Потепление климата – каким оно будет?

Часть 1. Общие сведения о факторах формирования температурного режима Земли.

Парниковые газы и атмосферные аэрозоли.

Любой газ, имеющий полосы поглощения (а значит и излучения) в инфракрасном диапазоне, и практически не имеющий их в диапазоне видимого света (либо имеющий слабые полосы в этом диапазоне по сравнению с инфракрасным), будет парниковым в условиях Земли. Несмотря на то что в самой атмосфере происходит перенос тепла разными путями, и участвуют  в нем разные газы,  эффективно излучать энергию в инфракрасном диапазоне, а значит и участвовать в отводе энергии из самой атмосферы в космос могут практически только парниковые газы, основная масса которых сконцентрирована в нижних слоях атмосферы – тропосфере (речь идет прежде всего о водяном паре, который вымораживается на больших высотах, но который дает основной вклад в современный парниковый эффект).

Полосы поглощения молекул в инфракрасном диапазоне возникают при переходах между колебательными и вращательными уровнями энергии (энергия переходов порядка 10-1 и 10-3 эВ соответственно). При этом меняется дипольный момент молекул.

Неполярные двухатомные молекулы типа O2 и N2 (кислород и азот, составляющие основную массу земной атмосферы) дипольного момента не имеют, и он не возникает даже при колебании атомов, входящих в молекулу. А значит, подобные газы не должны поглощать инфракрасное излучение. Стоит, однако заметить, что все же возможно возникновение слабых полос поглощения этих газов в инфракрасной области. При столкновениях таких молекул друг с другом, либо с молекулами других газов, у них искажаются электронные оболочки и возникает дипольный момент. В результате, у кислорода и азота возникают индуцированные полосы поглощения в инфракрасном диапазоне, правда очень и очень слабые, вносящие заметный вклад в поглощение только в случае отсутствия основных парниковых газов (например, над мощными полярными оледенениями, где почти отсутствуют пары воды) (3).

А вот молекулы воды (H2O), например, благодаря своему строению, обладает и колебательными и вращательными спектрами поглощения и излучения, формирующими мощные полосы в инфракрасном диапазоне. У углекислого газа (СО2) и метана (СН4), обладающих линейной, либо центральной симметрией, дипольный момент появляется только при ассиметричных, либо симметричных с изгибом колебаниях составляющих их частей. Поэтому чисто вращательных спектров у них обычно не наблюдается (хотя они все же могут проявлятся при столкновениях). Но колебательные и колебательно-вращательные спектры у них довольно мощны.

Парниковыми газами являются также закись азота, фреоны и их заменители, озон (озон поглощает излучение и ультрафиолетового диапазона, и инфракрасного).

Имевшееся до недавнего времени содержание парниковых газов в атмосфере поднимало температуру у поверхности Земли немногим более чем на 30 градусов – до 287 К(+14 °С). Вполне очевидно, что такой слабый парниковый эффект только лишь создает благоприятные условия жизни на Земле. Но повышение парникового эффекта может быть уже не столь благоприятно, и существенно отразится на человечестве уже при потеплении всего на несколько градусов. А в условиях небывало быстрого потепления, происходящего сейчас, вполне реальна ситуация, когда компенсационные механизмы, существующие в климатической системе, окажутся неспособными предотвратить дальнейшее усиление парникового эффекта. В этом случае положительные обратные связи между повышением температуры и повышением содержания парниковых газов в атмосфере могут привести к потеплению уже на десятки, и даже сотни градусов. Но об этом ниже. Пока же поговорим еще непосредственно о парниковых газах.

***

Cамым главным парниковым газом в земной атмосфере на сегодняшний день является водяной пар, что связано с высоким содержанием его в атмосфере и наличием у него широких и мощных полос поглощения в инфракрасной области спектра. Кроме того, у водяного пара присутствуют и полосы поглощения в ближней инфракрасной области спектра и даже в красной области видимого спектра  (т.е. захватывается и крайняя часть спектра солнечного излучения), однако эти последние полосы довольно слабы. Вклад водяного пара в общий парниковый эффект составлет ныне около 20,6 °С (4).

Второй по вкладу в общий парниковый эффект сейчас – это углекислый газ. Его вклад составляет сейчас около 7,2 °С (4). Однако, как раз на содержание этого газа в атмосфере человечество влияет непосредственно и очень сильно, и современное повышение температуры обусловлено прежде всего повышением именно его концентрации в атмосфере. За последние два с половиной столетия (т.е. с начала индустриальной эпохи) его содержание в атмосфере выросло приблизительно на 30% (5), причем наиболее интенсивно этот рост происходит в последние десятилетия, что вполне понятно – интенсивно растет потребление энергии человечеством, большую часть которой дает сжигание угля и углеводородов. Как и другие парниковые газы, кроме водяного пара, двуокись углерода не вымораживается при низких температурах, и продолжает оказывать влияние на парниковый эффект постоянно на больших высотах, и в высоких широтах. Особенно важно это было во времена глобальных оледенений, происходивших в истории Земли.

Еще один парниковый газ – озон, который взаимодействует как с ультрафиолетовым, так и с инфракрасным излучением. Его вклад в парниковый эффект составляет сейчас около 2,4 °С (4). Однако благодаря человеческой деятельности его содержание в атмосфере, в общем, понизилось за последние десятилетия (в стратосфере заметно понизилось, но в тропосфере повысилось), благодаря чему его парниковый эффект оказался ниже, чем мог бы быть, на несколько десятых долей градуса. Несмотря на весьма малое содержание озона в атмосфере, его способность поглощать инфракрасное излучение намного выше чем у углекислого газа, что объясняет столь значимый вклад в общий парниковый эффект. Однако озон поглощает и ультрафиолетовое излучение, что снижает приток энергии от Солнца к земной поверхности, поэтому влияние озона на баланс рассматриваемых потоков энергии довольно неоднозначно.

Закись азота дает сейчас около 1,4 °С в общий парниковый эффект (4). Ее концентрация тоже растет благодаря человеческой деятельности (за счет сжигания различных отходов прежде всего), но не столь быстро, как у углекислого газа. Повышение ее концентрации за всю индустриальую эру составило около 17% (5). Как и у озона, способность поглощать инфракрасное излучение у закиси азота значительно выше, чем у углекислого газа (в 310 раз), что объясняет ее заметный вклад в парниковый эффект при значительно меньших концентрациях в атмосфере.

Однако наиболее пристальное внимание стоит обратить на метан, хотя пока еще его вклад в общий парниковый эффект составляет около 0,8 °С (4). Его способность поглощать инфракрасное излучение больше чем у углекислого газа в 21 раз (на единицу массы). При этом его концентрация растет очень быстро – с начала индустриальной эпохи она выросла на 150% (причем в основном в последние десятилетия) (5). За счет этого его вклад в происходящее ныне потепление весьма высок – радиационный форсинг (это фактически рост приходящего к поверхности потока энергии, подробнее см. ниже) от изменения концентрации метана в атмосфере к 2000 году составил около 0,5 Вт/м2 (5), т.е. треть от радиационного форсинга углекислого газа (1,5 Вт/м2). В связи с активизацией многочисленных положительных обратных связей о которых будет сказано ниже, его вклад в потепление может возрасти очень сильно, возможно даже катастрофически сильно.

Удельное поглощение земного инфракрасного излучения очень велико и у фреонов – в 3 – 13 тыс. раз выше чем у углекислого газа той же массы. Фреоны, а также закись азота, метан и озон закрывают остающийся после действия паров воды и углекислого газа очень важный островок прозрачности в инфракрасном спектре поглощения земной атмосферы – в области 900-1200 см-1(3), который расположен вблизи максимума в спектре излучения Земли. Однако содержание фреонов в атмосфере еще очень мало для мощного парникового эффекта, и навряд ли вырастет сильно в ближайшем будущем – природных источников фреонов не существует, все производство и выделение их в атмосферу обусловлено только человеческим фактором, потребности же в них вырастут в обозримом будущем довольно незначительно. К тому же сейчас происходит замена использовавшихся типов фреонов на новые, которые обладают значительно меньшим временем жизни в атмосфере и будут довольно быстро из нее выводиться, практически не накапливаясь.

***

Изменение парникового эффекта можно охарактеризовать радиационным форсингом – изменением баланса нисходящего и восходящего потоков излучения на верхней границе тропосферы, что вызывает дополнительный нагрев (или охлаждение) земной поверхности. Для современного изменения концентрации парниковых газов в атмосфере эта разность положительна и составляет 2,5 Вт/м2, по расчетам МГЭИК (5). Это достаточно значимое изменение, как мы увидим ниже.

Если на расстоянии от Солнца, равном среднему радиусу земной орбиты, поместить площадку, и ориентировать ее перпендикулярно направлению на Солнце, то на каждый квадратный метр ее поверхности будет падать поток солнечной энергии в 1370 Вт. Это так называемая солнечная постоянная, которая на самом деле не столь уж и постоянна, но существенные ее изменения (на десятки процентов, см. выше) происходят очень медленно, за миллиарды лет.

Умножив значение солнечной постоянной на площадь земного диска, мы получим значение всего потока солнечной энергии, падающего на Землю. Стоит еще учесть, что поверхностью Земли и ее атмосферой сразу же отражается обратно в космос часть поступающего солнечного излучения, отнюдь не вся солнечная энергия поглощается . Так называемое альбедо Бонда, характеризующее отражение в космос  поступающей солнечной энергии составляет около 0,39. Итак, поглощенная солнечная энергия, приходящаяся на каждый квадратный метр поперечного сечения Земли должна составлять всего 835,7 Вт. Но вообще, как мы увидим позже, альбедо – величина не постоянная, зависит от многих факторов, и судя по некоторым последним исследованиям, в настоящее время довольно быстро уменьшается, а значит растет поглощение солнечной энергии планетой.

Переизлучение в космос поступающей энергии производится всей поверхностью Земли (тут вообще-то подразумевается верхний излучающий слой земной атмосферы, но находится он довольно невысоко). С каждого квадратного метра ее будет уходить в космос в среднем около 208,9 Вт теплового потока (мы перешли от площади поперечного сечения сферы по большому кругу к площади поверхности сферы, они соотносятся как 1/4). Для удобства подсчета баланса, можно и поступающую солнечную энергию привести ко всей поверхности Земли.

Таким образом, современное изменение парникового эффекта характеризующееся радиационным форсингом в 2,5 Вт/м2, сравнимо приблизительно с 1% уходящего с Земли излучения, что должно уже вполне ощутимо разогревать Землю.

Так, это в несколько раз превышает изменения поступающего на Землю солнечного излучения при колебаниях в известном 11-летнем цикле (колебания солнечной постоянной порядка 0,1%). Причем, в этих колебаниях реальное изменение поступающей к поверхности Земли энергии еще меньше – в результате учащающихся в периоды повышенной солнечной активности т. н. "солнечных вспышек", повышается поток солнечных космических лучей (т.е. поток высокоэнергетичных частиц), что в целом ухудшает прозрачность земной атмосферы (6) (несколько меняется хим. состав атмосферы, больше образуется аэрозолей, о которых поговорим ниже), и в результате, к поверхности приходит меньший поток солнечной энергии. И финальный поток, достигающий поверхности, может быть даже меньшим, чем в условиях спокойного Солнца (хотя в то же время ухудшаются и условия отвода инфракрасного излучения от Земли).

Также для сравнения можно указать, что поток солнечной энергии 300-600 млн. лет назад был ниже современного на 4%. По расчетам Будыко (2), при постоянном альбедо, это приводило бы к понижению температуры на 5-6 °С, и только лишь много большее содержание парниковых газов в атмосфере (углекислого газа, например, примерно в 10 раз), с избытком компенсировало его.

***

Кроме парниковых газов, на баланс потоков энергии, проходящих через атмосферу, как уже было упомянуто выше, серьезно влияют и атмосферные аэрозоли, которые несмотря на небольшое свое содержанияе в атмосфере (всего около 60 млн. тонн (4)), довольно сильно влияют на ее оптические свойства. Солнечное излучение проходя через атмосферу к поверхности, испытывает рассеяние на частицах аэрозолей и молекулах газов, что ослабляет доходящий до поверхности поток и возвращает часть его назад в космос.

Аэрозоли оказывают своеобразный антипарниковый эффект – они довольно сильно рассеивают излучение в видимой области спектра, прежде всего в ее коротковолновой области (рассеяние весьма сильно зависит от частоты, пропорционально четвертой степени ее). А в инфракрасной области аэрозоли взаимодействуют с излучением значительно слабее, хотя у них и встречаются полосы поглощения в этой области спектра, например, у сульфатных аэрозолей, которые, однако, за счет своих оптических свойств в видимой области спектра вносят основной вклад в антипарниковый эффект. Радиационный форсинг от современного изменения содержания аэрозолей в земной атмосфере отрицателен, и по своей величине составляет около 0,7 Вт/м2.

Сильного увеличение концентрации сульфатных аэрозолей в будущем произойти не должно. Поступление этих аэрозолей происходит из двух источников, выбрасывающих соединения серы в атмосферу – от вулканической деятельности и промышленных выбросов. Однако ожидать кардинального усиления вулканической деятельности не приходится, а с промышленными выбросами соединений серы развитые страны начали серьезно бороться. Дело в том, что эти содинения серы, взаимодействуя с водяными парами, образуют серную кислоту. Знаменитые выпадения кислотных дождей, разрушающих природу в индустриальных странах – это как раз проявление увеличившегося за последние пару столетий содержания серной кислоты в атмосфере.  В дальнейшем, промышленные выбросы соединений серы будут только снижаться, либо в крайнем случае, лишь ненамного вырастут.

Частички сажи в атмосфере тоже относят к аэрозолям. Находясь на разных выстотах, они по-разному влияют на радиационный баланс поверхности Земли. Они интенсивно поглощают излучение непрерывного спектра в широкой области (и видимой и инфракрасной), в дальнейшем переизлучая его в инфракрасной области. Находясь, в нижних слоях атмосферы и выпадая на поверхность, они способствуют их разогреву, а вот находясь в верхних слоях атмосферы, они фактически преграждают путь части солнечной радиации. Знаменитые расчеты «ядерной зимы» как раз и основаны на предположении, что в результате военного столкновения большие массы сажевых частиц попадут в верхние слои атмосферы.

Следует заметить, что антипарниковый эффект отнюдь не уменьшает действие парникового эффекта так сильно, как это можно было бы подумать. Парниковый эффект действует в любое время суток, а антипарниковый эффект только днем. К тому же парниковый эффект достаточно равномерно распределен по земному шару, а антипарниковый эффект от промышленных выбросов сульфатных аэрозолей привязан в основном к северному полушарию – мировая промышленность, основная часть которой сосредоточена именно в северном полушарии, выбрасывает аэрозоли в тропосферу, а время жизни их в тропосфере невелико (порядка недели, а то и меньше), и достигнуть другого полушария они часто не упевают.

Продолжение...
Вернуться к оглавлению...


ПОИСК  На сайте В Яndex  
Copyright © Poteplenie.Ru, 2003