Доказательства изменения климата

Для оценки влияния ледяного покрова на термический режим высоких широт был выполнен расчет годового хода температуры воды и воздуха, который имел бы место в центральных арктических областях при отсутствии ледяного покрова. В этом расчете

было учтено влияние на температуру изменений всех составляющих теплового баланса, влияние изменений трансформации воздуха над океаном и влияние изменений меридионального переноса тепла. Результаты указанного расчета представлены на рис. 4. Из этого рисунка видно, что при отсутствии льда летние температуры в Центральной Арктике должны составлять 15—20°, а зимние 5—10°.

Следовательно, если бы ледяной покров Северного Ледовитого океана исчез, то произошли бы резкие изменения климата, в результате которых он не смог бы более восстановиться. В этом случае термические условия в Арктике стали бы достаточно благоприятными для произрастания на островах и побережьях материка растительности умеренной и даже субтропической зоны.

Климатические условия умеренных широт при этом также должны измениться в сторону некоторого повышения температуры летом и существенного смягчения зимних условий.

Как показывают результаты расчетов, сходные изменения должны были бы произойти в климате южного полушария при исчезновении ледяного покрова Антарктиды. При этом в ее центральных областях летние температуры должны быть выше, чем в Арктике, и приближаться к температурам тропиков. Наряду с этим в зимнее время температуры в Антарктиде были бы ниже, чем в Арктике, что объясняется различиями в тепловом балансе материка и океана.

Изложенная здесь картина климатических условий, которые должны были бы иметь место в высоких широтах при отсутствии ледяных покровов, соответствует климатическому режиму доледникового времени, когда в полярных областях развивались растения и жили животные, сходные с растениями и животными более низких широт.

Таким образом можно заключить, что обусловленные шарообразной формой Земли изменения средних высот Солнца на различных широтах не являются главной причиной существующей резко выраженной термической зональности. Эта зональность возникла в ледниковую эпоху и существует сейчас главным образом из-за того, что ледяной покров высоких широт резко снижает температуры в этих широтах, поддерживая тем самым свое существование. Иначе (говоря, ледяные покровы Арктики и Антарктики являются в большей мере причиной, чем следствием, низких температур в высоких широтах.

Таким образом, слабо выраженная термическая зональность является нормальным климатическим режимом, который существовал большую часть геологической истории Земли.

При слабо выраженной термической зональности сравнительно небольшие разности температур между экватором и полюсами должны были несколько изменяться в зависимости от расположения суши и океанов. Однако резко выраженная термическая зональность могла возникнуть только при развитии ледяного покрова на суше или на океанах, для чего было необходимо действие дополнительных факторов, заметно снижающих температуру Земли.

Используя метод анализа теплового баланса для расчета связей условий оледенения с термическим режимом, можно сделать ряд выводов о закономерностях развития оледенений.

Первый из них относится к

расположению оледенений относительно земной оси.

Если вследствие катастрофических вулканических извержений, заполняющих стратосферу пылью, или из-за других причин количество поступающей солнечной радиации заметно уменьшится и соответственно снизится температура, то на первый взгляд кажется, что оледенения должны начаться в высоких широтах, где температуры наиболее низки. Однако, как было указано выше, в неледниковую эпоху количество поглощенной радиации и связанные с ним средние температуры воздуха у полюсов и у экватора отличаются сравнительно мало. Поэтому при наличии особо благоприятных для оледенений форм рельефа и режима осадков в низких широтах ледяной покроев мог начать развиваться в районах, лежащих в тропической зоне. Такая возможность подтверждается выполненными нами расчетами теплового баланса и термического режима для гипотетического экваториалыного оледенения. Вместе с тем возможность устойчивого существования крупного оледенения вблизи экватора видна из того, что солнечная радиация, приходящая в летнее время в центральные районы Антарктиды, оказалась по данным наблюдений гораздо больше радиации, которая может поступать в любом сезоне любого района тропиков. Тем не менее летом в центре Антарктиды наблюдаются весьма низкие температуры, которые делают возможным длительное существование ледника.

Вывод о возможности развития крупных оледенений в тропической зоне уменьшает необходимость использования дополнительных гипотез, которые ранее привлекались для интерпретации этого явления.

С вопросом о возможности развития тропических оледенений определенным образом связан другой вывод о закономерностях режима оледенений, который заключается в установлении теоретической возможности полного оледенения земного шара. Произведенные нами расчеты позволили оценить, как изменится температура Земли, если ее поверхность на какой-то срок будет полностью закрыта снегом и льдом. Оказалось, что в таких условиях из-за громадного увеличения альбедо и повышения прозрачности атмосферы температура воздуха у поверхности Земли снизится примерно на 100° по сравнению с существующими температурами. Таким образом, Земля, покрытая снегом и льдом, будет находиться в состоянии устойчивого оледенения с очень низкими температурами на всех широтах. Можно сделать очевидный вывод, что реально имевшие место на протяжении истории Земли временные понижения прихода солнечной радиации были недостаточны для общего оледенения, которое могло бы совершенно изменить историю нашей планеты.

Таким образом, выясняется, что возможны два типа устойчивого термического режима Земли: первый — при полном отсутствии оледенений со сравнительно высокими температурами и слабо развитой термической зональностью; второй — при полном оледенении, связанном с очень низкими температурами.

Промежуточные состояния с частичным развитием оледенений и резко выраженной термической зональностью из-за постоянной изменчивости атмосферной и океанической циркуляции не могут быть вполне устойчивыми и должны рано или поздно перейти к одному из двух типов устойчивого режима. При этом чем меньшую часть поверхности земного шара занимают оледенения, тем более вероятным является их сравнительно быстрое с точки зрения геологического времени исчезновение, связанное с разрушением резко выраженной термической зональности.

Перейдем теперь к вопросу о возможности применения современных методов климатологического анализа для оценки перспектив активных воздействий на климат.

Известно, что в течение длительного времени влияние деятельности человека на климат было весьма ограниченным. Хотя некоторые хозяйственные мероприятия (орошение в засушливых районах, лесонасаждение, осушение болот и др.) приводили к определенным изменениям метеорологического режима, однако эти изменения были сравнительно невелики, отмечались только в самом нижнем слое воздуха и не оказывали существенного влияния на метеорологические процессы большого масштаба, определяющие генезис климата.

В начатых в последние годы исследованиях возможности преобразования климатических условий на обширных территориях выяснено, что в результате развития техники и энергетики изменения климата становятся не только возможными, но и до некоторой степени неизбежными. Это можно установить, в частности, сравнив природный энергетический баланс земной поверхности с количеством энергии, производимой человеком.

Основным показателем ресурсов энергии солнечной радиации, которые могут использоваться в различных природных процессах на земной поверхности, является радиационный баланс поверхности Земли, равный разности поглощенной солнечной радиации и количества уходящего длинноволнового излучения. По нашим последним расчетам, средняя величина радиационного баланса для всей поверхности суши равна примерно 50ккал/см2 год. Эту величину следует сопоставить с количеством энергии, используемой сейчас человеком. Учитывая имеющиеся статистические данные, можно рассчитать, что соответствующее значение на единицу поверхности суши приблизительно равно 0,02 ккал/см2 год.

Для районов с плотным населением и с высоким уровнем промышленного развития количество энергии, используемой на единицу площади, значительно возрастает. По имеющимся данным можно установить, что в отдельных странах на площади в десятки тысяч квадратных километров количество используемой энергии достигает 1 ккал/см2 год, а на территории больших городов (площадью в десятки квадратных километров) — сотенккал/см2 год.

Поскольку вся эта энергия превращается в тепло, то очевидно, что уже сейчас в некоторых районах количество тепла, поступающего в результате деятельности человека, сравнимо с энергией радиационного баланса. Такой фактор оказывает, в частности, существенное влияние на микроклимат больших городов, для которых характерно некоторое повышение температуры воздуха по сравнению с окружающими районами. Оно сравнительно невелико из-за действия атмосферной циркуляции, которая выносит избыток тепла за пределы города. При отсутствии горизонтального переноса воздуха его температура в промышленных центрах должна была бы резко повыситься.

Так как используемые энергетические ресурсы быстро возрастают, то тенденция к потеплению климата в наиболее населенных районах постепенно будет усиливаться.

В имеющейся литературе высказываются различные мнения в отношении темпов увеличения производства энергии в ближайшем будущем. В настоящее время ежегодный прирост производства энергии составляет 4%, причем некоторые исследователи предполагают, что вскоре этот прирост может возрасти до 10% и даже до еще больших величин (рис. 5). Из рис. 5 видно, что при увеличении производства энергии на 10% в год общее количество энергии, вырабатываемое человеком, превзойдет величину радиационного баланса раньше, чем через 100 лет, а при увеличении на 4% — через 150 лет. Такое положение может иметь место при широком использовании атомной энергии. В указанных условиях солнечная радиация уже не будет главным климатообразующим

фактором, поскольку основным источником тепла на земной поверхности станет энергия, вырабатываемая человеком.

Такой расчет, несмотря на его некоторую условность, показывает, что в будущем станут возможными самые широкие преобразования климата в наиболее выгодном для хозяйственной деятельности направлении.

Следует, однако, выразить уверенность, что первые крупные воздействия на климат будут осуществлены задолго до достижения уровня производства энергии, сравнимого с величиной радиационного баланса. Эти воздействия будут направлены на неустойчивые метеорологические процессы, ход которых может быть изменен при затрате сравнительно малых количеств энергии.

В 1962 г. в Главной геофизической обсерватории была проведена первая научная конференция по проблеме преобразования климата. Ее результаты подтвердили, что быстрый прогресс науки и техники открывает сейчас возможности для разработки методов изменения климата обширных территорий.

Исследования по проблеме преобразования климата, обсуждавшиеся на указанной конференции, относились к нескольким различным направлениям. Не имея возможности останавливаться сколько-нибудь подробно на их содержании, отметим только, что наиболее близкие перспективы воздействий на климат связаны с работами по искусственному образованию осадков посредством рассеивания в атмосфере твердой углекислоты и других реагентов. В многочисленных исследованиях, выполненных в нашей стране и за границей, были изучены физические условия, при которых такие воздействия оказываются успешными. Учитывая результаты этих исследований и используя теорию влагооборота, оказывается возможным оценить перспективы применения методов воздействия на осадки для изменения не только условий погоды в отдельных случаях, но и для преобразования климата в результате систематических воздействий.

Одновременно получены данные о возможности изменений термического режима атмосферы посредством воздействия на облака. Применение твердой углекислоты и других реагентов в определенных условиях позволяет рассеивать облачность, что оказывает заметное влияние на температуру воздуха. В северных районах, где тепла недостает, рассеивание облаков в летнее время может иметь существенное практическое значение.

Другой путь воздействия на режим осадков связан с изменениями состояния подстилающей поверхности, включающими, в частности, изменения сумм испарения. Современными исследованиями влагооборота установлено, что местное испарение даже в пределах довольно обширной территории составляет очень небольшую часть от общего количества водяного пара, переносимого в атмосфере над этими территориями. Это ограничивает возможность воздействия на влагооборот и осадки путем изменения испарения. Вместе с тем известно, что при особенно благоприятных условиях небольшие изменения количества водяного пара могут привести к образованию осадков. Поэтому вопрос об изменениях режима осадков при осуществлении таких мероприятий, как искусственное орошение, имеет практическое значение, особенно в связи с тем, что сейчас планируется орошение обширных засушливых территорий нашей страны.

Наряду с мероприятиями, связанными с изменениями состояния подстилающей поверхности, можно назвать еще ряд изучаемых в настоящее время методов воздействия на климат, причем некоторые из этих методов могут оказаться осуществимыми в сравнительно близком будущем. К их числу относятся прямые воздействия на воздушные течения с целью изменения траекторий движения воздушных масс, рассеивание в атмосфере тонкой пыли, которая может изменить радиационные потоки, воздействия на электрические процессы в атмосфере и некоторые другие.

Значительный интерес представляет вопрос о возможности воздействия на ледяной покров Северного Ледовитого океана, что в последнее время обсуждалось в печати. Этот вопрос тесно связан с первой частью данного сообщения.

Как было отмечено выше, уничтожение арктического ледяного покрова могло бы привести к восстановлению климатических условий доледниковых эпох, когда температуры воздуха в высоких и низких широтах северного полушария различались сравнительно мало.

Вопрос о целесообразности такого мероприятия, как уничтожение полярного льда, очень сложен. Следует иметь в виду, что после уничтожения льдов кроме значительного потепления в высоких широтах должен существенно измениться режим осадков. При этом уменьшение контрастов температуры между полюсом и экватором приведет к ослаблению интенсивности циркуляции, что может способствовать уменьшению сумм осадков в ряде континентальных районов.