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

Часы вместо компаса Часы вместо компаса

Показываемое часами время связано с положением Солнца

Наука и жизнь
Локус контроля: почему мы приписываем свои неудачи и заслуги внешним обстоятельствам Локус контроля: почему мы приписываем свои неудачи и заслуги внешним обстоятельствам

Локус контроля: рассказываем об этом непростом внутреннем механизме психики

Forbes
Стекло под ногами, или как дневной свет попал в подвал Стекло под ногами, или как дневной свет попал в подвал

Город — словно остров в океане времени

Наука и жизнь
Как выходцы из «Яндекса» придумали помощника для сборки Lego и привлекли $1,6 млн Как выходцы из «Яндекса» придумали помощника для сборки Lego и привлекли $1,6 млн

Как выходцы из «Яндекса» запустили успешное приложение Brickit

Forbes
Цикличность большого взрыва Цикличность большого взрыва

Каков физический механизм Большого взрыва?

Наука и жизнь
Совладелица галереи Booroom — о дизайне и тренде на гармонизацию Совладелица галереи Booroom — о дизайне и тренде на гармонизацию

Ирина Будцева-Виницкая об особенностях галерейного бизнеса в России

РБК
Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре

Происхождение Вселенной всегда волновало людей

Наука и жизнь
Mini Moke. Легенда на колесах Mini Moke. Легенда на колесах

Биография Mini Moke дает право называть его легендарным

Y Magazine
Космические тоннели Космические тоннели

Существуют ли кротовые норы?

Популярная механика
Шифр для атомной войны: по какой логике нумеровали американские шоссе Шифр для атомной войны: по какой логике нумеровали американские шоссе

За номерами американских шоссе стоит интересный эпизод истории

ТехИнсайдер
Почему летом жарко, а зимой холодно? Почему летом жарко, а зимой холодно?

Почему наступают зима, весна, лето, осень?

Наука и жизнь
Внутриканальные наушники: вредны для здоровья или нет Внутриканальные наушники: вредны для здоровья или нет

Есть мнение, что наушники-"затычки" портят слух, но так ли это на самом деле?

CHIP
Подпоручик, маршал, палач, жертва Подпоручик, маршал, палач, жертва

Как самонадеянность привела Тухачевского к гибели

Дилетант
Почему в культуре и обществе гендерные стереотипы передаются из поколения в поколение Почему в культуре и обществе гендерные стереотипы передаются из поколения в поколение

Что мешает распространению прогрессивных взглядов и почему опускать руки нельзя

Forbes
Из 1196 человек спаслись только 316, остальных съели акулы: жуткая история крушения крейсера Из 1196 человек спаслись только 316, остальных съели акулы: жуткая история крушения крейсера

Катастрофа крейсера "Индианаполис" вошла в историю

ТехИнсайдер
Аму Хаджи: человек, который не мылся 67 лет Аму Хаджи: человек, который не мылся 67 лет

Аму Хаджи занесен в книгу рекордов Гиннеса

ТехИнсайдер
Айфон не заряжается: как диагностировать и решить проблему Айфон не заряжается: как диагностировать и решить проблему

Почему iPhone может отказываться восполнять заряд?

CHIP
«Кто дарит жизнь — дарит смерть»: как женщины воспринимают старение матери «Кто дарит жизнь — дарит смерть»: как женщины воспринимают старение матери

Как принять старение своей матери?

Psychologies
Как пережить разрыв и полюбить другого: 4 основных шага — советы психологов Как пережить разрыв и полюбить другого: 4 основных шага — советы психологов

Разрыв может причинить только боль, а может стать этапом созидания

Psychologies
Поток генов из разных уголков Европы изменил генофонд скандинавов эпохи викингов Поток генов из разных уголков Европы изменил генофонд скандинавов эпохи викингов

Палеогенетики уточнили происхождение скандинавских популяций

N+1
Что лучше: стиральный порошок, капсулы или гель для стирки? Что лучше: стиральный порошок, капсулы или гель для стирки?

Разберемся в преимуществах и недостатках каждого чистящего средства для стирки

ТехИнсайдер
Когда фильмы уже пересмотрены: с чего начать читать книги по «Звездным войнам» Когда фильмы уже пересмотрены: с чего начать читать книги по «Звездным войнам»

Книги, которые помогут вам глубже погрузиться в далекую далекую галактику

ТехИнсайдер
Кабинеты редкостей Кабинеты редкостей

Китайский дворец и Павильон Катальной горки в Ораниенбауме

Собака.ru
Вселенная горячее, чем должна быть. В этом могут быть виноваты «темные фотоны» Вселенная горячее, чем должна быть. В этом могут быть виноваты «темные фотоны»

Межгалактические газовые облака немного теплее, чем должны быть

ТехИнсайдер
О чем молчат женщины О чем молчат женщины

Чего и почему чаще всего боятся женщины

Лиза
Вам мешает не лень! Как бороться с прокрастинацией: экспертное мнение Вам мешает не лень! Как бороться с прокрастинацией: экспертное мнение

У вас множество дел, но вы часто откладываете их в дальний ящик?

ТехИнсайдер
Девушка стала ни то слоном, ни то алигатором. Удивительная болезнь! Девушка стала ни то слоном, ни то алигатором. Удивительная болезнь!

Болезнь сделала немку Сьюзи похожей на персонажа из фантастического фильма

ТехИнсайдер
Как выжить в лесу: простые советы Как выжить в лесу: простые советы

Как построить укрытие, не замерзнуть, добыть воду, найти дорогу домой в лесу?

Maxim
7 вкусных блюд, которые придумали в Древнем мире и продолжают готовить до сих пор 7 вкусных блюд, которые придумали в Древнем мире и продолжают готовить до сих пор

Самые старые кулинарные рецепты, которые до сих пор популярны

ТехИнсайдер
Как ездить зимой на велосипеде и насколько это безопасно? Как ездить зимой на велосипеде и насколько это безопасно?

Вокруг зимней езды на велосипеде ходит множество слухов и мифов

ТехИнсайдер
Открыть в приложении