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

Зелёная подкладка, или Разгадка тайны Саши Баки Зелёная подкладка, или Разгадка тайны Саши Баки

При изучении русской иконографии важна любая, даже самая незначительная деталь

Дилетант
Как выглядел обладатель знаменитого Как выглядел обладатель знаменитого

Иерихонский череп обрел новое лицо благодаря новейшим методам реконструкции

ТехИнсайдер
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Джеймс Уэбб нашел элементы жизни в глубинах темного межзвездного облака Джеймс Уэбб нашел элементы жизни в глубинах темного межзвездного облака

Группа исследователей обнаружила в молекулярном облаке Chamaeleon I жизнь

ТехИнсайдер
Прогулка вокруг марсианских вулканов Прогулка вокруг марсианских вулканов

Отправляемся в экспедицию на Марс

Наука и жизнь
Праздники подошли к концу: главная ошибка первой рабочей недели — проверьте себя Праздники подошли к концу: главная ошибка первой рабочей недели — проверьте себя

Как настроиться на работу после праздников?

Psychologies
Цикличность большого взрыва Цикличность большого взрыва

Каков физический механизм Большого взрыва?

Наука и жизнь
Доминирование, релакс или абсурд? Что такое чувство юмора и как его развить Доминирование, релакс или абсурд? Что такое чувство юмора и как его развить

Все ученые по-своему трактуют наличие у нас чувства юмора

Psychologies
Гены, бактерии и… эволюция Гены, бактерии и… эволюция

Интервью с Петром Сергиевым об исследовании генов

Наука и жизнь
Инфекционный артрит вызвал хромоту у древнего китайца Инфекционный артрит вызвал хромоту у древнего китайца

Ученые изучили останки человека, жившего во времена династии Западная Хань

N+1
Погружение в Африку Погружение в Африку

Маршрут доктора Дэвида Ливингстона вглубь Африки спустя 160 лет

Вокруг света
VisionF 80 Blck VisionF 80 Blck

VisionF 80 Black Edition радикально отличается от многих двухкорпусных яхт

Y Magazine
2010-е: архивация 2010-е: архивация

Знаковые вещи, определившие облик эпохи 2010–2020 годов, уходят со сцены

Maxim
Как выбрать спальный мешок для автомобиля? Как выбрать спальный мешок для автомобиля?

Какой спальный мешок надо купить, чтобы комфортно ночевать в автомобиле?

4x4 Club
«Момент истины»: что значит утро после первого секса — интервью социолога «Момент истины»: что значит утро после первого секса — интервью социолога

Первым совместным утром начинает яснее видеться продолжение завязавшейся истории

Psychologies
Скажи нет строгой диете! 7 советов по гармоничному похудению Скажи нет строгой диете! 7 советов по гармоничному похудению

Как скинуть набранные килограммы быстро и не сложно?

VOICE
История мальчика, которого пытались превратить в девочку: жизнь Дэвида Реймера История мальчика, которого пытались превратить в девочку: жизнь Дэвида Реймера

Правда ли, что любого ребенка можно превратить хоть в мальчика, хоть в девочку?

VOICE
Туризм в одном здании! Как устроена жизнь отеля, который стоит на границе двух стран Туризм в одном здании! Как устроена жизнь отеля, который стоит на границе двух стран

Отель, который расположился прямо на вершине международной границы

ТехИнсайдер
Что и как есть, чтобы не заболеть: 4 совета для повышения иммунитета Что и как есть, чтобы не заболеть: 4 совета для повышения иммунитета

Как меньше болеть и что для этого нужно, узнали у нутрициолога

Правила жизни
Думай как миллионер: какие мысли помогут разбогатеть Думай как миллионер: какие мысли помогут разбогатеть

Разница между бедными и богатыми — в отношении к деньгам

Psychologies
Йога для двоих Йога для двоих

10 парных асан, которые укрепят ваши отношения

Лиза
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
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
«Я вас боюсь!»: «Леня Голубков» из «МММ» женился на актрисе, младше него на 15 лет «Я вас боюсь!»: «Леня Голубков» из «МММ» женился на актрисе, младше него на 15 лет

Владимир Пермяков рассказал о своей четвертой супруге

VOICE
Однажды Джима Моррисона арестовали за показ гениталий и Однажды Джима Моррисона арестовали за показ гениталий и

Музыка часто требует от артистов достаточно высокого уровня раскрепощения

ТехИнсайдер
Слышу звон и знаю где он: разработана отечественная система, способная выявлять технические неполадки по звукам Слышу звон и знаю где он: разработана отечественная система, способная выявлять технические неполадки по звукам

Как можно диагностировать неполадки в оборудовании на слух?

ТехИнсайдер
Долго и счастливо: 5 мифов об идеальном союзе — проверьте себя Долго и счастливо: 5 мифов об идеальном союзе — проверьте себя

Cамые распространенные заблуждения, которые мешают обрести реальную любовь

Psychologies
Проектируем города будущего: основные принципы импакт-инвестиций | Designing the City of the Future: the Basic Principles of Impact Investment Проектируем города будущего: основные принципы импакт-инвестиций | Designing the City of the Future: the Basic Principles of Impact Investment

Меняется городская среда — меняются целые сценарии жизни горожан

Позитивные изменения
В чем смысл «Сказки о рыбаке и рыбке» Пушкина В чем смысл «Сказки о рыбаке и рыбке» Пушкина

Итак, на каком уровне мы воспринимаем пушкинскую «сказку о рыбаке и рыбке»?

СНОБ
Сколько времени требуется, чтобы похудеть Сколько времени требуется, чтобы похудеть

Что влияет на похудение и сколько времени может занять этот процесс?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении