Почему климат на Земле так стремительно меняется

Наука и жизньНаука

Солнце меняет климат

Кандидат географических наук Валерий Фёдоров, географический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова.

Атмосферная станция у вершины вулкана Мауна-Лоа (Mauna Loa Observatory — MLO) на острове Гавайи, США. Здесь впервые в 1958 году начали инструментальные наблюдения за содержанием углекислого газа и долгое время вели их только здесь.

Климат на Земле стремительно меняется. Связанные с этим природные явления создают риски для благополучия жизни будущих поколений. Особое беспокойство и тревогу вызывают сокращение площади морских льдов, горных и полярных ледников, деградация вечной мерзлоты, повышение уровня Мирового океана, изменение режима и интенсивности атмосферных осадков, увеличение числа тайфунов и ураганов, засушливых периодов и масштабных природных пожаров, рост неустойчивости в развитии природных процессов.

Достоверное прогнозирование последствий климатических изменений возможно, если оно базируется на реалистичных факторах, влияющих на климат. Среди таких факторов основными считаются солнечная радиация, парниковый эффект, вулканическая деятельность и механизмы теплообмена.

В конце XIX века Сванте Аррениус высказал предположение, что глобальные изменения климата могут быть связаны с изменением содержания дву-окиси углерода в атмосфере. В настоящее время мнение о том, что основная причина изменения глобального климата — парниковый эффект, связанный, главным образом, с эмиссией парниковых газов, которая определяется антропогенным фактором, — претендует на статус достоверного и общепризнанного. Однако убедительные научные доказательства, подтверждающие это мнение, не приводятся. В связи с этим попытаемся оценить влияние углекислого газа, связанного с деятельностью человека, на изменения термического режима атмосферы и разобраться в реальных причинах, определяющих эволюцию современного глобального климата.

Ложка рукотворного углекислого газа в бочке парниковых газов

Для начала напомним, что такое парниковый эффект Земли. Парниковый эффект проявляется в способности ряда газов и аэрозолей удерживать тепло, получаемое нашей планетой от Солнца. Иными словами, приходящая от Солнца коротковолновая радиация разогревает поверхность нашей планеты, которая излучает тепло в виде длинноволнового (инфракрасного) излучения. Это тепло нагревает атмосферу и частично удерживается ей.

Оценка парникового эффекта основывается на понятии эффективной температуры Земли Te и её отличии от фактической температуры земной поверхности. Эффективная температура Te соответствует потоку инфракрасного излучения от Земли L, уходящему в космос, в расчёте на единицу земной поверхности. Она (в градусах Кельвина) оценивается в соответствии с законом Стефана—Больц-мана (L = σTe4). Если обозначить через T температуру земной поверхности, то разность ΔТ = (T – Te) есть парниковый эффект. Сотрудники Национального центра атмосферных исследований (США) показали1, что интенсивность солнечной радиации на верхней границе атмосферы составляет 341,3 Вт/м2. Если принять альбедо Земли, то есть долю приходящей солнечной радиации, отражённой атмо-сферой и земной поверхностью, равным 30%2, то отражённая радиация составит 102,4 Вт/м2. Достигающей поверхности Земли солнечной радиации (238,9 Вт/м2) в соответствии с формулой Стефана— Больцмана соответствует эффективная температура, равная 254,7 К. Таким образом, парниковый эффект оказывается равным 33,3 К.

1 Trenberth K. E., Fasullo J. T., and Kiehl J. Earth global energy budget. // American meteorological society, march 2009. P. 311—323.

2 Общепринятое значение для Земли, рассчитанное на основе измерений отражённой радиации от поверхностей разного типа — водной, снежной и др., и атмосферы.

В случае, если бы у нашей планеты не было атмосферы (при существующем притоке солнечной радиации), её температура была бы ниже нынешней приблизительно на 33°С и составила бы –18°С (255 К). Среднегодовая приповерхностная температура Земли 288 К. Следовательно, парниковым эффектом планеты определяется 11,4% (33 К) температурного режима Земли.

Оценим теперь способность человека влиять на глобальную температуру нашей планеты. Основной парниковый газ — водяной пар. Это понятно, так как около 70% земной поверхности занято океаном, с поверхности которого вода испаряется. Содержание водяного пара в атмосфере в среднем составляет около 2% и может достигать 4% в единице объёма воздуха. Содержание углекислого газа (суммарно естественного и антропогенного) всего 0,04% (или 400 ppm — миллионных частей в единице объёма воздуха).

Составляющие радиационного баланса Земли. Стрелками схематично обозначены потоки энергии. Рисунок (с изменениями) из статьи: Trenberth K. E., Fasullo J. T., Kiehl J. Earth global energy budget. // American meteorological society, march 2009. P. 311—323.

Водяной пар удерживает около 75—80% длинноволновой радиации. На долю СО2 (суммарно естественного и антропогенного), по расчётам доктора физико-математических наук Бориса Михайловича Смирнова3, приходится около 15—20% (для безоблачного неба). Принимая, что водяным паром определяется 75% парникового эффекта, а СО2 — 20%, их вклад в температурный режим атмо-сферы составит (от 33 К) 24,75 К и 6,6 К соответственно. Парниковый эффект, обусловленный углекислым газом, определяется естественной и антропогенной составляющей. Антропогенные выбросы в настоящее время, как показал ведущий сотрудник географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова Владимир Николаевич Голубев4, составляют приблизительно 9 Гт/год. Суммарное содержание СО2 в атмосфере сегодня оценивается в 910 Гт.

3 Смирнов Б. М. Физика глобальной атмосферы. —Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2017.

4 Голубев В. Н. Роль арктического морского ледяного покрова в газообмене поверхностных геосфер. // Криосфера Земли, 2010, т. XIV, № 4, с. 17—29.

Каково влияние этих выбросов на термический режим атмосферы и как он менялся в период интенсивного индустриального развития (1959—2021 годы)? Общее содержание СО2 в атмосфере в 1959 году5 составляло 316 ppm, в 2021 году — 414,7 ppm. Следовательно, за период с 1959 по 2021 год его содержание возросло на 98,7 ppm, увеличиваясь в среднем за год на 1,57 ppm. Поскольку 1 ppm приблизительно равен 0,5 Гт, то ежегодное увеличение углекислого газа в этот период составляло 0,78 Гт.

5 1959 год — год начала инструментальных наблюдений за содержанием углекислого газа, которые вели долгое время только на станции Мауна-Лоа на Гавайских островах

Примем для всего периода ежегодные антропогенные выбросы СО2, равные 9 Гт (хотя, по данным В. Н. Голубева, ещё в начале нынешнего тысячелетия они составляли около 7,5 Гт). Ежегодное поступление естественного СО2 с поверхности материков и океана (без учёта вулканических выбросов), по данным Агентства по охране окружающей среды США, составляет около 211 Гт. Эти ежегодные поступления вовлекаются в углеродный цикл и поглощаются в области стока СО2 — в Мировом океане.

При этом в среднем за год остаётся непоглощённым 0,78 Гт — таково ежегодное увеличение содержания СО2 в атмосфере. В данном остатке антропогенный углекислый газ составляет не более 4,1% (9 Гт/(9 Гт + 211 Гт) = 0,0409). Таким образом, ежегодно в атмосфере накапливается 0,032 Гт антропогенного СО2. Следовательно, за 62 года (с 1959 по 2021 год) в атмосфере накопилось 2,01 Гт диоксида углерода, связанного с деятельностью человека. От общего содержания СО2 в атмосфере — 910 Гт — это составляет 0,22%.

Теперь оценим вклад антропогенного углекислого газа в изменение приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) за тот же период. Аномалия приповерхностной температуры воздуха в Северном полушарии, по данным университета Восточной Англии и метеобюро Хэдли (Hadley Center, Великобритания), в 1959 году оценивается в 0,073°С, в 2021 году — в 1,178°С6, то есть изменение приповерхностной температуры воздуха за этот период составляет 1,105°С. Допустим, что всё потепление связано только с парниковым эффектом (то есть примем, что поступление солнечной радиации не изменялось, вулканических извержений в этот период не происходило) и увеличение содержания водяного пара в атмосфере происходило сходным образом с увеличением СО2. Тогда 75% роста приповерхностной температуры воздуха (0,829°С) связано с водяным паром, а 20% (0,221°С) определяется углекислым газом. Поскольку антропогенный СО2, накопленный за этот период, составляет 0,22% от его общего содержания, то из 0,221°С углекислым газом естественного происхождения в Северном полушарии определяется 0,2205°С, а антропогенным — 0,0005°С.

6 За климатическую норму Всемирная метеорологическая организация принимает средние значения за 1961—1990 годы.

В Южном полушарии аномалия приповерхностной температуры воздуха в 1959 году оценивалась в −0,038°С, в 2021 году — в 0,481°С, то есть её увеличение составляет 0,519°С. В этом случае с водяным паром связано увеличение приповерхностной температуры воздуха на 0,389°С, с углекислым газом — на 0,104°С. Вклад антропогенного СО2 в потепление в Южном полушарии с 1959 по 2021 год составляет всего 0,0002°С.

Глобальный углеродный цикл. Чёрными цифрами обозначены запасы углекислого газа в гигатоннах, синими цифрами — потоки в год (Гт/год). Рисунок: www.epa.gov

Для Земли аномалия приповерхностной температуры воздуха в 1959 году составляла 0,017°С, в 2021 — 0,827°С, то есть ПТВ Земли увеличилась за 62 года на 0,810°С. Вклад водяного пара в этот рост — 0,608°С, вклад суммарного углекислого газа — 0,162°С. При этом антропогенный СО2 ответственен за увеличение приповерхностной температуры воздуха Земли на 0,0004°С.

Эти значения находятся в пределах ошибок измерения температуры. Следовательно, наблюдаемое глобальное потепление не связано с деятельностью человека. Напомним, что при оценке вклада антропогенного СО

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Кому и зачем нужна осиная талия Кому и зачем нужна осиная талия

Зачем насекомым тонкая талия?

Наука и жизнь
Молочный, миндальный или джесснера Молочный, миндальный или джесснера

Лучшие пилинги на зиму

Лиза
Дорога в «парадиз» Дорога в «парадиз»

В августе 1700 года Пётр начал, без объявления, войну со Швецией

Дилетант
Одна вокруг света: плоские горы и холмы Бразилии, укрытые лоскутным одеялом Одна вокруг света: плоские горы и холмы Бразилии, укрытые лоскутным одеялом

202-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко: Бразилия

Forbes
Цикличность большого взрыва Цикличность большого взрыва

Каков физический механизм Большого взрыва?

Наука и жизнь
Взаимо(не)выгодные отношения: стоит ли давать деньги в долг — личный опыт Взаимо(не)выгодные отношения: стоит ли давать деньги в долг — личный опыт

Можно ли давать деньги в долг и сохранить хорошие отношения?

Psychologies
Неизведанный Байкал Неизведанный Байкал

Факты о Байкале, которые мало кто знает

Наука и жизнь
«Не скрещивайте руки и ноги»: парикмахеры рассказали, что нельзя делать во время стрижки «Не скрещивайте руки и ноги»: парикмахеры рассказали, что нельзя делать во время стрижки

Уверена, что клиент всегда прав? А вот твой мастер считает иначе!

VOICE
Разделённые Разделённые

Сегодня разделённые страны составляют значительную часть современной карты мира

Дилетант
Торможение на повороте: почему китайская экономика не вернется к былому росту Торможение на повороте: почему китайская экономика не вернется к былому росту

Китаю необходимо переходить на внутренние источники развития

Forbes
Слово в небе Слово в небе

Необычный случай из книги «Воля Вселенной»

Наука и жизнь
Как искать работу в кризис: инвестиционный подход Как искать работу в кризис: инвестиционный подход

Что лучше: создавать ниши для себя или встраиваться в существующие?

Psychologies
Конец Запорожской Сечи Конец Запорожской Сечи

Самостоятельность казаков приносила империи слишком много проблем

Дилетант
Старение можно обратить вспять эпигенетическим перепрограммированием Старение можно обратить вспять эпигенетическим перепрограммированием

Если восстановить нормальную работу эпигенетики, организм можно омолодить

ТехИнсайдер
5 фэнтезийных циклов про обаятельных мошенников 5 фэнтезийных циклов про обаятельных мошенников

Фэнтезийные книги, в которых главными героями выступают воры и жулики

Maxim
День нематери: как я потеряла двоих детей и нашла силы жить дальше День нематери: как я потеряла двоих детей и нашла силы жить дальше

Как пережить потерю детей, простить себя и жить дальше

VOICE
Этот известный немецкий актер из фильма Этот известный немецкий актер из фильма

Кое-какие взаимоотношения в творческой среде становятся настоящим сюрпризом!

VOICE
Как увеличить шрифт в Яндексе Браузере на смартфоне или компьютере Как увеличить шрифт в Яндексе Браузере на смартфоне или компьютере

Рассказываем, как увеличить шрифт в Яндексе, используя настройки браузера

CHIP
Справедливые чувства: почему мы имеем право выражать свои негативные эмоции Справедливые чувства: почему мы имеем право выражать свои негативные эмоции

Отрывок из книги психотерапевта Дэвида Бернса «Хорошее настроение»

Forbes
Астрономы нашли планетную систему, где сразу две экзопланеты размером с Землю вращаются в обитаемой зоне Астрономы нашли планетную систему, где сразу две экзопланеты размером с Землю вращаются в обитаемой зоне

Астрономы находят все новые и новые относительно легкие планеты

ТехИнсайдер
Самый красивый маньяк СССР: как 25-летний мужчина использовал свою красоту в качестве оружия, которое его же и погубило Самый красивый маньяк СССР: как 25-летний мужчина использовал свою красоту в качестве оружия, которое его же и погубило

Самый странный маньяк в истории — никто так и не понял мотива его преступлений

ТехИнсайдер
6 научно доказанных преимуществ быть владельцем кота 6 научно доказанных преимуществ быть владельцем кота

Кошки способны изменить вашу жизнь к лучшему!

ТехИнсайдер
Почему болят суставы Почему болят суставы

Что делать, если появились боли в спине, отечность и хруст суставов?

Лиза
«Будьте хозяином ваших мыслей»: как освободиться от страха и тревоги — 4 полезные практики «Будьте хозяином ваших мыслей»: как освободиться от страха и тревоги — 4 полезные практики

Как вернуть самообладание и избавиться от сковывающей тревоги?

Psychologies
Когда хочется сказать «нет»: как отказать партнеру в сексе — психологический разбор Когда хочется сказать «нет»: как отказать партнеру в сексе — психологический разбор

Почему некоторые женщины не находят в себе сил отказать в сексе

Psychologies
Культовые кроссовки, выпуск 7: история adidas Samba — футбольной пары, ставшей универсальной Культовые кроссовки, выпуск 7: история adidas Samba — футбольной пары, ставшей универсальной

Разбираемся в феномене популярности модели adidas Samba

Правила жизни
Почему не стоит использовать гаджеты перед сном? Почему не стоит использовать гаджеты перед сном?

Почему специалисты не рекомендуют использовать гаджеты перед сном?

CHIP
Расслабляющий чай, удобрение для растений и еще кое-что: 8 потрясающих идей, как использовать хвою от елки Расслабляющий чай, удобрение для растений и еще кое-что: 8 потрясающих идей, как использовать хвою от елки

Еловые иголки — материал, который непременно пригодится в каждом доме

ТехИнсайдер
Как защититься от переработок, которые навязывают лиды: шесть практических советов Как защититься от переработок, которые навязывают лиды: шесть практических советов

Как сохранить work-life balance?

VC.RU
Здесь детям страх неведом: 20 фактов о Тиме Бертоне Здесь детям страх неведом: 20 фактов о Тиме Бертоне

Интересные факты из биографии Тима Бертона

Правила жизни
Открыть в приложении