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

Вон из России! Вон из России!

Осенью 1922-го от причалов отходили не только корабли с белогвардейцами

Дилетант
Вредная свекровь, сосед или коллега? Как наладить отношения с неприятным человеком — советы коуча Вредная свекровь, сосед или коллега? Как наладить отношения с неприятным человеком — советы коуча

Что делать, если приходится налаживать контакт с тем, кто тебе неприятен?

Psychologies
Ненужная, но вездесущая ртуть Ненужная, но вездесущая ртуть

Употреблять щуку в пищу, оказывается, может быть небезопасно

Наука и жизнь
Из точки А в точку Б проверенным маршрутом | From A to B by a Proven Route Из точки А в точку Б проверенным маршрутом | From A to B by a Proven Route

Теория изменений как инструмент планирования и оценки

Позитивные изменения
Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

Как робкие предположения превратились в современные гипотезы о развитии жизни

Наука и жизнь
Удары по голове, веселящий газ и кокаин: что в древности использовали в качестве анестезии? Удары по голове, веселящий газ и кокаин: что в древности использовали в качестве анестезии?

Как люди в древности облегчали свою боль?

ТехИнсайдер
Цикличность большого взрыва Цикличность большого взрыва

Каков физический механизм Большого взрыва?

Наука и жизнь
Звезды Бухдаля: как устроены невероятные черные дыры, у которых нет горизонта событий Звезды Бухдаля: как устроены невероятные черные дыры, у которых нет горизонта событий

Неуловимые «звезды Бухдаля» — это черные дыры без горизонта событий

ТехИнсайдер
Диван желаний Диван желаний

Татьяна Бабенкова из сериала и фильма «Полицейский с Рублевки»

Maxim
Страна дальнего следования Страна дальнего следования

В России работает непреложное правило — чем дальше в лес, тем ярче приключения

СНОБ
Путь на Олимп Путь на Олимп

Как возродилась древняя традиция Олимпийских игр

Вокруг света
Семь блюд, которые нельзя готовить без алкоголя Семь блюд, которые нельзя готовить без алкоголя

Иногда добавление выпивки в еду — способ сделать блюдо неповторимым

Maxim
Кухонный компромисс Кухонный компромисс

Планируем и обустраиваем кухню

Идеи Вашего Дома
Украсть ребенка Украсть ребенка

Психолог рассказывает об одном из самых необычных случаев в ее практике

СНОБ
«Стыд и срам!»: за какие поступки осуждали мужчин в СССР «Стыд и срам!»: за какие поступки осуждали мужчин в СССР

Раньше каждый мужчина в СССР должен был жить четко по плану

ТехИнсайдер
Все кончено Все кончено

Секс как средство от тревоги

СНОБ
Честность и безопасное пространство: как работают женские профессиональные сообщества Честность и безопасное пространство: как работают женские профессиональные сообщества

Какие возможности женские профессиональные сообщества дают своим участницам

Forbes
Породы собак, которых нельзя держать в квартире Породы собак, которых нельзя держать в квартире

Если вы решили завести четырехлапого друга, подойдите к этому вопросу с умом!

ТехИнсайдер
Устойчивость в неустойчивом | Stability in the Unstable Устойчивость в неустойчивом | Stability in the Unstable

Как социальные предприятия выживают и адаптируются в VUCA-мире

Позитивные изменения
Счастливый брак: как улучшить отношения в паре Счастливый брак: как улучшить отношения в паре

Как направить благодарность на укрепление отношений

Psychologies
Шпионские игры джентльменов Шпионские игры джентльменов

Британские телевизионщики сняли ещё один сериал про Кима Филби

Дилетант
Достойная заявка на «теорию всего»: почему теория струн провалилась Достойная заявка на «теорию всего»: почему теория струн провалилась

Теория струн возникла 50 лет назад как способ понять ядерное взаимодействие

ТехИнсайдер
Запорожские франты Запорожские франты

В ярком казачьем костюме нищета сочеталась с роскошью, а русское — с татарским

Дилетант
На одной из лун Сатурна сугробы достигают 700 метров в глубину На одной из лун Сатурна сугробы достигают 700 метров в глубину

Толщина снежных сугробов на Энцеладе достигает феноменальных значений

ТехИнсайдер
Марк Паско: «Тендер — это гораздо больше, чем просто челнок, который возит пассажиров туда-сюда» Марк Паско: «Тендер — это гораздо больше, чем просто челнок, который возит пассажиров туда-сюда»

Марк Паско — о неразрывной связи яхты и тендера и

Y Magazine
Что на самом деле происходит с организмом во время долгого перелета? Это не так безопасно, как вы думали Что на самом деле происходит с организмом во время долгого перелета? Это не так безопасно, как вы думали

Что же происходит с нашим телом за время длительных перелетов?

ТехИнсайдер
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
«Каждая женщина умеет мечтать» «Каждая женщина умеет мечтать»

Евгения Добровольская о своей героине, а также о роли в новом фильме

OK!
Красота — страшная сила: как советская манекенщица получила мировую известность и в итоге покончила с собой Красота — страшная сила: как советская манекенщица получила мировую известность и в итоге покончила с собой

Регину Збарскую за рубежом прозвали «самым красивым оружием Кремля»

ТехИнсайдер
«Нежность недооценена»: зачем нужна забота в отношениях — личное мнение «Нежность недооценена»: зачем нужна забота в отношениях — личное мнение

Нежность — одна из недооцененных эмоций нашего несентиментального времени

Psychologies
Открыть в приложении