километровые толщи по глубине, пронося каждую секунду около 200 млн т воды (для сравнения: крупнейшая река мира Амазонка несет лишь около 220 тыс. т воды в секунду). Такой перенос и обеспечивает водообмен между океанами, он также занимает важное место в «конвейере».

Несколько слов о вертикальной структуре океанических вод. Принято разделять толщу океана на два слоя. Верхний квазиоднородный слой имеет почти постоянные по глубине температуру и соленость, так как он перемешивается ветрами и дрейфовыми течениями. Его толщина сезонно изменяется от минимальной в конце зимы (до 100 м) до максимальной (в несколько сот метров) в конце лета в средних и высоких широтах вне зон льдообразования и переноса айсбергов. В тропической зоне толщина верхнего квазиоднородного слоя почти постоянна во времени. Соленость верхнего квазиоднородного слоя достаточно изменчива как во времени, так и в пространстве, она зависит от выпадения дождей и от испарения с поверхности океана, прежде всего в тропиках, а также от приноса больших масс пресной воды реками и стоками с населенных берегов.

Ниже верхнего квазиоднородного слоя располагается так называемый слой термоклина переменной толщины (до 1,0–1,5 км), где температура воды достаточно быстро падает от температуры верхнего квазиоднородного слоя до постоянной для глубинных вод величины в несколько градусов Цельсия. Столь низкая температура этих вод кажется непонятной: за многие миллионы лет существования Земли прогретые Солнцем воды верхнего слоя океана должны были бы при перемешивании с глубинными увеличить близкую к нулю температуру последних. Причина такой низкой температуры глубинного океана кроется в том же глобальном океаническом конвейере: его температуру регулярно поддерживают холодные поверхностные воды Северной Атлантики, опускающиеся в глубинные воды Мирового океана. Имеет место устойчивое расслоение этих вод (внизу холодные, соленые и тяжелые, выше – менее соленые, более теплые), мешающее вертикальному водообмену. Подъем глубинных вод в зонах апвеллинга происходит в основном по динамическим причинам, в том числе в результате взаимодействия морских течений с донным рельефом.

В настоящее время особое внимание в мире вызывает рост уровня Мирового океана, что самым непосредственным образом «задевает» прибрежные регионы материков и острова, обычно густонаселенные, промышленно и экономически развитые. Для ряда малых островных государств на коралловых атоллах Тихого и Индийского океанов рост уровня воды ставит вопрос о возможности их существования в ближайшие десятилетия, поэтому представители этих малых стран – наиболее активные борцы с глобальным потеплением.

Во всех прогнозах изменений климата ожидаемый рост уровня Мирового океана занимает центральное место, но точность и надежность этих цифр пока невелика. В ХХ веке данная скорость оценивалась в 1,7 ± 0,5 мм/год, но для последнего периода с использованием спутниковых измерений она определяется величиной 3,1 ± 0,7 мм/год, и пока неясно, как согласуется эта оценка с предыдущей.

Вклад термического расширения воды в эти оценки измеряется 25 % до 1990-х гг. и почти 40 % для последних десятилетий. Остальную часть данного роста составляет приток воды от таяния ледников – как горных на материках и полярных островах, так и (в большей мере) ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды. В последние годы для оценки состояния этих щитов начали использоваться спутниковые замеры их высоты и площадей. Они показали значительное уменьшение массы ледникового щита Гренландии, а также Канадского архипелага.

Согласно данным спутников, только от происходящего в настоящее время таяния льдов Гренландии и Антарктиды уровень океана может вырасти на 15 см к 2050 г. Указанные выше оценки скорости подъема уровня океана являются глобально средними, в регионах эти скорости могут отличаться в разы.

Так, повышенные скорости роста отмечаются у восточного побережья Северной Америки и Австралии. Заметный вклад в этот рост вносят также стоки вод с поверхности суши, особенно в регионах с интенсивно развивающейся промышленностью и большим населением.

Измерения температуры верхнего слоя океана до глубины 700 м и ниже показали заметный рост теплосодержания за период с начала 1990-х гг. до 2009 г., причем темп этого роста близок к скорости увеличения содержания парниковых газов. Ввиду большей теплоемкости воды по сравнению с грунтом суши, температура воды в верхнем слое океана в среднем выросла на сотые доли градуса, а не на десятые, как на суше.

Каким образом эти пока незначительные изменения в океане могут отразиться на его динамике, на характере морских течений, определить трудно – наблюдений пока очень мало. Немногие модельные исследования указывают на возможные перестройки и самого глобального океанического конвейера, снижение его водооборота. По имеющимся палеоклиматическим данным, подобное уже происходило после окончания последнего ледникового периода. Тогда большое «озеро» талой воды с материка Северной Америки вылилось в Северную Атлантику, остановило опускание легких пресных поверхностных вод в глубины соленого океана, привело к сбоям в работе глобального конвейера и поспособствовало наблюдавшемуся похолоданию в Северном полушарии.

Ряд недавних модельных исследований показал, что значительное опреснение поверхностных вод Северной Атлантики может достаточно быстро (в масштабах изменений глубинных течений в океане, за одну – три тысячи лет) «закрыть» опускание поверхностных вод в этом регионе, а с ним становится возможной остановка глобального океанического конвейера. В таком случае, согласно модельным исследованиям, вероятны уход Гольфстрима из северо-западной Европы к Средиземному морю, общее охлаждение Западной Европы и прочие катастрофы.

Восстановление обычного режима вышеупомянутого опускания поверхностных вод северной Атлантики, согласно указанным моделям, может произойти после их усиленного засоления до уровней несколько больших, чем современные. Некоторое «распреснение» поверхностных вод региона возможно в результате таяния ледников Гренландии и Канадского архипелага, а также из-за усиления осадков в регионе при общем потеплении.

Надо сказать, что труднодоступный глубинный океан и его динамика стали систематически изучаться сравнительно недавно, фактически с середины ХХ века, и потому сведения о них пока далеко не полные. В этом смысле атмосфере «повезло» значительно больше.

Атмосфера

В последнее время – с начала эры спутникового мониторинга – банк атмосферных данных пополняется регулярно и очень интенсивно. В первую очередь это касается нижних слоев атмосферы – тропосферы и стратосферы. Но если исторически сложившееся разделение Мирового океана на четыре (или пять) частей довольно естественно, то аналогичное разбиение вроде бы однородной атмосферы может вызвать недоуменные вопросы. Для того чтобы устранить эту неясность, посмотрим как изменяется температура воздуха с высотой: сначала она падает, на некотором уровне достигает своего минимума, а выше – уже растет.

Именно поведение температуры лежит в основе разделения атмосферы на высотные слои. Нижний слой, где температура с высотой убывает, – тропосфера, а тот, где ее убывание сменяется ростом, – стратосфера. Границу их раздела называют тропопаузой.

Высота тропопаузы неодинакова над различными областями земного шара: в тропиках и у полюсов она составляет примерно 15–17 и 8–10 км соответственно, а среднеглобальной величиной считается высота в 12 км. Характерные скорости перемещения воздушных масс выше, чем скорости в Мировом океане, и по динамичности атмосфера занимает первое место в климатической системе. Направления движения основных крупных воздушных потоков – движений планетарного масштаба – представлены на рис. 5 цв. вклейки.

Далее этот рисунок будет дополнен рассказом об основных атмосферных движениях меньшего масштаба (к таковым относятся, к примеру, местные движения воздуха, скажем, ветры, дующие с моря в прибрежных районах). Здесь лишь добавим, что перенос воздушных масс вдоль меридианов описывают обычно тремя ячейками – Хэдли (в тропиках), Феррела (в средних широтах) и полярной.

Что такое ячейки? Теплый воздух поднимается и одновременно движется от экватора к полюсам. На высоте он остывает, опускается в приземный слой, где снова нагревается, и опять устремляется вверх (продолжая переноситься к полюсам). Такой цикл повторяется трижды, это и есть три вышеуказанные ячейки. Таким образом, возникает вертикальный цикл движения воздушных масс, названный ячейкой атмосферной циркуляции.

Атмосфера находится под непрерывным контролем метеослужб и специальных научных экспедиций. По результатам измерений составляются специальные обзоры. Например, в обзоре Дж. Хансена с соавт.[4] использованы и проанализированы данные сетей измерений приземного воздуха, состоящих примерно из 7 тыс. станций, расположенных на материках, островах и на кораблях, полученных в период с 1880 по июнь 2010 г. Произведены тщательный отбор и анализ данных при разных способах сочетания наземных и океанических результатов измерений. При этом специальным образом учитывался вклад измерений на станциях, расположенных в крупных городах или их окрестностях, где влияние «островов тепла» может исказить репрезентативность фоновых данных, ведь, как известно, температура в центральной части крупного города, как правило, на несколько градусов выше, чем вне его границ. Зимой это связано с обогревом зданий, работой заводов и фабрик и наличием подземных коммуникаций, которые до некоторой степени «обогревают» атмосферу, а также с тем, что энергия ветра, по мере приближения к центру города, все больше «гасится» зданиями. Таким образом, срабатывает локальный источник тепла, а распространение этого тепла от центра происходит относительно медленно (но все же происходит). Летом таким источником тепла может также служить, например, разогрев асфальта на солнцепеке. Отмечено, что при учете всех искажений и введении необходимых поправок получается достоверная картина среднегодовых отклонений температуры воздуха у поверхности (?T_S) в ХХ веке (от средней в период 1961–1990 гг.) с минимумом 0,3–0,4 К (в метеорологии принято использовать именно градусы Кельвина) в 1910 г., максимумом в 0,03 К в 1940–1945 гг., малыми изменениями – в 0,02 К в 1950–1975 гг. и последующим ростом до 0,6 К к 2010 г. Данные измерений на суше и в океане хорошо согласуются между собой, скорость роста усредненных значений ?T_S остается примерно постоянной в последние 30 лет. В то же время в некоторых регионах отмечены кратковременные отклонения, часто связанные с явлениями ЭльНиньо – Ла-Ниньо, наиболее сильные в 1998 и 2010 гг.

В разных регионах происходят заметные отклонения от общего роста ?T_S, чаще в океаническом Южном полушарии, где наблюдается отставание роста температуры поверхности T_S по сравнению с Северным полушарием. Величина тренда (скорости изменения) T_S в целом выше на станциях, расположенных внутри больших участков суши (материков) по сравнению с прибрежными или островными станциями. Причина этого понятна: большая теплоемкость воды по сравнению с воздухом и почвой суши, тоже «пронизанной» воздухом. Более теплоемкие части акватории отбирают тепло из воздуха и подстилающей поверхности и медленнее повышают свою температуру и температуру прилежащего воздуха.

Потепление климата в регионе часто выражается в увеличении числа и интенсивности «волн тепла» в летний период, а также в снижении числа и интенсивности «волн холода» в зимний период. Такая тенденция достаточно часто наблюдается в период глобального потепления. При этом летние «волны тепла» приводят к появлению большего числа смертей и ущерба, чем зимние «волны холода», – ситуация, идентичная с энергозатратами на кондиционирование и обогрев воздуха в помещениях.

В период глобального потепления наблюдаются сдвиги по широте некоторых атмосферных характеристик. Так, отмечается смещение на север путей циклонов, перемещающихся на Западную Европу и Европейскую Россию с Северной Атлантики. Это способствует усилению циклонической погоды в Северной Европе и в России в зимнее время и, как следствие, учащению теплых зим с обильными осадками. Циклоны несут в регионы России тепло и влагу с северной части Атлантики. Отмечено также смещение к полюсам границ тропической зоны (ее расширение). С начала систематических спутниковых слежений в 1979 г. до середины первого десятилетия XXI века зона субтропиков Северного полушария продвинулась на север на 5–8° широты. При этом сухая зона субтропиков, прилежащая к тропику Рака[5] с севера, сдвигается на южную часть сельскохозяйственной зоны средних широт, что наносит ей заметный ущерб.

Все эти тенденции еще более ярко проявляются в прогнозах климатических изменений к середине и к концу текущего века, сделанных с использованием глобальных климатических моделей. Одновременно отмечается увеличение высоты тропической тропопаузы, происходят изменения в динамике (переносе) атмосферного озона, регистрируемые мировой озонометрической сетью.

Суша и ледовый покров

Наиболее быстрые и заметные изменения на суше и в ледовом покрове океана происходили и происходят в высоких северных широтах. С начала XXI века ускорился процесс сокращения площади ледового покрова в Северном Ледовитом океане.

Недавно, 16 сентября 2012 г., было зафиксировано рекордно низкое значение площади арктического морского льда – 3,41 млн км² (пал предыдущий рекорд 2007 г., когда этот минимум составлял 4,17 млн км²). Для сравнения: среднее значение минимальной площади арктических льдов за период с 1979 по 2000 г. составляет 6,71 млн км².

Данное сокращение сопровождается еще более существенным уменьшением (на 10–20 %) доли многолетних льдов в их общей площади и является следствием как общего глобального потепления, так и отдельных факторов, воздействующих на арктический регион. В частности, увеличения выноса теплых пресных вод реками Евразии в океан и роста сажевого загрязнения снега и льда от сжигания топлива зимой, сильно снижающего их отражательную способность и усиливающего приток солнечной радиации в регион в полярный день. Это загрязнение способствует увеличению теплообмена между холодным полярным воздухом и поверхностными водами, имеющими небольшую положительную температуру, и тем самым еще более ускоряет таяние морских льдов. В более мелком и согреваемом выносом вод рек Евразии восточном секторе Северного Ледовитого океана такое таяние происходит значительно быстрее, чем в западном.

Очень заметно потепление Арктики на арктических островах и берегах, сложенных в основном из мягких грунтов, пронизанных ледяными «линзами» и «островками» мерзлой почвы.

Таяние в таких грунтах приводит к обвалу в воду береговых участков на значительных площадях, нарушению устойчивости элементов хозяйственной инфраструктуры в арктических регионах. Этого нельзя не учитывать в преддверии ожидаемого хозяйственного освоения богатых месторождений ископаемых в регионе.

Изменение климата отмечается и в средних широтах, на территориях с интенсивным антропогенным освоением.

Мегаполисы, промышленные и сельскохозяйственные регионы, орошаемые территории, водохранилища – все они создают вокруг себя отдельный, отличный от регионального климат, в котором ныне живет большинство населения развитых стран.

Например, в сельскохозяйственном производстве орошаемых регионов используют пониженную температуру и повышенную влажность воздуха для улучшения урожайности и комфортности проживания. «Острова тепла» в больших городах особенно хорошо заметны в холодный период: в центре города термометры показывают температуру города на 2–3, а иногда и 5 градусов выше, чем на окраинах, ветер в центре города также слабее; летом, например, при температуре +20 °C, более высокая температура (т. е. +22–23 °C) в центре почти не ощущается, но зимой разница очень заметна, например, – 23 °C с сильными порывами ветра на окраине – совсем не то, что -20 °C при небольшом ветерке или его отсутствии в центре. Однако закономерности формирования таких «островов» и их взаимодействия с климатом окружающего региона в близком и отдаленном будущем пока плохо обеспечены данными наблюдений, и это обстоятельство затрудняет прогнозирование и анализ этого феномена в модельных исследованиях. Можно лишь предположить, что по мере развития городских и промышленных агломераций погодно-климатические условия в них будут больше зависеть от структуры выбросов энергии самими агломерациями и меньше – от их климатических условий регионов их размещения.

Итак, наблюдения за природной средой дают представления о том, каким изменениям (далеко не всегда желательным) подвергались отдельные элементы климатической системы в недавнем прошлом. Очевидно, что подобные изменения будут происходить и в дальнейшем. Едва ли их можно предотвратить, но противостоять им в меру современного научно-технического обеспечения людям вполне по силам. А значит, напрашивается вопрос: что, как и в какой мере сказывается на климате Земли? Начнем с главного…

Глава четвертая

Солнце – «наше все»

Единственный Бог, на которого с научной точки зрения следует молиться землянам, – это Солнце.

Неизвестный автор

Воздействие на климатическую систему земли извне

«Из всех искусств для нас важнейшим является кино» – такова расхожая, правда не совсем точная, цитата из наследия вождя мирового пролетариата. В переложении для темы нашего разговора она могла бы гласить: из всех факторов, определяющих климат Земли, важнейшим является Солнце. Причем, в отличие от кино, Солнце не имеет в этом качестве достойных конкурентов.

О ключевой роли светила в жизни нашей планеты люди догадывались еще на заре человечества. Догадки сменились обожествлением Солнца и природных стихий (cм. рис. 7 цв. вклейки). Вряд ли в истории отыщется народ, не возведший Бога Солнца в Пантеон. А в ряде случаев ему был придан статус Верховного Бога (самый известный пример тому – египетский Ра). Исключительность Солнца зиждилась на понимании того, что именно оно обеспечивает людям тепло, свет и пропитание, одним словом, – жизнь. «Дарующим жизнь» и называли древние греки проживающего в окружении времен года Гелиоса. И кому же, как не всемилостивейшему и могущественнейшему Богу, выступать судьей над грешными людьми. Древние римляне почитали бога Соля как блюстителя справедливости, а древние египтяне связывали летний зной с гневом Ра на людей. Велик был соблазн погреться в лучах такого могущества (и погреть на нем руки) у сильных Древнего мира. И вот уже, как на дрожжах, растут и множатся «сыновья» (с «дочерьми» в ту эпоху было напряженно) Богов Солнца, правящие за себя и за «того бога». Ну чем не «сыновья лейтенанта Шмидта»?! В последующие века накапливаемые знания (слава Богам!) мало-помалу вытесняют слепые верования.

Еще в Древней Греции обратили внимание на то, что климат каждой территории прежде всего определяется средней высотой Солнца днем над горизонтом: на севере оно располагается ниже, на юге – выше. Интересно, что само слово «климат» происходит от греческого klima – наклон Солнца.

Греки делили Землю на широтные полосы – климаты. Сначала климатов было пять: северный холодный, северный умеренный, жаркий (где «кипит океан»), южный умеренный и южный холодный. Затем их число возросло: Гиппарх (ок. 180 или 190–125 гг. до н. э., к слову, тот самый, который ввел географические координаты) предложил рассматривать 12, а чуть позже Посидоний (ок. 135–51 гг. до н. э.) – 13 климатов. Однако все это «дела давно минувших дней, преданья старины глубокой».

Сегодня всестороннее теоретическое изучение процессов, происходящих на Солнце, и их влияния на климатическую систему Земли, подкрепляемое регулярными комплексными наблюдениями, идет полным ходом. Но, несмотря на безусловный и значительный прогресс в исследованиях солнечно-земных связей, неясностей, в том числе даже в основополагающих их принципах и механизмах, еще достаточно много. Показательно, что в вышедшем в 1997 г. в Великобритании учебнике климатологии[6] авторы называют «до сих пор не понятным чудом» способ транспортировки энергии Солнца через космическое пространство к атмосфере Земли. Нельзя не сказать об объективных сложностях, возникающих у специалистов при изучении как Солнца, так и климата нашей планеты. Дело в том, что эти специалисты (в отличие, скажем, от химиков) лишены возможности проводить исследования с помощью лабораторных экспериментов и вынуждены ограничиваться лишь натурными наблюдениями. Следовательно, крупные прорывы в этих областях знаний могут произойти или при накоплении большой базы данных и последующем ее анализе (диалектический закон перехода количества в качество), или в результате гениального озарения (помните известный конфликт между яблоком и головой Исаака Ньютона?). Базы данных сейчас пополняются постоянно и интенсивно, осталось дождаться, когда их «масса» превзойдет «критическую». Что же касается второго пути, то тут, понятно, что-либо предсказать невозможно, остается только надеяться… Может, таким открывателем окажется кто-то из наших читателей, увлеченный романтикой научного поиска.

И все же давайте вернемся к объекту повествования – Солнцу. Дабы показать масштабы зависимости от Солнца всего происходящего на Земле, приведем два факта. Дадим слово Г. Кинсу, представляющему фонд Desertec[7]: «За 6 часов пустыня Сахара получает больше энергии от Солнца, чем человечество тратит за год». Площадь Сахары составляет примерно 7 млн км². Для сравнения: площадь поверхности Земли около 509,5 млн км², т. е. Сахара занимает всего лишь примерно 1,4 % земной поверхности.

Вдумайтесь: для обеспечения годовой потребности в электроэнергии человечество прилагает титанические усилия, сопровождаемые колоссальными материальными затратами, ухудшением состояния природной среды и даже людскими потерями. А результат этих усилий соизмерим с энергией, получаемой относительно небольшим кусочком Земли за четверть суток!

Оговоримся, приведенное здесь сопоставление площадей не совсем корректно, так как не ко всем областям Земли Солнце одинаково щедро: на экваториальную зону приходится максимум энергии светила, а в качестве «бедных родственников» выступают полярные регионы (см. рис. 2 цв. вклейки). И все равно факт, согласитесь, впечатляет.

Второй факт можно условно назвать «украденное Солнце» (помните такое стихотворение К. И. Чуковского?). Лет 10–15 назад американские исследователи задались вопросом, как долго будет продолжаться циркуляция воздуха и океана на Земле, если Солнце вдруг «потухнет». Разница в потоках солнечной энергии к экватору и полюсам порождает различную степень нагрева там обеих субстанций – воздуха и воды. В соответствии с физическими законами для газов и жидкостей, давление в них на экваторе и полюсах оказывается неодинаковым, что вызывает перенос обеих субстанций, стремящийся это давление выровнять. Образуется система ветров и течений, другими словами, возникает циркуляция. Если же Солнце «выключить», приток энергии, естественно, станет всюду равным нулю, но энергозапас – инерция, в первую очередь океана – не позволит циркуляции немедленно прекратиться. Такую гипотетическую ситуацию и исследовали американцы, заложив соответствующие установки в климатическую модель. Согласно их расчетам, циркуляция климатической системы «продержалась на внутренних резервах» около трех месяцев, после чего остановилась. Вот такой запас прочности имеет наша климатическая система. К разговору об альтернативных источниках энергии (главным образом, электрической), равно как и о модельных исследованиях климата, мы еще вернемся. А пока…

Как мы уже знаем, климат местности напрямую зависит от того, сколько солнечной энергии достигает земной поверхности. В соответствии с законами физики, Земля, являясь серым телом[8], как поглощает энергию, так и излучает ее, и эти процессы определяют температуру подстилающей поверхности, а также земной атмосферы. Напомним, что Земля поглощает солнечное (часто именуемое коротковолновым) излучение с длиной волны (?), не превышающей 4 мкм[9], а излучает радиацию с длинами волн, большими 4 мкм. В среднем на каждый квадратный метр приходится поток солнечной энергии, равный 1370 Вт[10], эту величину называют солнечной постоянной. Если же мысленно построить сферу, проходящую по верхней границе атмосферы, то на 1 м² ее поверхности попадает приблизительно 343 Вт солнечной энергии. Примерно 31 % этого потока отражается атмосферой и подстилающей поверхностью и лишь около половины достигает поверхности Земли и поглощается ею (остальные 19 % поглощаются в атмосфере, главным образом, облаками). В свою очередь, земная поверхность испускает в атмосферу длинноволновое (тепловое) излучение. Если бы все это тепловое излучение беспрепятственно покидало атмосферу, то среднегодовая среднеглобальная температура воздуха у поверхности Земли была бы -19 °C, однако в действительности она составляет +14 °C! Комфортную добавку в 33 °C обеспечивает нам сопровождаемая выделением тепла способность атмосферы, точнее – ее некоторых газов и облаков, задерживать и поглощать уходящую длинноволновую радиацию (с длиной волны ? > 4 мкм). В свете сказанного обратим особое внимание на двоякую роль облаков в радиационном режиме системы «Земля – атмосфера»: с одной стороны, они сокращают приток солнечной радиации, отражая ее, с другой, благодаря поглощению ими солнечного и особенно длинноволнового излучения, столь существенен нагрев атмосферы. Преобладание одного из этих процессов над другим зависит от типа облаков, их плотности и высоты расположения.

Несложно сообразить, что в среднем за год количество энергии, полученной и отданной системой «Земля – атмосфера», примерно одинаково: ведь в противном случае среднегодовая среднеглобальная температура воздуха у подстилающей поверхности имела бы сохраняющуюся тысячелетиями тенденцию либо к регулярному увеличению, либо к регулярному уменьшению. Но с началом ХХ в. приборы стали фиксировать устойчивое возрастание средней температуры от десятилетия к десятилетию…

Какие же причины способны вызвать нарушение сложившегося веками баланса? Первое подозрение, очевидно, падает на нашего героя – Солнце или, говоря строго, на изменение потока солнечного излучения.

Солнце – гигантский (даром, что по астрономической градации – карлик), раскаленный, плазменный шар с эффективной температурой поверхности, равной 5770 К (напомним, что градус Кельвина – К равен более привычному нам градусу Цельсия, но шкала Кельвина сдвинута на 273,15 К, т. е. 273,15 К соответствуют 0 °C). Лишь ничтожная доля (около 5·10^-8 %) излучаемой им энергии достается Земле. Вещество Солнца находится в постоянном движении, на его теле регулярно возникают неоднородности – пятна, факелы, протуберанцы, случаются вспышки и т. д. Именно с неоднородностями, в первую очередь с пятнами, связана солнечная активность – изменение потока его излучения.

Наличие на Солнце пятен было замечено людьми очень давно: авторы, освещающие эту проблему, обожают приводить выдержку из древнерусских хроник о том, как «сквозь дым лесных пожаров люди видели “темные пятна, аки гвозди”», считавшиеся дурным предзнаменованием. В начале XVII в. Г. Галилей впервые направил на Солнце свое изобретение – телескоп, положив начало наблюдениям за Солнцем, а с середины XIX в. такие наблюдения ведутся на ежедневной основе. Еще раньше (с 1749 г.) приступили к регулярным наблюдениям солнечных пятен в Цюрихской обсерватории, благодаря чему сегодня имеется ряд измерений солнечных пятен длиной в 260 лет.

С целью охарактеризовать текущее состояние светила, швейцарский астроном Р. Вольф (1816–1896) предложил использовать относительное число солнечных пятен, получившее впоследствии его имя. Число Вольфа определяется как сумма удесятеренного числа групп пятен и общего количества пятен во всех группах на одном полушарии Солнца (второе остается невидимым). Число Вольфа – не единственный, но, пожалуй, наиболее популярный индекс солнечной активности у специалистов. И это при том, что едва ли кто-то из них в состоянии объяснить физический смысл этого индекса.

Тем не менее связь между числом Вольфа и интенсивностью ультрафиолетовой солнечной радиации считается установленным научным фактом. Замечено, что с увеличением числа Вольфа (т. е. количества пятен на Солнце), – а происходит это периодически, – возрастает интенсивность излучения в ультрафиолетовой области спектра.

Периодичность эта – особая: согласно данным Цюрихской обсерватории, интервалы колебались от 7 до 17 лет между годами максимумов чисел Вольфа и от 9 до 14 лет – между их минимумами. В среднем же такой солнечный цикл длится около 11 лет, вследствие чего он и получил свое широко распространенное название – 11-летний (рис. 7).

Как видно на рис. 8, 11-летние циклы различаются еще и по количеству пятен, т. е. по интенсивности. Рекорд здесь принадлежит максимуму 1957 г., когда среднегодовое число Вольфа достигало 190. Наименьшие значения в максимумах приходятся на первую четверть XIX в. – в этот период они едва «переваливали» через отметку 40. Однако в анналах цюрихских наблюдений присутствует еще один временной интервал – с 1645 по 1715 г., характеризуемый малым числом солнечных пятен и ослаблением солнечной активности, получивший название «маундеровского минимума» (по имени давшего его описание английского исследователя Е. Маундера). Нумерация 11-летних циклов берет отсчет с 1775 г., таким образом, сейчас идет 24-й цикл.

Рис. 7. Кривая среднегодичных цюрихских относительных чисел солнечных пятен (W, чисел Вольфа) за 1755–1980 гг. В кружке – максимальное значение за весь период наблюдений

В несколько «облагороженном» виде схема 11-летнего цикла представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема кривой 11-летнего цикла солнечной активности

Процессы на Солнце также подвержены изменениям в пределах 22-летнего и 80–90-летнего циклов. Первый из них вовсе не «сумма» двух последовательных 11-летних циклов, хотя его природа тоже связана с солнечными пятнами. Гелиофизики говорят, что под действием мощного магнитного поля в среднем каждые 22 года меняется полярность пятен. И если с наличием 22-летнего цикла сегодня согласны большинство специалистов, то к существованию 80–90-летнего цикла многие относятся скептически. Понятно, что делать далеко идущие выводы, имея под рукой один-единственный ряд наблюдений длиной всего в три таких цикла, весьма опрометчиво. Не будучи специалистами в области гелиофизики, воздержимся от комментариев по данному вопросу, ограничась только нижеприведенной иллюстрацией (рис. 9).

Рис. 9. Усредненная кривая изменения максимальных среднегодовых чисел Вольфа Wm за весь период измерений. По оси абсцисс – номера 11-летних циклов согласно цюрихским данным

Важно отметить, что основной «удар» солнечной активности принимают на себя верхние слои атмосферы, но его «отголоски» чувствуются и в ее нижних слоях, и у земной поверхности. Наиболее существенным последствием пертурбаций в верхней атмосфере является изменение циркуляции воздушных масс в ее нижних слоях. Есть основания полагать, что во время максимумов 11-летнего цикла имеет место усиление циклонов и антициклонов.

Данные ряда исследований свидетельствуют о наличии зависимости засух от фаз 11– и 22-летних циклов солнечной активности, причем среднеазиатские засухи коррелируют (т. е. имеют большой коэффициент корреляции) с 11-летним циклом, в то время как североамериканские – с 22-летним. Горячих защитников 80–90-летний цикл солнечной активности нашел в лице дендрологов, утверждающих, что он отчетливо прослеживается при изучении годовых колец деревьев-долгожителей.

Здесь необходимо маленькое отступление. Когда нужно подтвердить или опровергнуть связь между какими-либо явлениями, нередко прибегают к поиску коэффициента корреляции. Коэффициент этот, широко используемый в математической статистике, может изменяться по абсолютной величине от нуля до единицы. Он характеризует степень зависимости между явлениями: чем ближе его значение к единице, тем теснее эта связь. Такой вот универсальный критерий. Но в его определении есть важный нюанс: коэффициент корреляции выполняет возложенную на него миссию лишь в том случае, если достоверно известно, что такая зависимость существует. Иными словами, если вам вздумалось оценить с помощью коэффициента корреляции связь, к примеру, между ежемесячным ростом успеваемости группы школьников после прихода в их класс талантливого учителя и увеличением в тот же период поголовья бегемотов в Африке (вследствие создавшейся особо благоприятной для этого обстановки), то вышеозначенный коэффициент, вероятно, окажется очень высоким, но… Как часто исследователь, умилившись полученным большим значением коэффициента корреляции, не удосуживается привести хоть какие-нибудь резоны в обоснование наличия исследуемой связи. Сказанное, отнюдь, не отрицает применимость коэффициента корреляции, а только служит напоминанием об осторожности в выводах, которая нужна при его использовании.

Выше говорилось о том, что в ходе 11-летнего цикла изменения затрагивают в основном ультрафиолетовую часть спектра. Сколь значительны эти изменения, показано на рис. 10. Ультрафиолетовый участок спектра приблизительно соответствует длинам волн 170 < ? < 320 нм[11]. Однако только для длин волн ? < 205 нм интенсивность излучения в максимуме солнечной активности превосходит на 5–17 % ее в минимуме 11-летнего цикла, на больших же длинах волн они почти равны. Следить за такими незначительными изменениями на верхней границе атмосферы очень трудно, это стало возможным только в последние 20–30 лет с появлением искусственных спутников Земли.

Рис. 10. Соотношение интенсивности солнечного излучения на верхней границе атмосферы в максимальной (I_max) и минимальной (I_min) фазах 11-летнего цикла на разных длинах волн по данным измерений

Изменения такого масштаба практически никак не сказываются на солнечной постоянной: спутниковая аппаратура зафиксировала лишь незначительные ее колебания – с амплитудой 0,1 % – в ходе 11-летнего цикла солнечной активности. Косвенные данные указывают на значительно большие ее изменения (десятые доли процента) в XVII в. Многие исследователи тем не менее полагают, что небольшой рост солнечной постоянной имел место с середины XVIII в. по настоящее время. Однако его трудно выделить и оценить, так как спутниковых измерений тогда не было, а точность наземных измерений, которым мешали и облачность, и недостаточная прозрачность атмосферы, не позволяет достаточно определенно судить о ее росте за последние 250 лет. Но даже изменения на десятую долю процента очень существенно отражаются на эффективности химических превращений в атмосфере, порождая эволюцию содержания газов в составе атмосферного воздуха, в том числе – парниковых газов, подробный разговор о которых еще впереди.

Итак, вышеупомянутый рост температуры в течение ХХ века едва ли обусловлен увеличением потока солнечного излучения. Похоже, здесь у Солнца – надежное алиби. Более того, считается, что и прежде, в том числе и в далеком прошлом, потоки солнечной энергии не подвергались заметным колебаниям. Однако колебания климата в истории Земли случались…

Глава пятая

Задача со многими неизвестными

Прошедшее нужно знать не потому, что оно прошло, а потому, что уходя, не умело убрать своих последствий.

В. О. Ключевский

Что мы знаем о климате далекого прошлого

Возраст Земли по современным представлениям составляет приблизительно 4,6 миллиардов лет. За это время наша планета прошла много стадий в своем развитии. Конечно же, эволюция коснулась и ее климата. Каков был климат в столь давние времена, мы вряд ли когда-нибудь узнаем достоверно (да это и не имеет большого практического значения). Однако проследить изменения климата на достаточно большом временном промежутке очень заманчиво: ведь если удастся понять их причины, это может стать ключом к пониманию оснований для его изменения сегодня. Занимается подобным специальная наука – палеоклиматология.

Основой для всякой теории, как известно, являются факты. В нашем случае необходимые факты чаще сокрыты под толщей Земли и лишь иногда в прямом и переносном смыслах лежат на поверхности. Их сбором занимаются геологи, археологи, палеоклиматологи, палеонтологи. Получаемые ими сведения очень разнородны: это и количественный и качественный состав воздуха и грунта, и перечень обнаруженных древних представителей флоры и фауны, и особенности быта наших далеких предков. На основе анализа всей информации воссоздается картина соответствующей эпохи: какие компоненты содержались в воздухе, какая часть земной поверхности была покрыта водой, теплым или холодным был климат и т. д. При этом если, например, концентрацию компонентов воздуха можно непосредственно измерить в воздушных пузырьках, вмерзших в лед на глубине нескольких десятков или сотен метров, то судить о характерной температуре эпохи можно лишь косвенно: по преобладанию теплолюбивых или, наоборот, морозостойких растений, по одежде людей. Согласитесь, картина получается, мягко говоря, неполная, а потому недостаточная для сколь-нибудь обоснованных выводов. Эту картину исследователи стремятся дополнить, исходя из универсальных законов природы, модельных оценок, наконец, здравого смысла. Однако представьте ситуацию, когда каждому из десяти выдающихся мастеров предложили восстановить античный сосуд по его небольшому фрагменту, найденному в ходе археологической экспедиции. В результате появится десять прекрасных, но различных версий сосуда, и нет никакой гарантии, что хотя бы одна из них в точности соответствует оригиналу! Так же и к реконструкциям климата прошлых эпох, произведенным в условиях недостатка объективной информации, следует относиться с долей здорового скепсиса, но в то же время стараться «отделить зерна от плевел», т. е. принять выводы, соответствующие современному уровню развития науки.

О чем же можно говорить с изрядной долей уверенности? Разочаруем сочинителей различных климатических страшилок: палеонтологические данные демонстрируют непрерывность развития жизни на Земле, а значит, за весь охваченный наблюдениями период никаких климатических катастроф не происходило!

В монографии А. С. Монина и Ю. А. Шишкова[12] говорится, что за все время существования жизни на планете «температура на Земле всегда оставалась в пределах жидкой воды». Палеоданные также свидетельствуют о том, что в истории Земли ее поверхность – материки и океаны – и климат подвергались существенным изменениям. Популярная ныне «эпоха динозавров», составляющая небольшую часть этой истории, характеризовалась более теплым климатом (среднеглобальная температура была выше современной на 5–10 °C) и отсутствием полярных снежно-ледовых областей. Ледниковый щит Антарктиды, по современным оценкам, образовался примерно 15–20 миллионов лет назад, его объем постепенно увеличивался и достигает сегодня около 24 миллионов кубических километров (приблизительно 90 % всего объема ледников на планете; из оставшихся десяти процентов девять приходится на Гренландский ледовый щит и 1 % – на все остальные).

Такое количество льда, если он полностью растает, обеспечит подъем воды в Мировом океане примерно на 55 метров. Однако в так называемой четвертичной эпохе (геологическом периоде, начавшемся примерно 2,6 миллиона лет назад и продолжающемся по настоящее время) наступления и отступления ледников происходили почти регулярно.

Изменялись площадь и положение материков на земной поверхности вследствие дрейфа континентов – они сдвигаются ежегодно в среднем на 1–2 см. Совсем немного. Однако, скажем за 100 миллионов лет, это перемещение составляет величину порядка тысячи километров! Такое смещение континентов напрямую не сказывается на весьма грубых оценках климата соответствующих палеопериодов, но помогает интерпретировать некоторые находки палеонтологов: следы коралловых рифов в Арктике, каменного угля – на Шпицбергене и в Антарктиде, останки динозавров – в Южной Патагонии (Аргентина). В результате пополнение базы палеоданных всегда сопряжено с трудностями их интерпретации и обобщения.

Много определеннее наша осведомленность о состоянии атмосферного воздуха в те далекие времена. Концентрация основных парниковых газов (подробный разговор о них еще впереди) значительно отличалась от современной: так, согласно измерениям в ледниковых щитах Антарктиды и Гренландии, содержание углекислого газа, метана и оксида азота(I) было меньше примерно на 25, 60 и 25 % соответственно в последний межледниковый период (около 120 тыс. лет назад) и на 50, 80 и 40 % в последний ледниковый период (около 18 тыс. лет назад).

При этом изменения содержания вышеперечисленных парниковых газов и температуры происходили синхронно, т. е. когда росла концентрация, возрастала и температура, падение же концентрации сопровождалось снижением температуры. Климатологи спорят лишь об одном: что здесь причина, а что – следствие? То ли увеличение содержания парниковых газов влекло за собой разогрев атмосферы, то ли начавшееся по каким-то иным причинам потепление способствовало обогащению атмосферы парниковыми газами (климатический аналог дискуссии, что было прежде: курица или яйцо?). Есть косвенные данные о том, что изменения содержания парниковых газов предшествовали изменениям температуры воздуха, но они еще нуждаются в подтверждении.

Как ни удивительно, но нет полной определенности с арктической ледовой шапкой: здесь даже в относительно теплую и недавнюю «эпоху викингов» (IX–XII вв.), по мнению А. С. Монина, «возможно, не было или было лишь немного многолетних льдов». Затем наступило похолодание, и последующие четыре века (1430–1850 гг.) часто называют малым ледниковым периодом.

Вот так обстоят дела с изучением климата прошлых веков. Как мог заметить внимательный читатель, в этом небольшом разделе неоднократно встречалось словосочетание «ледниковый период». Дальнейший рассказ как раз о ледниковых периодах.

Глава шестая

Земля в ледяном плену

Тот, кто глядит в прошлое, так же видит будущее, как видно в зеркале глубоких вод высокое небо.

Ш. Петефи

Циклы миланковича

Найдется немало людей в нашей стране, у которых слова «ледниковый период» ассоциируются исключительно с некогда популярной передачей на одном из центральных телеканалов или одноименным мультфильмом. Мы же, естественно, будем вести речь о ледниковых периодах, случавшихся в истории Земли. Чтобы «добраться» до них, придется совершить виртуальное путешествие в глубь даже не веков, но десятков тысячелетий. А вот доказательства того, что такие периоды действительно существовали, в буквальном смысле лежат на поверхности: становление «большого льда» и, главным образом, его сход оставляли отметины на «теле» планеты в виде цепей холмов (ледниковых морен), гигантских валунов, возникших на ранее сухих местах болот и мохового покрова и пр. (геологи легко «расширят и углубят» этот перечень). «Ну, существовали… – и ладно! Что нам сегодня до этого?» – пробурчит прагматичный читатель. Но кое-какой интерес у нас имеется. Уже само название «ледниковый период» справедливо подразумевает наличие в ту пору очень холодного климатического режима. А с чего бы вдруг, спрашивается, ему установиться? Какие такие могущественные силы, отличные от современных, довлели при его формировании? И что сводило на нет их действие ближе к окончанию каждого из ледниковых периодов? Очевидно, другие не менее могущественные природные силы (человек, конечно же, тут непричастен). Какие? Хотелось бы знать, желательно – поименно. Проявляются ли они сейчас или «затаились на время», чтобы в самый неподходящий момент восстать, как птица Феникс из пепла? Не удружат ли они нам очередным витком всемирного обледенения и не окажутся ли на его фоне наши треволнения о глобальном потеплении никчемной суетой?

Ледниковые периоды стали возникать в четвертичный период истории Земли, около двух миллионов лет назад. За это время масштабное оледенение наступало, по крайней мере, четырежды, а последний ледниковый период случился около 18 тыс. лет назад. На рис. 6 цв. вклейки показаны зоны обледенения поверхности Земли в течение последнего ледникового периода. Обращает на себя внимание тот факт, что в Северном полушарии область, покрытая льдом, много больше своего южного антипода. Различно и распределение льдов в Западном и Восточном полушариях: главный ледниковый щит Западного полушария – Лаврентийский – охватывал пространство Аляски, Канады и Гренландии, а в Восточном подо льдом оказывались Скандинавия, Таймыр, небольшие площади севера европейской России. В то же время Северная Азия и Чукотский «хвост» были почти безледными с замерзшей почвой – той, что сегодня именуется вечной мерзлотой. В Северном полушарии медленное наступление ледников каждый раз начиналось на суше с севера на юг, с вершин гор к их подножиям, также с севера на юг смещались морские границы льда. В Антарктиде первый ледниковый щит появился примерно 20 миллионов лет назад. Тогда же между Антарктидой и Южной Америкой образовался пролив, много позже названный именем Дрейка, и круговое течение, блокировавшее приток теплых вод из тропиков к самому южному континенту.

Чем объясняется такая неравномерность ледяного покрова? Недавние исследования с применением климатических моделей помогли установить две основные причины. Первая – лед может расширять свои «владения» только на суше. В море от «языка» ледника откалываются айсберги, которые дрейфуют в более теплые воды (больше некуда!), где и прекращают свое существование, и, как следствие, общая площадь морского льда почти не увеличивается. Таким образом, в богатом морями Южном полушарии (площадь суши – 49 млн км²) рост материкового льда ограничивается Антарктидой, и его площадь не увеличивается при понижении температуры. В Северном полушарии (площадь суши – 100 млн км²) таких сдерживающих факторов нет, и материковый лед может беспрепятственно распространяться на юг.

Вторая причина обусловлена обратной связью между отражательной способностью поверхности и температурой. Как, вероятно, знает читатель, белый снег наиболее эффективно отражает солнечную радиацию, достигшую земной поверхности. При снижении температуры усиливаются как выпадение снега, так и образование ледяного покрова, и отражательная способность поверхности возрастает. Далее ослабляется поглощение ею солнечной энергии, а следовательно, ее температура падает еще больше, что благоприятствует появлению все новых масс снега и льда. Но, как было сказано выше, площадь ледника может заметно возрастать лишь в Северном полушарии, поэтому именно здесь взаимосвязь отражательной способности поверхности и температуры действует наиболее продуктивно.

А различие между Западным и Восточным полушариями? Здесь опять «виноваты» размеры площади суши, а также ее сезонный нагрев летом и охлаждение зимой. В климатологии хорошо известен так называемый континентальный эффект сезонного хода температуры и осадков. В середине материка, вдали от морских берегов, зима холоднее, лето теплее, осадков (дождя, снега) выпадает меньше, чем в прибрежных зонах или на островах в океане. В Сибири и вообще в Северной Азии лето, хотя и короткое, но обычно сухое и жаркое. Ледники в большой Евразии тают быстрее, чем в меньшей по площади Северной Америке, а прирастают медленнее из-за меньшего количества осадков, которых в Восточной Сибири выпадает немного. Таким образом, в Восточном полушарии – в Азии – затруднено образование ледниковых щитов и «облегчено» их относительно быстрое таяние по сравнению с Северной Америкой и Гренландией.

Примечания

1

Прогноз на каждый следующий день строится исходя из того, что данные за предыдущий день безошибочны (что, разумеется, не так!). Примитивный пример: пусть за первые 4 дня накопилась ошибка в 1 °C, но при прогнозе на пятый день температура за четвертый день считается истинной (т. е. ошибка равна нулю), сам прогноз пятого дня даст свою относительно небольшую ошибку, например 0,3 °C, однако с учетом ошибки, накопленной за предыдущие дни, общая погрешность будет уже 1 + 0,3 = 1,3 °C и т. д.

2

Для хорошего прогноза нужны точные величины температуры воздуха у земной поверхности, воды у поверхности и на глубине, влажности, распределения облаков по горизонтали и вертикали, давления воздуха, концентрации химических составляющих воздуха и воды и т. д. и т. п. в начальный – стартовый – момент времени. И все это в каждой из тысяч точек на земном шаре. Располагать достоверными данными обо всем этом абсолютно нереально! Но если мы заложим вместо них в модель «плохие» данные, то и прогноз будет плохим.

3

Монин А. С. Введение в теорию климата. Л., 1982.

4

Hansen J., Ruedy R., Sato Mki. and K. Lo. 2010: Global surface temperature change. Rev. Geophys. 48. RG4004. doi:10.1029/2010RG000345.

5

Северный тропик, или тропик Рака, – одна из пяти основных параллелей, отмечаемых на картах Земли. В настоящее время расположена на 23° 26?16 к северу от экватора и определяет наиболее северную широту, на которой Солнце в полдень может подняться в зенит. Это происходит в момент летнего солнцестояния, когда угол падения солнечных лучей на поверхность Северного полушария, меняющийся в течение года из-за обращения наклоненной оси Земли вокруг Солнца, является максимальным. Южный эквивалент тропика Рака – тропик Козерога.

6

Linacre E. and Geerts B. Climate and Weather Explained, Routledge. London, 1997.

7

Desertec – план превращения солнечного тепла пустынь Северной Африки и Ближнего Востока в электричество для нужд арабского мира, а в будущем, возможно, и Европы.

8

Серое тело – тело, коэффициент поглощения которого меньше единицы и не зависит от длины волны излучения и абсолютной температуры. Такое определение справедливо практически для всех объектов, так как абсолютно черного тела с коэффициентом поглощения, равным единице, в природе не существует.

9

1 мкм – микрометр = 1·10^-6 м.

10

Вт – ватты. 1 Вт = 1 Дж / 1с. 1 Вт равен мощности силы, совершающей работу в 1 Дж за 1 секунду, или когда груз массой 100 г поднимают на высоту 1 м за 1 секунду.

11

1 нм (нанометр) = 1·10^-9 м.

12

История климата. Л., 1979.

Конец бесплатного ознакомительного фрагмента.