О глобальном потеплении и методах его исследования и прогноза

Игорь Эзау,
кандидат физико-математических наук (Россия), PhD (Швеция),
старший исследователь климатической группы Нансен-центра (Берген, Норвегия)
«Троицкий вариант — Наука» № 2(296), 28 января 2020 года

Игорь Эзау

Наша планета Земля получает почти всё свое тепло от Солнца. По современным спутниковым данным, площадка в один квадратный метр, расположенная вне атмосферы и подставленная под прямым углом к лучам Солнца, получает 1365 Ватт мощности солнечного излучения. Это так называемая солнечная «постоянная». Для скептиков надо указать, что никакая она не постоянная и меняется в пределах ±3% в зависимости от солнечной активности, сезона и способа измерения и подсчета [1]. Вклад изменений активности Солнца, так же как и вклад активности вулканов, учтен в моделях климата [2].

Учитывая полную площадь планеты, изменение угла наклона поверхности к солнечным лучам и то, что половина Земли находится в тени, реально получаемая в среднем за год энергия вне атмосферы уменьшается до 340 Ватт на квадратный метр (Вт ∙ м⁻²). Попадая на Землю, часть этой энергии отражается от облаков, от поверхности континентов и океанов, поглощается в самой атмосфере и переизлучается обратно. В итоге для приведения в действие тепловой машины климата во всех ее формах доступно только 250 Вт ∙ м⁻². Вот эта-то величина известна намного менее точно (±10%), чем солнечная постоянная. Для сравнения: вклад тепла из недр планеты мал и составляет лишь 0,03 Вт ∙ м⁻² или около 0,01% от доступной энергии. Прямой вклад тепла, которое производит человек, примерно такого же порядка — около 0,04 Вт ∙ м⁻² [3]. С практической точки зрения климат воспринимается человеком, да и основной частью биосферы, в виде среднего режима погоды у поверхности земли, где мы, собственно, и обитаем, и ведем свою деятельность. Хотя у погоды много важных характеристик (ветер, осадки и т. п.), о климате удобно в первом приближении судить по изменениям температуры воздуха. Это интуитивно понятная величина. Она легко измеряется, и ее непосредственные измерения известны для последних примерно 200 лет, а если брать косвенные данные, например соотношение изотопов кислорода во льду Антарктиды, то и для более миллиона лет.

Если бы Земля была лишена атмосферы, то равновесная температура теплового излучения серого тела на орбите Земли была бы −18°С. Газы в атмосфере частично непрозрачны для теплового излучения, поэтому, для того чтобы потоки приходящей и уходящей энергии были в среднем одинаковы, а иначе температура будет либо расти, либо падать, необходимо нагреть излучающую поверхность, то есть увеличить поток тепла на величину, которая будет переизлучена атмосферой обратно к Земле. При неподвижной атмосфере температура Земли выросла бы до +40°С. С перегревом помогает бороться атмосферная конвекция, которая выносит водяной пар выше основной массы атмосферы, где он выделяет тепло при конденсации и тем самым более эффективно излучает тепло в окружающее пространство. Конвективное приспособление охлаждает поверхность Земли до наблюдаемых +15°С [4]. Таким образом, климат планеты определяется не столько приходящей солнечной энергией, сколько тем, как устроена динамика атмосферы и океана. К сожалению, при изучении динамики простыми рассуждениями о физических эффектах и оценочными суждениями не обойтись. Любой, даже самый здравый эффект может быть нивелирован или, наоборот, усилен динамикой. Динамику климата Земли нужно моделировать!

Тем не менее некоторые рассуждения о климате могут быть полезны, исключая хорошо известные орбитальные факторы, которые на протяжении десятков тысяч лет медленно управляют циклами оледенений; в историческое время, т. е. последние пять тысяч лет современного межледниковья, температурные вариации определяются балансом доступного тепла от Солнца и обменом теплом с деятельным слоем океана. Вплоть до XX столетия такие температурные вариации для планеты в целом не превышали ±0,5°С [5].

В настоящее время основным фактором, который мог бы менять величину баланса солнечного тепла, считается вулканическая активность. Геохимические исследования ледников и других отложений позволяют довольно хорошо восстановить активность вулканов в историческое время и сопоставить ее с изменениями температуры [6]. И действительно, многие исторические похолодания могут объясняться, хотя и не полностью, всплесками активности и ее «неудачной» географической и сезонной конфигурацией, тут опять проявляется динамика атмосферы: не все вулканы одинаково влияют на климат [7]. Ряд недавно опубликованных работ заставляют предположить, что изменения динамики конвективных процессов, которые отражаются на количестве, организации и отражательной способности облачности и выносе тепла от поверхности, также могут значительно влиять на баланс тепла и температуру планеты [8]. Обмен теплом с океаном может как непосредственно менять температуру — амплитуды таких изменений очень малы, — так и менять динамику атмосферных процессов и уже через эти изменения менять температуру. К сожалению, динамика взаимодействия атмосферы и океана всё еще недостаточно хорошо изучена из-за обилия обратных связей, резонансов и нелинейности [9]. Но, каковы бы ни были изменения динамики и термодинамики в историческое время, наблюдаемый факт состоит в том, что они не вызывали изменений температуры более чем на 0,5°С.

Рис. 1. (МГЭИК 5-й доклад, рис. 6.3): (а) Изменение атмосферных концентраций CO₂ (все изотопы) для станций Мауна Лоа (MLO) и Южный Полюс (SPO) — северное и южное полушария соответственно; (b) кислорода для станций Алерт (ALT) и Кейп Грим (CGO); (c) отношение устойчивых изотопов ¹³C/¹²C характеризует рост относительной доли ископаемого углерода; (d) изменение концентраций метана CH₄ и (e) окислов азота N₂O

С середины XIX века, однако, происходит нечто необычное. Два процесса — беспрецедентный рост температуры более чем на 1°С за 100 лет и увеличение содержания углекислого газа (СО₂) более чем на 40% за это же время — разворачиваются параллельно. Кроме того, сильно растет концентрация метана, окислов азота и других «парниковых» газов. То, что сжигание ископаемого топлива и есть причина роста концентрации СО₂, доказать нетрудно. Для этого нет нужды изучать статистику добычи и использования угля, нефти, газа и т. д., впрочем, эта статистика довольно хорошо известна, достаточно изучить изменение изотопного состава углерода в атмосферном СО₂ и содержание кислорода в атмосфере (рис. 1). В природе встречаются три изотопа углерода в составе различных соединений, минералов, в воздухе и в воде океанов. Наиболее распространённый (около 98% от общего количества этого элемента) стабильный изотоп, ¹²С, содержит 6 протонов и 6 нейтронов. Стабильный изотоп ¹³С, с семью нейтронами, составляет примерно 1%. В воздухе и верхнем перемешанном слое океана имеется также некоторая малая примесь долгоживущего радиоактивного изотопа ¹⁴С, с восемью нейтронами, который получается из азота воздуха при воздействии космического излучения. Точное измерение соотношений изотопов, например отношение ¹²С/¹³С, в массе углекислого газа и метана воздуха позволяет выявить источники наблюдаемых изменений концентрации этих парниковых газов. Растения предпочтительно поглощают ¹²С. Поэтому ископаемое топливо обогащено этим изотопом, в то время как минералы небиологического происхождения и растворённый углерод океанов — нет. Как следствие, при сжигании ископаемого топлива, в воздухе будет меняться не только содержание СО₂, но одновременно и отношение ¹²С/¹³С, что и наблюдается. Этого не будет происходить при изменении активности вулканов или обмена с океаном или же при производстве цемента. Отношение ¹⁴С/¹²С позволяет установить возвращается ли в атмосферу ископаемый углерод, который не содержит ¹⁴С, или это сжигается современная биомасса (леса). Таким образом, с точностью до единиц процентов, установлено, что в атмосферу добавляется углерод из ископаемого топлива, при этом именно путём его сжигания, поскольку одновременно и пропорционально падает содержание кислорода в воздухе.

Таблица 1. Содержание углерода, способного к обмену с атмосферой в разных средах, гигатонны в пересчете на углерод

Эта таблица приведена для общей ориентации: где сколько запасено углерода, способного к пополнению атмосферного СО₂. Содержание СО₂ в атмосфере и темп антропогенной эмиссии определяются прямыми измерениями^*.

Даны только потенциально рентабельные запасы ископаемого топлива. Разброс цифр отражает неопределенность оценки.

Радиационные свойства газовых смесей хорошо изучены в лабораториях, превращены в формулы и тщательно откалиброванные расчетные модели различной сложности. Поэтому нам известен эффект «парниковых» газов на радиационный баланс планеты, что называется, «из пробирки». Он составил к 2014 году в целом около 3 Вт ∙ м⁻², из них эффект собственно добавленного углекислого газа составил 1,7 Вт ∙ м⁻². Хотя мы и точно не знаем баланс тепла на поверхности планеты, мы знаем, что его изменения не вызывали изменений температуры, какие мы наблюдаем за время, совпадающее с периодом роста концентраций парниковых газов.

Таблица 2. Обмен углеродом между атмосферой и другими средами, гигатонны в год

Чистый темп накопления СО₂ в атмосфере составляет около 4,9 гигатонны по углероду. Это составляет лишь половину антропогенной эмиссии (вторая половина «съедается» океаном и растениями), но этого хватает для стремительного увеличения концентрации СО₂ в атмосфере (прирост 0,57% в год) и наблюдаемого потепления. То, что темп накопления СО₂ в атмосфере мал по сравнению с темпом его естественного круговорота, дела не меняет, поскольку естественный круговорот относительно консервативен: скорость обмена меняется гораздо медленней, чем прирост концентрации в атмосфере. Темп сжигания ископаемого топлива точнее оценивается по составу атмосферы, чем по исчерпанию запасов или по данным о сжигании топлива. В частности, антропогенный углекислый газ не содержит радиоактивного изотопа углерода С-14, поскольку в ископаемом топливе он давно распался.

Мы можем также сравнить оценки температуры во время предыдущих межледниковий, когда концентрации парниковых газов мало менялись, с оценками изменений баланса тепла от орбитальных эффектов, которые известны хорошо. Полученные оценки чувствительности климата, т. е. отношения изменения температуры к изменению баланса тепла, хотя и имеют большой разброс, но хорошо согласуются с современными наблюдениями и данными модельных расчетов [10], давая в среднем 1,11 Вт ∙ м⁻² К⁻¹ с 5%–95% интервалом 0,74–1,62 Вт ∙ м⁻² К⁻¹. Для нас важно следующее. Какое бы реалистичное значение чувствительности изменений температуры планеты к изменению баланса тепла мы ни выбрали, наблюдаемые изменения могут быть обеспечены только эффектом накопления СО₂ в атмосфере. Именно это и показывают оценки и модельные эксперименты с «включением» различных комбинаций радиационных эффектов, которые приводятся в докладе МГЭИК (рис. 2). Расчетные аномалии температуры систематически отличаются от ожидаемых аномалий при отсутствии выбросов углекислого газа, и это различие значимо не позже 1980 года.

Рис. 2 (МГЭИК 5-й доклад, рис. 10.1): аномалии температуры, полученные в расчетах исторических изменений климата с 1850 года без роста концентрации парниковых газов (верхняя панель) и с наблюдаемым ростом концентрации (нижняя панель). Справа даны соответствующие географические распределения температурных трендов. Результаты моделирования взяты из двух сравнительных экспериментов CMIP3 и CMIP5

Обратим внимание, что переход к более теплому климату, который соответствует современному содержанию СО₂ в атмосфере, растянут во времени. Температурная аномалия в 1,1°С, наблюдаемая в настоящее время, соответствует концентрациям СО₂ в середине XX века, а нынешние 408 частей на миллион частей воздуха проявятся полностью только во второй половине века XXI. Поэтому даже если немедленно прекратить выбросы, то изменения климата и рост температуры не остановятся еще долго.

Кроме СО₂, главными парниковыми газами являются водяной пар и метан в атмосфере. Содержание водяного пара быстро растет с температурой, что формирует положительную обратную связь с содержанием углекислого газа [11]. Водяной пар в 3–6 раз усиливает эффект СО₂ на рост температуры. Однако при всей своей мощи это лишь вторичный эффект, который сам по себе не приводит к долгосрочным нарушениям теплового баланса. Кроме того, перенос водяного пара в верхние слои атмосферы и его конденсация приводят к охлаждению планеты. Среднее время жизни молекулы водяного пара в атмосфере до ее выпадения на поверхность лишь четверо суток, так что водяной пар находится в динамическом равновесии с более долгоживущими нарушителями теплового баланса. То же можно сказать и о метане. Его время жизни в атмосфере около 30 лет, что также заметно меньше, чем временной масштаб изменений климата. Без СО₂ воздействие и того и другого газа быстро вернется к своему историческому равновесию.

Итак, термодинамику и перенос радиации в атмосфере, т. е. общий баланс тепла, мы понимаем достаточно хорошо; динамику, т. е. перераспределение тепла по планете, — не очень хорошо. Вопрос о роли конвекции и крупномасштабной динамики планетарных волн в атмосфере еще далеко не решен. И та и другая динамика пока не слишком хорошо воспроизводится моделями. Впрочем, модели работают достаточно хорошо, чтобы давать прогноз потепления для наблюдаемого изменения содержания СО₂ (рис. 3). И достаточно хорошо, чтобы воспроизводить некоторую задержку потепления в середине и самом конце XX века [12].

Рис. 3. Проверка предсказаний моделей из сравнительного эксперимента CMIP3, который был использован для подготовки 4-го доклада МГЭИК. Для моделей использованы данные наблюдений до 2000 года. Прогноз выдавался на 20-летний период (2000–2020). Отклонения температуры даны в градусах Фаренгейта. Подготовлено Гавином Шмидтом для [13]

В настоящий момент достигнуты концентрации СО₂, которые не наблюдались на протяжении последних трех миллионов лет. Полученная в результате множества модельных экспериментов и анализа огромного массива исторических и геологических данных зависимость между аномалиями температуры и содержанием углекислого газа позволяет предсказать, что температура вырастет к концу XXI века по меньшей мере еще на один градус. Данные показывают, что дискуссии о сокращении выбросов СО₂ несущественны (в исторической перспективе) (рис. 4). Если выбросы не сокращать, то будут получены совершенно определенные климатические изменения, может быть, только несколько раньше или позже. На временных масштабах развития государства и инфраструктуры различия в последствиях несущественны.

Рис. 4. (МГЭИК 5-й доклад, рис. SPM10): зависимость аномалий температуры от накопленных выбросов антропогенного СО₂. При любом сценарии масса выбросов почти однозначно переводится в изменение температуры

В целом антропогенное изменение климата есть доказанный наукой факт. При всех своих недостатках модели климата в настоящее время развиты настолько, что обладают значительной доказанной предсказательной силой и не только для планеты в целом, но и для некоторых отдельных регионов, например для Северной Атлантики и Арктики. На эти факты и достижения и опирается «климатический консенсус». Серьезные споры сместились либо в область более детального изучения различных процессов, той же динамики конвекции, либо в дискуссию о том, что с этим знанием о потеплении климата человечество должно делать.

Рис. 5. Заметка из новозеландской газеты о климатических последствиях сжигания угля (1912)

К удивлению, наверное, многих, климатические знания всегда были и есть востребованы. Медленные изменения климата, температуры и осадков интересовали человечество с момента зарождения цивилизации. Да и сами цивилизации зародились по берегам великих рек, которые чувствительны к климатическим вариациям. Известны записи уровня воды в Ниле более чем 5-тысячелетней давности. Не утратили актуальности климатические сведения и сейчас. Без знаний температуры и ее изменений невозможно ни дом построить, ни планировать развитие регионов. Последствия выбросов углекислого газа для климата были ясны ученым еще 100 лет назад (рис. 5), хотя для перехода от качественных к количественным оценкам потребовалось развитие многих отраслей математики и физики, а также системы наблюдений. Нет нужды кого-либо убеждать, что наблюдаемые изменения климата уже приняты во внимание страховыми компаниями и банками. Борьба разворачивается за принятие климатических прогнозов. Столь критикуемое климатическими активистами нежелание политиков и капитанов бизнеса противодействовать изменениям климата на деле во многом мнимое: конкретный бизнес и политика почти не имеют столь далеких горизонтов планирования, ведь требуется заблаговременность решений в 30–50 лет и более.

Тут, кажется, проявляется классическая проблема теории игр: платить надо сейчас, чтобы снизить риски, которые станут заметны через десятилетия. Поэтому внимание климатологов сосредотачивается на определении рисков климатических изменений в тех географических областях и в тех физических процессах, где они могут быть достаточно точно определены при современном уровне знаний. Одна из таких областей — Арктика и прилегающие территории — непосредственно касается России. Арктика освобождается ото льда на один, два, может быть, и три месяца в году уже через два-три десятилетия, при этом место толстого многолетнего льда занимает тонкий однолетний лед. В этом прогнозе у климатологов разногласий нет. Что за этим последует, кроме улучшения условий судоходства, не совсем понятно. Есть работы, которые указывают на усиление атмосферных волн тепла и холода в средних (более заселенных) широтах вследствие открытия Арктики. Есть другие работы, где эти выводы ставятся под сомнения. Цена вопроса для России высока. Может быть, вместо абстрактных споров о климатах далекого прошлого, что само по себе ценно, заняться более активным изучением сценариев и физических процессов климатов будущего, даже если какие-то из этих сценариев и не будут реализованы?

Литература
1. Soon W., Connolly R., & Connolly M. (2015). Re-evaluating the role of solar variability on Northern Hemisphere temperature trends since the 19th century // Earth-Science Reviews, 150, 409–452.
2. Canty T., Mascioli N. R., Smarte M. D., & Salawitch R. J. (2013). An empirical model of global climate — Part 1: A critical evaluation of volcanic cooling // Atmospheric Chemistry and Physics, 13(8), 3997–4031.
3. «Key World Energy Statistics 2019». International Energy Agency. 26 September 2019. Pp. 6, 36. Retrieved 7 января 2020.
4. Manabe S. (1997). Early Development in the Study of Greenhouse Warming: The Emergence of Climate Models // Ambio, 26(1), 47–51.
5. Neukom R., Barboza L. A., Erb M. P. et al. Consistent multidecadal variability in global temperature reconstructions and simulations over the Common Era // Nat. Geosci. 12, 643–649 (2019) DOI: 10.1038/s41561-019-0400-0.
6. Robock, A. (2000), Volcanic eruptions and climate // Rev. Geophys., 38, 191–219.
7. Brönnimann S., Franke J., Nussbaumer S. U. et al. Last phase of the Little Ice Age forced by volcanic eruptions // Nat. Geosci. 12, 650–656 (2019) DOI: 10.1038/s41561-019-0402-y.
8. Schneider T., Kaul C. M., & Pressel K. G. (2019). Possible climate transitions from breakup of stratocumulus decks under greenhouse warming // Nature Geoscience, 12(3), 163–167.
9. Shepherd T. G. (2014). Atmospheric circulation as a source of uncertainty in climate change projections // Nature Geoscience.
10. Knutti R., Rugenstein M. & Hegerl G. Beyond equilibrium climate sensitivity // Nature Geosci. 10, 727–736 (2017) DOI: 10.1038/ngeo3017
11. Bony S. et al (2015). Clouds, circulation and climate sensitivity // Nature Geoscience, 8, 261–268.
12. Medhaug I., & Drange H. (2015). Global and regional surface cooling in a warming climate: a multi-model analysis // Climate Dynamics.
13. Alan Buis. Study Confirms Climate Models are Getting Future Warming Projections Right // Global Climate Change, 9.01.2020.

^* Pierre Friedlingstein et al. Global Carbon Budget 2019.