В. П. Мелешко,
доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, заведующий отделом Главной геофизической обсерватории (ГГО) им. А. И. Воейкова
В. М. Катцов,
доктор физико-математических наук, директор ГГО
И. Л. Кароль,
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией ГГО
«Экология и жизнь» №2, 2010
Прогнозы и угрозы
Сегодня ни для кого не секрет, что одна из главных забот мирового сообщества — глобальное потепление и его возможное влияние на природу. За 100 лет (1906–2005 гг.) рост температуры приземного воздуха, усредненный по всей земной поверхности, составил 0,74°С, а в России всего за 30 лет (1976–2006 гг.) — 1,33°С. Анализ данных наблюдений и расчеты по моделям климата дают согласованную картину, которая привела Межправительственную группу экспертов по изменению климата (МГЭИК) к следующим выводам:
- маловероятно, что глобальное потепление за последние десятки лет не связано с внешним воздействием на климат;
- с высокой вероятностью наблюдаемый рост концентраций парниковых газов1 (вызванный хозяйственной деятельностью человека) ответствен за большую часть глобального потепления во второй половине XX века;
- основной вклад в глобальное потепление вносит углекислый газ (СO2), усиливающий парниковый эффект в атмосфере — по оценкам, он «отвечает» за 55% усиления этого эффекта; по сравнению с «доиндустриальным» периодом его концентрация в атмосфере выросла на 38% и в 2008 г. достигла 385 млн–1 (число частиц на миллион) — максимум за последние 650 тыс. лет.
По заключениям МГЭИК, в результате хозяйственной деятельности в атмосферу Земли ежегодно выбрасывается 27 млрд т СO2. Из них 30% поглощаются Мировым океаном, 13% — биосферой и почвой, а 57% остаются в атмосфере. Вследствие ограниченной скорости естественного поглощения СO2 океанами и биосферой значительная доля этого газа сохранится в атмосфере на сотни лет, способствуя дальнейшему потеплению. Как считают эксперты, с начала индустриальной эпохи в атмосфере накоплено 770 млрд т антропогенного СO2.
Первой попыткой снизить скорость потепления стало подписание в 1998 г. Киотского протокола, по которому большинство развитых стран и стран с переходной экономикой обязались в 2008–2012 гг. сократить выбросы шести парниковых газов на 5,2% (по сравнению с 1990 г.)2, а развивающиеся страны, включая Индию и Китай, освобождались от обязательств. Однако вскоре выяснилось, что и при выполнении всех обязательств этих ограничений недостаточно даже для стабилизации темпов потепления. В 1990–2007 гг. общие выбросы СO2 увеличились на 34% (по отношению к уровню 1990 г.), а в 2006–2007 гг. росли примерно на 3% в год.3
Ныне уже ясно, что в XXI веке глобальное потепление продолжится при любых сценариях изменения антропогенных выбросов парниковых газов, так что к концу века температура может повыситься еще на 2–4°С (см. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории РФ. Т. 1. Изменения климата. — М.: Росгидромет, 2008.). В итоге международные группы экспертов заключили, что, если к 2050 г. рост превысит 2°С, могут возникнуть опасные последствия для множества природных экосистем и будет нанесен серьезный ущерб экономикам большинства стран мира: по разным оценкам, под угрозой исчезновения окажутся 15–40% видов живых организмов; на 20–30% сократятся ресурсы пресной воды в ряде густонаселенных районов (Африка, Средиземноморье); на 5–10% уменьшатся урожаи во многих регионах; до 10 млн жителей прибрежных зон ежегодно будут подвергаться риску наводнений; начнется необратимое таяние Гренландского ледникового щита и ускорится повышение уровня Мирового океана; увеличится риск масштабных изменений циркуляции атмосферы и интенсивности муссонов и т. д.4
Аэрозоль против парниковых газов?
Как известно, Киотский протокол рассчитан до 2012 г., и ныне готовится новое соглашение, а потому новые обязательства разных стран по ограничению выбросов парниковых газов оказались предметом острых споров. По некоторым оценкам, только для стабилизации роста концентрации СO2 в атмосфере к 2050 г. глобальные выбросы надо сократить, по меньшей мере, на 50% по отношению к уровню 1990 г. А поскольку до сих пор все усилия по их ограничению были безуспешными, возник интерес к разным технологиям преднамеренного воздействия на глобальный климат как альтернативы сокращению выбросов.5 Среди них наиболее простым считается рассеяние сульфатного аэрозоля в стратосфере для защиты планеты от солнечного излучения. Выдвинув эту идею в начале 1970-х годов, академик М. И. Будыко неоднократно подчеркивал, что подобное воздействие на климат будет возможно только после точной оценки его влияния «на атмосферные процессы во всех районах земного шара».6 Увы, хотя до этого еще далеко, в последнее время некоторые отечественные и зарубежные ученые все чаще обращаются к этой идее, усматривая в ней едва ли не панацею от изменений климата.
Антропогенное воздействие на климат не раз обсуждали на специальном Совете-семинаре при президенте Российской академии наук.7 Основываясь на изложенных там тезисах, академик Ю. А. Израэль предложил бороться с глобальным потеплением, рассеивая аэрозоли в стратосфере. Он утверждает, что подход, в последнее время пропагандируемый им все активнее, — альтернатива «необходимости регулирования концентрации парниковых газов в атмосфере» и «не представляет опасности для планеты».8
За рубежом эта тема стала предметом острых дискуссий в связи с публикацией статьи лауреата Нобелевской премии по химии П. Дж. Крутцена, в которой он заключил, что распыление аэрозоля в стратосфере может рассматриваться как крайняя мера в борьбе с катастрофическими последствиями экстремального (более чем на 5°С) потепления в этом веке. В ответ несколько известных ученых выразили озабоченность по поводу самой идеи намеренного воздействия на окружающую среду (особенно на климат в глобальных масштабах).
Между тем авторы ряда публикаций в отечественных специализированных изданиях видят в воздействии на климат эффективный, недорогой и безопасный способ решения проблемы глобального потепления, подчеркивая относительно низкую стоимость такого подхода и опуская спорные вопросы и негативные последствия.
Хотелось бы дать более полную картину состояния проблемы — по данным современных исследований и обсуждений на международных форумах.
Моделирование климата
В последние годы появилось немало публикаций, посвященных изучению реакций климатической системы на распыление аэрозолей в стратосфере и основанных на применении моделей, учитывающих основные процессы в атмосфере, океане и почве, способные влиять на климат. Важное достоинство модельных исследований — возможность выделять влияние внешнего воздействия на климатическую систему, даже если реакция системы оказывается малой по отношению к ее собственной изменчивости.
Действия на климатическую систему парниковых газов и аэрозоля противоположны. Рост концентрации парниковых газов в атмосфере почти не влияет на приток солнечной радиации к поверхности Земли, но задерживает ее тепловое излучение. Рост содержания аэрозоля, наоборот, уменьшает приток солнечной радиации и слабо влияет на уходящее тепловое излучение. Но эти эффекты не компенсируются в отдельных регионах и сезонах, хотя в целом для земного шара и в среднем за год компенсация возможна.
Ныне известно несколько типов модельных сценариев стабилизации глобального потепления за счет роста альбедо (отражательной способности) системы «атмосфера — поверхность Земли». Самый простой, имитирующий рассеяние аэрозоля (например, соединений серы) в стратосфере, — уменьшение потока солнечной радиации на верхней границе атмосферы при удвоении концентрации СO2 в атмосфере и соответствующем потеплении. Так, расчеты показывают, что ослабление этого потока всего на 1,8% может полностью компенсировать рост температуры на 3°С из-за удвоения содержания СO2. Но есть и работы, из которых следует, что такое потепление можно скомпенсировать, равномерно рассеивая аэрозоль в стратосфере, что уменьшает прозрачность атмосферы для солнечного излучения. Впрочем, хотя в обеих оценках средняя глобальная температура приземного воздуха со временем возвращалась к первоначальным значениям, ее распределения заметно отличались от исходных:
- в высоких широтах Северного полушария сохранялось потепление (особенно зимой), а в тропиках отмечалось незначительное похолодание;
- осадков в целом выпадало заметно меньше, иными словами, проблема засух (и так достаточно острая) серьезно обострялась в ряде регионов, особенно в тропической зоне, где проживает значительная часть населения Земли.
Адепты «аэрозольного подхода» ссылаются на то, что недавние сильные извержения вулканов, при которых в атмосферу выбрасывалось много пепла и газов, вели к снижению температуры на 1–2 года. Но крупнейшие в прошлом веке извержения вулканов Эль-Чичон (Мексика, 1982) и Пинатубо (Филиппины, 1991) показали, что подобные кратковременные масштабные воздействия на атмосферу сказываются прежде всего на гидрологических процессах и, скорее, служат предостережениями в отношении преднамеренных воздействий на климат. Известный американский ученый А. Робок насчитал целых 20 причин, по которым рассеяние аэрозоля в стратосфере недопустимо.9 Одна из них связана, например, с тем, что вслед за извержением Пинатубо обширные области поразили засухи (в 1992 г. доля пораженных засухами площадей была наибольшей), а отрицательные аномалии осадков и речных стоков в том же году намного превзошли их естественные колебания за все 55 лет наблюдений. В 1983 г., вскоре после извержения Эль-Чичона, также отмечалось уменьшение количества осадков, особенно в тропиках.
Расчеты неравновесного климата с использованием моделей переноса аэрозоля в предположении о его локализованных выбросах в высоких широтах или тропиках показали, что независимо от места эмиссии распространяется он весьма быстро, температура приземного воздуха над континентами понижается больше, чем над океаном, а также ослабляется муссонная циркуляция и уменьшается количество осадков, прежде всего в низких широтах. В тропиках время пребывания аэрозоля в стратосфере (определяемое уменьшением концентрации в е раз) составляет около 12 месяцев, а в высоких широтах — всего 4–6, поэтому тезис о том, что для уменьшения скорости таяния льда в Арктике и ледников Гренландии достаточно распылить аэрозоль над этими регионами, несостоятелен.
Влияние на стратосферный озон
Как действует сульфатный аэрозоль на стратосферный озон, мы пока знаем неважно. Возможны разные способы и механизмы такого воздействия. Так, озона в стратосфере образуется тем больше, чем интенсивнее ультрафиолетовое излучение Солнца. Но при эмиссии аэрозоля в стратосферу количество солнечной энергии, достигающей нижних и средних слоев атмосферы, сокращается, а с ним и количество образуемого там озона. Подобный «фотохимический» механизм ведет к разрушению озона на поверхности частиц сульфатного аэрозоля и полярных стратосферных облаков в присутствии окислов азота и соединений хлора при низких температурах. Поэтому сильнее всего содержание озона должно было бы понизиться над Арктикой и Антарктикой.
Для более точной оценки влияния аэрозоля на атмосферный озон необходимы расчеты с использованием трехмерной интерактивной модели атмосферы, учитывающей радиационные, фотохимические и динамические процессы в их взаимодействии. Такие оценки проводились, в частности, для извержения Пинатубо. Оказалось, что в холодные зимы, когда в стратосфере над полярными областями образуются облака, концентрация озона в Арктике может снижаться на 100 единиц Добсона10 (обычные ее зимние значения здесь 300–400 е. Д.); в Антарктике поменьше, но и здесь на восстановление озоновой дыры, наблюдаемой уже около трех десятилетий в августе—ноябре, пока рассчитывать не приходится. Наиболее низкое среднее значение концентрации озона за всю историю измерений наблюдалось в 1992–1993 гг. — именно после извержения Пинатубо. Нелишне напомнить, что с уменьшением содержания озона в стратосфере растет поток ультрафиолетового излучения Солнца, опасного для всего живого.
Закисление океана
Понятно, что, рассеяв аэрозоль в стратосфере, мы не снизим содержание СO2 в атмосфере и его поглощение океаном. С ростом концентрации СO2 в морской воде образуется угольная кислота и нарушается сохранявшийся миллионы лет кислотно-щелочной баланс. Это явление, получившее название «закисление океана», ведет к снижению значения рН воды (росту ее кислотности) и содержанию в ней карбоната кальция (СаСO3), необходимого для жизни многих морских организмов.
Как следует из многочисленных исследований, этот процесс крайне опасен для морской биоты. Дело в том, что на наших глазах кислотность океана меняется во много раз быстрее, чем в прежние десятки миллионов лет. И пока неясно, смогут ли живые организмы и экосистемы приспособиться к таким изменениям. Особенно это относится к морским организмам, раковины и скелеты которых состоят из карбоната кальция (кораллы, известковый планктон, мидии, улитки, морские ежи и т. д.). Так, уже к середине XXI века скорость разрушения коралловых рифов может превысить скорость их формирования. Рост кислотности повлияет также на пищевые цепи в океане и запасы промысловых рыб, угрожая продовольственной безопасности миллионов людей.
Понятно, что уберечь океан от окисления можно, сокращая выбросы СO2 в атмосферу. Между тем пока предлагаются лишь проекты по усилению поглощения океаном СO2 из атмосферы (например, за счет искусственного «удобрения» его вод соединениями железа), хотя это сопряжено с пагубными экологическими последствиями и непредсказуемыми рисками для морских экосистем, понизить же кислотность Мирового океана даже не пытаются.
Другие «побочные эффекты» аэрозольных проектов
Климат можно определить как состояние нелинейной системы, включающей атмосферу, гидросферу, криосферу, почву и биосферу, которые сложным образом взаимодействуют. Зависит он и от внешних воздействий (солнечного излучения, извержений вулканов и т. д.). Характерное время реакции на такие воздействия у разных компонентов климатической системы сильно различается.
Рассеяние аэрозоля в стратосфере не просто сдвигает баланс между нагревом атмосферы из-за роста содержания парниковых газов и ее охлаждением из-за экранирования аэрозолем солнечного излучения. Дело в том, что климатическая система подвержена значительной внутренней (не связанной с внешними воздействиями) изменчивости. Ныне в умеренных и высоких широтах определяющими оказываются внутренние колебания характеристик атмосферы и океана. По некоторым оценкам, все изменения климата в XX веке могли быть связаны с собственными колебаниями климатической системы, происходившими на фоне незначительного потепления из-за роста содержания парниковых газов в атмосфере.
О масштабах естественных региональных колебаний климатической системы можно судить, например, по колебаниям уровня Каспийского моря. В 1930–1970-х годах он непрерывно снижался, что сопровождалось большими экономическими потерями и серьезным экологическим ущербом. Многие гидрологи считали, что эта тенденция сохранится вследствие сокращения стока рек из-за растущего отбора воды на заполнение водохранилищ (и испарение с их поверхностей), полив и т. д. На этом тезисе базировались разные концепции управления водными ресурсами в бассейне Волги и даже «проекты века», предполагавшие переброску в этот регион части стока северных рек. Но Каспий преподнес сюрприз: с 1978 г. уровень моря стал быстро расти (подъем привел к еще большим негативным последствиям). На самом деле эти колебания уровня моря отражают естественные многолетние климатические колебания на большой территории водосбора в результате изменений общей циркуляции воздушных масс и влаги в атмосфере Северного полушария.
Ярким проявлением климатической изменчивости стала и необычно холодная зима 2007/2008 г. в Индии, Индокитае, Китае, Саудовской Аравии и Центральной Азии, нанесшая огромный ущерб региону. Зима 2009/2010 г. тоже была холодной во многих районах Северного полушария.
Десятилетиями антропогенное потепление может отчасти маскироваться в отдельных регионах упомянутой внутренней изменчивостью климата, так что, какие изменения способен вызвать аэрозоль в атмосфере, станет понятно тоже лишь через десятилетия — до этого данных наблюдений будет недостаточно для окончательных выводов.
Как следует из современных моделей климата, глобальное потепление можно довольно быстро скомпенсировать, распыляя сульфатный аэрозоль в стратосфере. Но чтобы удержать среднюю температуру на приемлемом уровне, несмотря на рост содержания парниковых газов, выбросы аэрозоля придется повторять регулярно (возможно, на протяжении сотен лет), причем в нарастающих объемах.
Однако возврат глобальной температуры к исходному значению еще не означает сохранения региональных особенностей климата. Уже отмечалось, что для компенсации глобального потепления при удвоении концентрации СO2 достаточно поток солнечной радиации на верхней границе атмосферы снизить на 1,8% или уменьшить прозрачность атмосферы для солнечного излучения на 26% (например, рассеивая аэрозоль в стратосфере). При этом в солнечных регионах поток излучения на поверхности Земли может ослабеть на 20 Вт/м2, а прямая солнечная радиация — даже на 10%, или на 70–100 Вт/м2 (после извержений вулканов Пинатубо и Эль-Чичон прямая солнечная радиация у земной поверхности падала на 25–35%). Понятно, как это могло бы сказаться, например, на развитии солнечной энергетики или астрономии.
Продолжительность проекта по рассеянию аэрозоля определялась бы длительностью пребывания СO2 в атмосфере, иными словами, начав «эксперимент», пришлось бы продолжать его сотни лет — пока сотни миллиардов тонн СO2 не будут удалены из атмосферы в результате поглощения океаном и биосферой.
«Оптимизация» климата — искушение цивилизации
Понятно, что в каких-то регионах глобальное потепление несет опасные последствия, а в других, наоборот, сулит новые благоприятные возможности. А если климат можно регулировать, возникает вопрос — какой климат «оптимален». Вопрос непростой — для разных стран, регионов и даже индивидуумов представления об «оптимальном климате» могут сильно различаться. А кому-то ведь придется принимать непростые решения, когда и как действовать.
Подобное вмешательство способно увеличить и опасность международных осложнений, поскольку воздействие на климат может привести к конфликтам между странами или группами стран.
Любые опасные природные явления (тайфуны, наводнения, засухи), которые могут возникнуть в ходе проекта, позволили бы пострадавшим от них утверждать, что ущерб связан именно с его выполнением, и требовать компенсаций.
Как уже говорилось, в последнее время все чаще приходится слышать, что эмиссия аэрозоля в стратосфере — самый дешевый способ борьбы с потеплением, но при этом упорно замалчивается, сколь пагубными могут быть последствия применения такой технологии в долговременной перспективе.
Извлечь уроки
Большинство климатологов ныне сходятся во мнении, что глобальное потепление во многом вызвано деятельностью человека. В связи с этим все острее ставится вопрос: не пора ли в полной мере осознать масштабы нашего воздействия, чтобы наконец понять, вправе ли мы и дальше увеличивать выбросы парниковых газов и вредить окружающей среде, не задумываясь о последствиях? Ведь до сих пор на этот счет, по сути, нет регламентации, так что поневоле задумываешься, как далеко человек может зайти в манипулировании природой. Это относится и к попыткам воздействия на атмосферу и климат. Все больше специалистов не скрывают озабоченности в связи с попытками воздействовать на климат, считая, что они сопряжены с большими рисками, а их эффективность сомнительна.
Трагический пример непродуманного вмешательства в природную среду — судьба Арала, в той или иной мере затронувшая все страны Средней Азии. В середине XX века этот замкнутый водоем славился богатейшими природными запасами, а Приаралье считалось процветающим регионом. Однако десятки лет здесь развивали преимущественно поливное растениеводство, наращивая потребление воды, что в конечном итоге и погубило водоем.
Когда-то сток Амударьи и Сырдарьи в Аральское море составлял 60 км3 в год. Ныне он близок к нулю. В результате четвертое по величине озеро в мире превратилось в несколько мелких обособленных водоемов.
При этом только 50–60% изъятой воды доходит до орошаемых полей. Из-за неэкономного расхода воды многие участки заболачиваются и становятся непригодными для сельскохозяйственного производства. Безудержный рост площадей орошаемых хлопковых плантаций в долинах Амударьи и Сырдарьи повлек за собой не только нарушение гидрологического режима рек и засоление плодородных земель, но и беспрецедентное загрязнение почв химикатами. В итоге на месте Аральского моря возникли громадные солончаки, ставшие поставщиками солей и пыли. Прежде Арал служил своеобразным регулятором, смягчающим холодные зимы и летнюю жару. Ныне же лето здесь стало короче и суше, а зима — длиннее и холоднее. Похоже, Арал уже не спасти — даже при отказе от водозабора из Амударьи и Сырдарьи его прежний уровень восстановится лет через 200, не раньше.
Эта экологическая катастрофа стала для многих полной неожиданностью. Ведь еще недавно перспективы региона выглядели многообещающими. В программе комплексного освоения и использования водных и земельных ресурсов Средней Азии также предусматривалась переброска части стока сибирских рек в Амударью и Сырдарью. Но в 1986 г. от выполнения проекта в СССР отказались по экологическим и экономическим соображениям, а забор воды из Амударьи и Сырдарьи местные власти продолжали наращивать.
***
Понятно, что попытки влиять на климат в глобальном масштабе таят в себе намного больше рисков, чем региональные «экспромты». Так что в этом вопросе нам не помешала бы крайняя осторожность — преднамеренное воздействие на климатическую систему, о которой мы еще многого не знаем, может напоминать лечение неведомой болезни, которое подчас оказывается гораздо опаснее самой болезни. Ясно, что рассеивание аэрозоля в стратосфере в надежде ослабить потепление не предотвратит всех негативных последствий, связанных с ростом концентрации СO2 в атмосфере.
По мнению многих специалистов, основной вред предложений воздействовать на климат способами, аналогичными описанному выше, заключается в том, что они отвлекают внимание государства и общества от решения главной проблемы — роста энергоэффективности, сокращения выбросов парниковых газов, средства и силы, необходимые для решения таких насущных задач, как, например, развитие и внедрение возобновляемых источников энергии. Думается, гораздо успешнее бороться с глобальным потеплением можно было бы, например, расширяя их использование и сокращая долю углеводородов в мировом энергобалансе, повышая эффективность использования энергии и разрабатывая новые технологии, способствующие сокращению выбросов парниковых газов во всех отраслях хозяйственной деятельности.
1 Главный естественный парниковый газ — это водяной пар, ответственный почти за 2/3 наблюдаемого парникового эффекта. Но прямое антропогенное воздействие на него невелико (2%). Так, потепление, вызванное другими факторами, способствует испарению и повышает содержание водяного пара в атмосфере, что в свою очередь усиливает парниковый эффект, а облака отражают солнечный свет, повышая альбедо Земли, что, наоборот, ослабляет этот эффект. Как бы то ни было, водяной пар исключают из перечня антропогенных парниковых газов, ибо данных о росте его концентрации в атмосфере нет -иными словами, в первом приближении можно считать, что его вклад в парниковый эффект не меняется.
2 Выбросы СO2 в 1990 г. составляли (в % от мировых): США — 36,1; Россия — 17,4; Япония — 8,5; Германия — 7,4; Великобритания — 4,3.
3 В 1990–2007 гг. выбросы СO2 выросли: в США — на 20%, Китае — в 2,5 раза, Индии — в 3,5 раза, а в России сократились на 26% (но в последние годы вновь растут).
4 The economics of climate change: The Stern Review, Cabinet Office, HM Treasury, 2006, UK.
5 В англоязычной литературе принят термин «geoengineering», означающий воздействие на климат или содержание парниковых газов для ослабления потепления.
6 Будыко М. И. Метод воздействия на климат/ Метеорология и гидрология. 1974, № 2, с. 91–97.
7 Возможности предотвращения изменения климата и его негативных последствий. Проблема Киотского протокола. Материалы Совета-семинара при Президенте РАН. — М.: Наука, 2006.
8 Израэль Ю. А. Эффективный путь сохранения климата на современном уровне — основная цель решения климатической проблемы/ Метеорология и гидрология. 2005, № 10, с. 5–9.
9 Robock A. 20 reasons why geoengineering may be a bad idea/ Bull, of the Atomic Scientists. 2008, 64, № 2. p. 14–18.
10 Толщину озонового слоя выражают в единицах Добсона (е. Д.): 1 е. Д. — 0,01 мм озонового слоя при нормальном давлении (760 мм рт. ст.) и температуре воздуха 0°С. В средних широтах Северного полушария наибольшее значение толщины озонового слоя (до 500 е. Д.) приходится на весну, наименьшее (300 е. Д.) — на осень.
Комментировать
Вертикальными линиями отмечены наиболее сильные извержения вулканов. Изображение: «Экология и жизнь»